CN109060241A - 一种用于脉冲力校准的传感器等效惯性力修正方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开的一种用于脉冲力校准的传感器等效惯性力修正方法，属于计量技术领域。本发明实现方法为：在撞击质量块质量M、加速度a、被校力传感器电信号输出U、被校力传感器安装附件质量m、被校力传感器振动加速度ab已知的情况下，通过标准脉冲力测量模型以及广义线性拟合数学模型，实现线性系数1/Sd、被校力传感器等效质量me的测量，进而实现被校力传感器等效质量和安装附件质量引入的惯性力(me+m)ab修正，并通过线性系数1/Sd实现校准结果灵敏度的计算分析，提高标准脉冲力测量的准确度。本发明能够避免由于质量块下落的导向摩擦带来的脉冲波形初始值不准对被校力传感器灵敏度计算准确性的影响。本发明适用范围为落体式脉冲力校准装置对力传感器校准。

Description

一种用于脉冲力校准的传感器等效惯性力修正方法
技术领域
本发明属于计量技术领域，涉及一种用于直接撞击式脉冲力校准的传感器等效惯性力修正方法。
背景技术
力传感器固定直接撞击式的脉冲力发生器是最常见的动态力传感器峰值灵敏度校准设备，但被校力传感器实际存在的振动对实际标准脉冲力的影响通常被忽略。被校力传感器等效质量需要进行测量并进行惯性力的修正，而被校力传感器等效质量的测量现在一般通过正弦力试验的方式进行，程序复杂，并且存在两种试验状态(脉冲力校准试验与正弦力试验)下传感器的安装附件质量不一致的问题。
发明内容
本发明公开的一种用于脉冲力校准的传感器等效惯性力修正方法，要解决的技术问题是：在撞击质量块质量M、加速度a、被校力传感器电信号输出U、被校力传感器安装附件质量m、被校力传感器振动加速度ab已知的情况下，通过标准脉冲力测量模型以及标准脉冲力测量广义线性拟合数学模型，实现线性系数1/Sd、被校力传感器等效质量me的测量，进而实现被校力传感器等效质量和安装附件质量引入的惯性力(me+m)ab修正，并通过线性系数1/Sd实现校准结果灵敏度的计算分析，提高标准脉冲力测量的准确度。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
本发明公开的一种用于脉冲力校准的传感器等效惯性力修正方法，在被校力传感器安装基座上加装加速度计进行力传感器振动测量，得到被校力传感器振动加速度ab。基于撞击质量块加速度a、被校力传感器振动加速度ab以及被校力传感器电信号输出U三条信号曲线，三条信号曲线分别为撞击质量块脉冲加速度a曲线、被校力传感器振动加速度ab曲线、被校力传感器电信号输出U曲线。在撞击质量块质量M、加速度a、被校力传感器电信号输出U、被校力传感器安装附件质量m、被校力传感器振动加速度ab已知的情况下，通过标准脉冲力测量模型以及标准脉冲力测量广义线性拟合数学模型，实现线性系数1/Sd、被校力传感器等效质量me的测量，且实现被校力传感器等效质量和安装附件质量引入的惯性力(me+m)ab修正，并通过线性系数1/Sd实现校准结果灵敏度的计算分析，提高标准脉冲力测量的准确度。
所述的标准脉冲力测量模型为：
f＝M(a+g)+(m+me)(ab+g)
其中：M为撞击质量块的质量，是试验前测量的已知量；me为被校力传感器等效质量，是待求量；m为安装附件质量，是试验前测量的已知量；a为撞击质量块加速度，由激光干涉仪或加速度计测量得到的已知量；ab为被校力传感器振动加速度，由加装在基座上的加速度计测量得到的已知量；g为重力加速度，为已知常量，脉冲力校准中力传感器轴线及撞击方向为竖直方向时需要考虑重力加速度g。
所述的标准脉冲力测量广义线性拟合数学模型为：
F＝Ma＝U/Sd-(m+me)ab-f0
其中：F为撞击质量块惯性力，由于撞击质量块质量M是试验前测量的已知量，撞击质量块加速度a是由激光干涉仪或加速度计测量得到的已知量，故撞击质量块惯性力F是已知量；U为被校力传感器电信号输出，是已知量；Sd为被校力传感器灵敏度，是未知量；me为被校力传感器等效质量，是待求量；m为安装附件质量，是试验前测量的已知量；ab为被校力传感器振动加速度，是由加装在基座上的加速度计测量得到的已知量；f0为各个环节引入的直流量，是未知量。
在撞击质量块质量M、加速度a、被校力传感器电信号输出U、被校力传感器安装附件质量m、被校力传感器振动加速度ab已知的情况下，通过标准脉冲力测量模型以及标准脉冲力测量广义线性拟合数学模型，实现线性系数1/Sd、被校力传感器等效质量me的测量，进而实现被校力传感器等效质量和安装附件质量引入的惯性力(me+m)ab修正，并通过线性系数1/Sd实现校准结果灵敏度的计算。
作为优选，所述的标准脉冲力测量广义线性拟合数学模型所使用的数据包括整个脉冲波形以及脉冲下降沿之后的持续0～3个脉冲宽度的数据，但不包括脉冲上升沿之前的初始平台数据。所使用的数据包括撞击质量块脉冲加速度a波形拟合数据、被校力传感器振动加速度ab波形拟合数据、被校力传感器电信号输出U波形拟合数据。
有益效果：
1、本发明公开的一种用于脉冲力校准的传感器等效惯性力修正方法，在撞击质量块质量M、加速度a、被校力传感器电信号输出U、被校力传感器安装附件质量m、被校力传感器振动加速度ab已知的情况下，通过标准脉冲力测量模型以及标准脉冲力测量广义线性拟合数学模型，实现线性系数1/Sd、被校力传感器等效质量me的测量，进而实现被校力传感器等效质量和安装附件质量引入的惯性力(me+m)ab修正，通过对惯性力(me+m)ab的修正提高脉冲方式校准力传感器灵敏度的准确性，不需要额外的对被校力传感器等效质量进行试验测量。
2、现有方法是通过脉冲峰值来计算被校力传感器灵敏度，但质量块下落过程的导向摩擦会使得脉冲波形初始值不准，导致脉冲峰值的计算出现偏差，从而影响被校力传感器灵敏度的计算，本发明公开的一种用于脉冲力校准的传感器等效惯性力修正方法，采用拟合后的整个脉冲波形的全部数据进行灵敏度计算，无需单独计算脉冲峰值，避免由于质量块下落的导向摩擦带来的脉冲波形初始值不准对被校力传感器灵敏度计算准确性的影响。
3、本实施例公开的一种用于脉冲力校准的传感器等效惯性力修正方法，适用范围为落体式脉冲力校准装置对力传感器校准。
附图说明
图1是本发明方法应用于激光干涉法落体式脉冲力校准装置的原理结构示意图。
图2是本发明实施例中校准试验得到的撞击质量块(锤体)加速度(激光干涉测量)a曲线、被校力传感器电信号输出U曲线、被校力传感器振动加速度(加速度计测量)ab曲线。
图3是本发明实施例中通过广义线性拟合后得到的撞击质量块惯性力拟合曲线(与撞击质量块惯性力曲线几乎完全重合了)以及被校力传感器有效惯性力补偿后的标准力信号(与被校力传感器输出曲线波形基本一致)。
具体实施方式
为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实例对发明内容做进一步说明。
实施例1：
本实施例公开的一种用于脉冲力校准的传感器等效惯性力修正方法，适用范围为落体式脉冲力校准装置对力传感器校准。如图1所示，本实施例的落体式脉冲力校准装置为激光干涉法落体式脉冲力校准装置，包括撞击质量块1、波形发生器2、被校力传感器3、力传感器安装基座4、激光干涉测量光路5、加速度计6，还包括结构支架、数据采集分析系统等附属结构。
具体工作方法，包括如下步骤：
步骤一、撞击质量块1、波形发生器2、被校力传感器3、力传感器安装基座4、激光干涉测量光路5、加速度计6组成的系统进行动力学分析，得到标准脉冲力测量模型为：
f＝M(a+g)+(m+me)(ab+g)
其中：M为撞击质量块的质量，是试验前测量的已知量；me为被校力传感器等效质量，是待求量；m为安装附件(包含波形发生器)质量，是试验前测量的已知量；a为撞击质量块加速度，由激光干涉仪或加速度计测量得到的已知量；ab为被校力传感器振动加速度，由加装在基座上的加速度计测量得到的已知量；g为重力加速度，为已知常量，脉冲力校准中力传感器轴线及撞击方向为竖直方向时需要考虑重力加速度g。
对于线性力传感器有：
U＝Sdf+U0
其中：f为施加到被校力传感器上的标准脉冲力，U0为被校力传感器的零点输出电信号。
由此可以得到标准脉冲力测量广义线性拟合数学模型：
F＝Ma＝U/Sd-(m+me)ab-f0
其中：F为撞击质量块惯性力，由于撞击质量块质量M是试验前测量的已知量，撞击质量块加速度a是由激光干涉仪或加速度计测量得到的已知量，故撞击质量块惯性力F是已知量；U为被校力传感器电信号输出，是已知量；Sd为被校力传感器灵敏度，是未知量；me为被校力传感器等效质量，是待求量；m为安装附件质量，是试验前测量的已知量；ab为被校力传感器振动加速度，是由加装在基座上的加速度计测量得到的已知量；f0＝(M+m+me)g+U0/Sd为各个环节引入的直流量，是未知量。
步骤二、被校力传感器3通过力传感器安装基座4固定在装置的基础上，加速度计6靠近被校力传感器3安装在力传感器安装基座4上，激光干涉测量光路5对准撞击质量块1的上端面，打开激光干涉测量系统以及其他仪器仪表。
步骤三、控制装置提升撞击质量块1到一定高度后释放，撞击质量块1通过波形发生器2直接撞击被校力传感器3产生脉冲力，同时在力传感器安装基座4上会产生振动，用加速度计6测量被校力传感器3的振动加速度，使用数据采集系统同步采集激光干涉测量信号(代表撞击质量块加速度信号)、被校力传感器输出电信号以及加速度计测量信号(代表被校力传感器振动加速度信号)，对校准试验得到的原始信号分析处理得到的撞击质量块加速度(激光干涉测量)a曲线、被校力传感器输出U曲线、被校力传感器振动加速度(加速度计测量)ab曲线，如图2所示。
步骤四、对步骤三中所得到的撞击质量块加速度(激光干涉测量)a曲线、被校力传感器输出U曲线、被校力传感器振动加速度(加速度计测量)ab曲线数据分别进行拟合处理，将拟合后的数据曲线进行截取以获得待分析的数据，保留的数据应该包括整个脉冲波形以及脉冲下降沿之后的持续约3个脉冲宽度的数据，但不包括脉冲上升沿之前的初始平台数据，即数据的起始点在脉冲信号的上升沿开始之后。
步骤五、在撞击质量块质量M、被校力传感器安装附件质量m已知的情况下，将撞击质量块加速度(激光干涉测量)a曲线、被校力传感器输出U曲线、被校力传感器振动加速度(加速度计测量)ab曲线分别拟合后截取的数据代入标准脉冲力测量广义线性拟合数学模型F＝Ma＝U/Sd-(m+me)ab-f0中可直接得到力传感器等效质量m和灵敏度Sd，完成单次校准分析。
依据步骤四对图2所示信号进行截取，再通过标准脉冲力测量广义线性拟合数学模型线性拟合后得到的撞击质量块惯性力拟合曲线(与撞击质量块惯性力曲线几乎完全重合)以及被校力传感器有效惯性力补偿后的标准力信号如图3所示，得到线性系数1/Sd与被校力传感器等效质量me以及各个环节引入的直流量f0，即实现被校力传感器等效质量me测量与被校准力传感器等效质量的惯性力meab测量，且实现被校力传感器等效质量和安装附件质量引入的惯性力(me+m)ab修正，并通过线性系数1/Sd实现校准结果灵敏度的计算。
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种用于脉冲力校准的传感器等效惯性力修正方法，其特征在于：在被校力传感器安装基座上加装加速度计进行力传感器振动测量，得到被校力传感器振动加速度ab；基于撞击质量块加速度a、被校力传感器振动加速度ab以及被校力传感器电信号输出U三条信号曲线，三条信号曲线分别为撞击质量块脉冲加速度a曲线、被校力传感器振动加速度ab曲线、被校力传感器电信号输出U曲线；在撞击质量块质量M、加速度a、被校力传感器电信号输出U、被校力传感器安装附件质量m、被校力传感器振动加速度ab已知的情况下，通过标准脉冲力测量模型以及标准脉冲力测量广义线性拟合数学模型，实现线性系数1/Sd、被校力传感器等效质量me的测量，且实现被校力传感器等效质量和安装附件质量引入的惯性力(me+m)ab修正，并通过线性系数1/Sd实现校准结果灵敏度的计算分析，提高标准脉冲力测量的准确度。
2.如权利要求1所述的一种用于脉冲力校准的传感器等效惯性力修正方法，其特征在于：所述的标准脉冲力测量模型为，
f＝M(a+g)+(m+me)(ab+g)
其中：M为撞击质量块的质量，是试验前测量的已知量；me为被校力传感器等效质量，是待求量；m为安装附件质量，是试验前测量的已知量；a为撞击质量块加速度，由激光干涉仪或加速度计测量得到的已知量；ab为被校力传感器振动加速度，由加装在基座上的加速度计测量得到的已知量；g为重力加速度，为已知常量，脉冲力校准中力传感器轴线及撞击方向为竖直方向时需要考虑重力加速度g。
3.如权利要求2所述的一种用于脉冲力校准的传感器等效惯性力修正方法，其特征在于：所述的标准脉冲力测量广义线性拟合数学模型为，
F＝Ma＝U/Sd-(m+me)ab-f0
其中：F为撞击质量块惯性力，由于撞击质量块质量M是试验前测量的已知量，撞击质量块加速度a是由激光干涉仪或加速度计测量得到的已知量，故撞击质量块惯性力F是已知量；U为被校力传感器电信号输出，是已知量；Sd为被校力传感器灵敏度，是未知量；me为被校力传感器等效质量，是待求量；m为安装附件质量，是试验前测量的已知量；ab为被校力传感器振动加速度，是由加装在基座上的加速度计测量得到的已知量；f0为各个环节引入的直流量，是未知量。
4.如权利要求1、2或3所述的一种用于脉冲力校准的传感器等效惯性力修正方法，其特征在于：所述的标准脉冲力测量广义线性拟合数学模型所使用的数据包括整个脉冲波形以及脉冲下降沿之后的持续0～3个脉冲宽度的数据，但不包括脉冲上升沿之前的初始平台数据；所使用的数据包括撞击质量块脉冲加速度a波形拟合数据、被校力传感器振动加速度ab波形拟合数据、被校力传感器电信号输出U波形拟合数据。
5.如权利要求4所述的一种用于脉冲力校准的传感器等效惯性力修正方法，其特征在于：采用拟合后的整个脉冲波形的全部数据进行灵敏度计算，无需单独计算脉冲峰值，避免由于质量块下落的导向摩擦带来的脉冲波形初始值不准对被校力传感器灵敏度计算准确性的影响。
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