CN109883611A - 一种简易的力传感器标定装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种简易的力传感器标定装置，涉及海洋工程和机械工程领域，包括带有水平面和垂直面的固定基座、设置有不同类型力传感器安装孔的转接板、用于将转接板固定在固定基座上的夹具、待标定的力传感器以及可以获得准确力值的施力部件；所述转接板与所述力传感器的一端进行可拆卸的刚性连接；所述夹具保证在施加力的过程中，所述力传感器不会移动；如果需要对所述力传感器的力矩进行标定，还设置了与所述力传感器另一端进行可拆卸的刚性连接且用刚性材料制成的横梁。本发明还公开了使用所述标定装置进行力传感器标定的方法。本发明的力传感器标定装置简单易得，且能对不同尺寸的三分力或六分力传感器进行标定，操作方便快捷。

Description

一种简易的力传感器标定装置和方法

技术领域

本发明涉及海洋工程和机械工程领域，尤其涉及一种船舶与海洋工程实验所用的不同尺寸的三分力传感器和六分力传感器的标定装置和方法。

背景技术

在船舶与海洋工程和机械工程领域，试验是用来检验研究结果合理性的重要手段之一，例如：通过试验数据来验证数值模拟计算结果的准确性，测试结构的受力情况，通过测力进行运动反馈等等。在目前的各种试验中，对力数据的采集，根据要求不同普遍采用单分力、三分力、六分力传感器来进行测量。力传感器在使用之前都需要进行力的标定，确定传感器静态标定曲线，进而在测得传感器示数之后，利用静态曲线的标定系数来获得实际力、力矩的数值。

虽然力传感器在出厂时已经设置好静态变化参数，但是经过一段时间之后，出厂的系数不一定准确；另外，为了试验数据的精度，必须进行传感器的标定。在实际使用过程中，不同的力传感器，其形状各异、量程大小千差万别，所以很难有通用的标定装置来实现对大多数力传感器的标定；另外，所购买到的力传感器自身也不会带有能够用来数据标定的装置和系统。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种简易的力传感器标定装置和方法，可以对不同尺寸、不同型号的三分力传感器或六分力传感器进行准确的快速标定，其标定装置简单易得，标定方法方便快捷。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明的目的是提供一种简易的力传感器标定装置和方法，完成对不同型号、不同尺寸的三分力传感器的X、Y、Z三个方向的力的标定，完成对六分力传感器的X、Y、Z三个方向的力与绕X、Y、Z三个方向的力矩的标定，标定装置简单易得，标定方法方便快捷。

为实现上述目的，本发明提供了一种简易的力传感器标定装置，包括固定基座、转接板、夹具、待标定的力传感器以及施力部件；

所述固定基座包括水平面和垂直面，用来实现所述力传感器在不同安装姿态时的固定；

所述转接板上设置有安装不同类型所述力传感器的通孔，并与所述力传感器的一端进行可拆卸的刚性连接，实现所述力传感器的不同安装姿态；

所述夹具用于将所述转接板固定在所述固定基座的水平面或垂直面上，保证在施加力的过程中，所述力传感器不会移动；

所述施力部件用于施加可以获得准确数值的力；

如果需要对所述力传感器的力矩进行标定，所述标定装置还包括横梁，所述横梁上设置有安装不同类型所述力传感器的通孔，并与所述力传感器的另一端进行可拆卸的刚性连接；所述横梁采用刚性材料制成。

进一步地，所述转接板为直角板，且所述直角板的两面均设置有用于安装不同类型所述力传感器的通孔。

进一步地，所述力传感器是三分力传感器或六分力传感器的一种。

进一步地，所述横梁上设置有识别所施加的不同的力的标识。

进一步地，所述标识为长度刻度。

进一步地，所述标识为单一长度施加不同力的标定。

进一步地，所述转接板与所述力传感器通过螺栓连接。

进一步地，所述横梁与所述力传感器通过螺栓连接。

本发明还提供了一种标定力传感器的方法，包括以下步骤：

步骤a.对力Fx、Fy进行标定：将所述力传感器固定在所述固定基座的垂直面上，使其X轴竖直向下，用所述施力部件施加X轴方向作用力，记录不同力作用下的所述力传感器的数值Fx；将所述力传感器绕自身的Z轴旋转90度，用所述施力部件施加作用力，记录不同力作用下的所述力传感器的数值Fy；

步骤b.对力Fz进行标定：将所述力传感器垂直放置在所述固定基座的水平面上，用所述施力部件施加不同的力，记录不同力作用下的所述力传感器的数值Fz；

步骤c.对力矩Mx、My进行标定：固定所述力传感器，使其X轴和Y轴构成的平面与所述固定基座的水平面平行；将所述横梁与所述力传感器刚性连接，沿着所述横梁施加不同的力矩，记录不同力矩作用下的所述力传感器绕X轴的力矩值Mx；将所述力传感器沿自身的Z轴旋转90度后固定，沿着所述横梁施加不同的力矩，记录不同力矩作用下的所述力传感器绕Y轴的力矩值My；

步骤d.对力矩Mz进行标定：固定所述力传感器，使其X轴和Y轴构成的平面与所述固定基座的垂直面平行；将所述横梁与所述力传感器刚性连接，沿着所述横梁施加不同的力矩，记录不同力矩作用下的所述力传感器绕Z轴的力矩Mz；

步骤e.计算标定系数：将以上步骤中记录的数据进行整理，分别将施加的已知的力作为横轴，将对应的力传感器的数值作为竖轴，绘制标定静态曲线，拟合得到标定系数；

所述步骤a、步骤b、步骤c、步骤d可以根据标定需求予以删减。

进一步地，所述步骤c和所述步骤d中，沿所述横梁施加不同力矩的方法：沿不同的长度施加相同的力，或者在相同的长度上施加不同的力。

本发明提供的力传感器标定装置及标定方法，具有以下有益的技术效果：

1、本发明采用的简易标定装置适合于大多数的三分力、六分力传感器的标定工作，只要根据力传感器安装的方式设计处匹配的转接板和横梁，就可以快速、简便的完成对传感器的标定工作；

2、该标定装置一次制作完毕后，可以对相同的传感器进行多次标定，不需要复杂的操作，简单方便。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明的一个较佳实施例的结构示意图；

图2是本发明的一个较佳实施例的转接板结构示意图；

图3是本发明的一个较佳实施例的Fx、Fy标定的安装示意图；

图4是本发明的一个较佳实施例的Fz标定的安装示意图；

图5是本发明的一个较佳实施例的Mx、My标定的安装示意图；

图6是本发明的一个较佳实施例的Mz标定的安装示意图；

图7是本发明的一个较佳实施例的Mz标定的安装主视图。

具体实施方式

以下参考说明书附图介绍本发明的一个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。

在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。

本发明提供的力传感器标定装置既可用于三分力传感器的标定，也可用于六分力传感器的标定，为了更全面的说明本发明的工作原理，在本实施例中采用六分力传感器作为标定对象进行描述。

如图1所示，在本发明的一个较佳实施例中，力传感器标定装置包括固定基座1、转接板2、待标定的六分力传感器3、横梁4和夹具5。六分力传感器3的一端与转接板2固定连接，另一端与横梁4固定连接；通过夹具5，将转接板2安装在固定基座1上。

固定基座1包括水平面和垂直面，通过夹具5，可以方便的将转接板2夹持在水平面或者垂直面上，从而实现六分力传感器3在不同姿态时的安装和固定。固定基座1可以自制，也可以采用带有水平面和垂直面的工作台、桌子、板凳等，只要能够使待标定的六分力传感器3在不同的平面稳固即可。在本实施例中，采用自制的固定基座1，专门用于标定。

如图2所示，转接板2是一个直角板，在板的两面均设置有用于不同规格、不同类型的力传感器安装的通孔。在使用时，转接板2安装在六分力传感器3的下面，将六分力传感器3的一端固定在转接板2上对应的通孔上。为了防止在标定过程中，出现滑动、弹性形变等现象，将六分力传感器3与转接板2进行可拆卸的刚性连接，在本实施例中，通过螺栓将两者固定连接在一起。

夹具5用于将转接板2夹在固定基座1上，并保证在施加力的过程中，六分力传感器3不会移动。采用夹具5，可以方便的拆卸转接板2，实现六分力传感器3的不同安装姿态，使不同方向的力的标定更为方便。

六分力传感器3需要标定绕其X、Y、Z轴的力矩的标定，因此增加了横梁4。横梁4的一端设置有不同规格的安装通孔，将六分力传感器3的另一端固定安装在对应通孔上。在标定时，沿着横梁4施加不同的力矩，从而实现对六分力传感器3的力矩的标定。

为了防止标定过程中横梁4的形变对标定结果的影响，横梁4采用刚性材料制成，其形变非常微小，可以忽略不计；具体地，在本实施例中横梁4采用角铁制作而成。同时，横梁4与六分力传感器3的连接方式为刚性连接，以防止形变对标定的影响；在本实施例中，通过螺栓将两者进行固定连接。为了准确地获得施加的力矩的数值，在横梁4上设置有不同长度的刻度，通过在不同的刻度施加相同的力，即可获得不同的力矩。当然，也可以采用在横梁4上设置单一长度施加不同的力的标定，通过改变力的大小，获得不同的力矩。在本实施例中，在横梁4上设置不同长度的刻度，通过施力部件在横梁4上的不同位置，获得不同的力矩。

在进行力传感器的标定时，还需要有施力部件，用于获得施加的力，并能准确获得施力部件所施加的力的数值。在本实施例中，施力部件采用标准砝码。当然，也可以使用其他能够获得所施加力的数值的施力部件。

使用本实施例中的力传感器标定装置进行标定的方法如下：

步骤1、对力Fx、Fy进行标定：如图3所示，将六分力传感器3安装在转接板2上，使用夹具5将转接板2固定在固定基座1的垂直面上，使得六分力传感器3的X轴竖直向下；在六分力传感器3的X轴方向，施加不同质量的砝码，采集六分力传感器3在不同力作用下的数值Fx并记录；同理，由于六分力传感器3的X轴和Y轴垂直，所以只需要将六分力传感器3绕自身的Z轴旋转90度，按照上述方法，测量不同施加力情况下的六分力传感器3的数值Fy并记录。

步骤2、对力Fz进行标定：如图4所示，将六分力传感器3垂直放置在固定基座1的水平面上，然后将不同质量的砝码依次放置于六分力传感器3上，施加不同大小的力，测量并记录不同力作用下的六分力传感器3的数值Fz。

步骤3、对Mx(绕六分力传感器3的X轴的力矩)、My(绕六分力传感器3的Y轴的力矩)的标定：如图5所示，将六分力传感器3的一端安装在转接板2上，通过夹具5，将转接板2固定在固定基座1的垂直面上，使得六分力传感器3的X轴和Y轴构成的平面与固定基座1的水平面平行；将横梁4的一端与六分力传感器3另一端固定连接，沿着横梁4上设置的不同长度的刻度，施加相同大小的力F，从而获得不同的力矩，测量并记录不同力矩下六分力传感器3绕X轴的力矩Mx；将六分力传感器3绕X轴旋转90度，然后沿着横梁4上设置的不同长度的刻度，施加相同大小的F，从而获得不同的力矩，测量并记录不同力矩下六分力传感器3绕Y轴的力矩My。

步骤4、对Mz(绕六分力传感器3的Z轴的力矩)的标定：如图6和图7所示，将六分力传感器3的一端安装在转接板2上，通过夹具5，将转接板2固定在固定基座1的垂直面上，使得六分力传感器3的X轴和Y轴构成的平面与固定基座1的垂直面平行；将横梁4的一端与六分力传感器3的另一端固定连接，沿着横梁4上设置的不同长度的刻度，施加相同大小的力F，从而获得不同的力矩，测量并记录不同力矩下六分力传感器3绕Z轴的力矩Mz。

步骤5、计算标定系数：将以上步骤中记录的数据进行整理，分别将施加的已知的力作为二维图的横轴，将对应的力传感器的数值作为二维图的竖轴，绘制标定静态曲线，拟合得到六分力传感器3的标定系数。

可以理解的是，如果需要进行标定的系数仅是力传感器的部分力或者力矩的系数，可以将上述步骤进行适当的删减，例如，标定三分力传感器时，仅需要标定X、Y、Z方向的力，就可以省略步骤3和步骤4。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种简易的力传感器标定装置，其特征在于，包括固定基座、转接板、夹具、待标定的力传感器以及施力部件；

所述固定基座包括水平面和垂直面，用来实现所述力传感器在不同安装姿态时的固定；

所述转接板上设置有安装不同类型所述力传感器的通孔，并与所述力传感器的一端进行可拆卸的刚性连接，实现所述力传感器的不同安装姿态；

所述夹具用于将所述转接板固定在所述固定基座的水平面或垂直面上，保证在施加力的过程中，所述力传感器不会移动；

所述施力部件用于施加可以获得准确数值的力；

如果需要对所述力传感器的力矩进行标定，所述标定装置还包括横梁，所述横梁上设置有安装不同类型所述力传感器的通孔，并与所述力传感器的另一端进行可拆卸的刚性连接；所述横梁采用刚性材料制成。

2.如权利要求1所述的力传感器标定装置，其特征在于，所述转接板为直角板，且所述直角板的两面均设置有用于安装不同类型所述力传感器的通孔。

3.如权利要求1所述的力传感器标定装置，其特征在于，所述力传感器是三分力传感器或六分力传感器的一种。

4.如权利要求1所述的力传感器标定装置，其特征在于，所述横梁上设置有识别所施加的不同的力的标识。

5.如权利要求4所述的力传感器标定装置，其特征在于，所述标识为长度刻度。

6.如权利要求4所述的力传感器标定装置，其特征在于，所述标识为单一长度施加不同力的标定。

7.如权利要求1所述的力传感器标定装置，其特征在于，所述转接板与所述力传感器通过螺栓连接。

8.如权利要求1所述的力传感器标定装置，其特征在于，所述横梁与所述力传感器通过螺栓连接。

9.一种如权利要求1-8任一项所述的力传感器标定装置标定力传感器的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤a.对力Fx、Fy进行标定：将所述力传感器固定在所述固定基座的垂直面上，使其X轴竖直向下，用所述施力部件施加X轴方向作用力，记录不同力作用下的所述力传感器的数值Fx；将所述力传感器绕自身的Z轴旋转90度，用所述施力部件施加作用力，记录不同力作用下的所述力传感器的数值Fy；

步骤b.对力Fz进行标定：将所述力传感器垂直放置在所述固定基座的水平面上，用所述施力部件施加不同的力，记录不同力作用下的所述力传感器的数值Fz；

步骤c.对力矩Mx、My进行标定：固定所述力传感器，使其X轴和Y轴构成的平面与所述固定基座的水平面平行；将所述横梁与所述力传感器刚性连接，沿着所述横梁施加不同的力矩，记录不同力矩作用下的所述力传感器绕X轴的力矩值Mx；将所述力传感器沿自身的Z轴旋转90度后固定，沿着所述横梁施加不同的力矩，记录不同力矩作用下的所述力传感器绕Y轴的力矩值My；

步骤d.对力矩Mz进行标定：固定所述力传感器，使其X轴和Y轴构成的平面与所述固定基座的垂直面平行；将所述横梁与所述力传感器刚性连接，沿着所述横梁施加不同的力矩，记录不同力矩作用下的所述力传感器绕Z轴的力矩Mz；

步骤e.计算标定系数：将以上步骤中记录的数据进行整理，分别将施加的已知的力作为横轴，将对应的力传感器的数值作为竖轴，绘制标定静态曲线，拟合得到标定系数；

所述步骤a、步骤b、步骤c、步骤d可以根据标定需求予以删减。

10.如权利要求9所述的标定力传感器的方法，其特征在于，所述步骤c和所述步骤d中，沿所述横梁施加不同力矩的方法：沿不同的长度施加相同的力，或者在相同的长度上施加不同的力。