CN110307959A - 基于激光位移传感器的天平校准装置及校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于激光位移传感器的天平校准装置及校准方法，包括：校准基座，其通过螺杆固定在地面上；天平支杆，其通过锥面与校准基座内锥孔紧固连接；天平，其通过锥面与天平支杆的天平端内锥孔紧固连接；加载环，其通过内锥孔与天平前段锥面紧固连接；激光位移传感器支架，其通过螺杆固定在地面上，确保安装的垂直度；激光位移传感器，其通过螺杆固定在激光位移传感器支架上。本发明能实现基于激光位移传感器的天平校准过程。通过过激光位移传感器测量天平支杆组成的悬臂系统在天平端的位移量，可建立该位移与加载量的函数关系，从而得到基于结构位移的天平吹风公式。

Description

基于激光位移传感器的天平校准装置及校准方法

技术领域

本发明属于航空航天试验技术领域，具体涉及一种基于激光位移传感器的天平校准装置及校准方法。

背景技术

应变天平是风洞测力试验中最重要的测量仪器，天平静态校准是应变天平在风洞测力试验前重要的过程，天平校准的目的是得到应变天平的吹风公式，因此，天平校准是评估应变天平性能的重要环节。在传统的电阻应变天平的校准过程中，载荷施加在天平上，天平产生应变，粘贴在天平测量元件上的应变计组成电桥电压发生变化，通过建立电桥输出与加载量的函数关系，从而得到应变天平的吹风公式。

激光位移传感器具有测量范围大，分辨率高，响应快等优点，常用于结构微小变形的测量。在天平校准过程中，应变天平通过支杆固连在校准架上，形成悬臂结构，在天平处(悬臂端部)加卸载时，会产生一定量的变形，而且变形量是与加载量存在线性关系的。通过激光位移传感器测量天平支杆组成的悬臂系统在天平端的位移量，可建立该位移与加载量的函数关系，从而得到基于结构位移的天平吹风公式。

为充分利用激光位移传感器测量优势，设计一种实现基于激光位移传感器的天平校准装置是非常有意义的。

发明内容

本发明的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。

为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种基于激光位移传感器的天平校准装置，包括：

校准基座，其可拆卸连接在地面上，所述校准基座上设置有校准基座内锥孔；

天平支杆，其一端具有天平支杆锥面，另一端具有中空结构，所述中空结构内连接有天平后端固定套，所述天平后端固定套内具有天平后端内锥孔；所述天平支杆通过天平支杆锥面与校准基座上的校准基座内锥孔相匹配紧固连接；

天平，其具有前端锥面和后端锥面；所述天平通过后端锥面与天平后端固定套内的天平后端内锥孔紧固连接；

加载环，其具有容纳空腔，所述容纳空腔内连接有天平前端固定套；所述天平前端固定套内具有天平前端内锥孔，所述天平前端固定套通过天平前端内锥孔与天平的前段锥面相匹配紧固连接；所述加载环的外表面上有设置有用于固定天平六个分量的加载托盘的十二个桁架结构；所述加载环的前端设置有至少六个基准圆盘；

激光位移传感器支架，其可拆卸连接在地面上，且所述激光位移传感器支架位于加载环的前端；

至少六个激光位移传感器，其可拆卸连接在激光位移传感器支架上，且至少六个激光位移传感器上测量孔的位置与加载环上的至少六个基准圆盘同轴。

优选的是，所述加载环包括一体成型的圆柱筒和连接在圆柱筒前端的方形板；所述圆柱筒的外表面上一体成型设置有用于固定天平六个分量的加载托盘的十二个桁架结构；所述方形板上一体成型设置有至少六个基准圆盘；所述方形板上设置的至少六个基准圆盘均为水平或竖直布置。

优选的是，所述十二个桁架结构的布置方式为：在所述圆柱筒的上表面和下表面均对称布置有两个桁架结构，在所述圆柱筒的前表面和后表面均对称布置有四个桁架结构。

优选的是，至少六个所述基准圆盘的布置方式为：在所述方形板的前表面均匀设置至少四个基准圆盘，在所述方形板的上表面设置至少一个基准圆盘，在所述方形板的左表面设置至少一个基准圆盘。

优选的是，所述校准基座通过螺杆可拆卸连接在地面上；所述激光位移传感器支架通过螺杆可拆卸连接在地面上。

优选的是，所述天平支杆的中空结构内连接有天平后端固定套的连接方式为：所述中空结构的内壁设置有键槽Ⅳ，所述天平后端固定套的外壁设置有键槽Ⅴ，在所述键槽Ⅳ和键槽Ⅴ内连接固定键Ⅲ以实现天平后端固定套与天平支杆的连接。

优选的是，所述天平通过后端锥面与天平后端固定套内的天平后端内锥孔相匹配紧固连接的方式为：所述天平的后端锥面、天平支杆的中空结构和天平后端固定套上均设置有贯穿的键槽Ⅰ，在所述键槽Ⅰ内连接固定键Ⅰ，且在所述天平的后端锥面上还设置有与键槽Ⅳ和键槽Ⅴ相对应的键槽Ⅵ，通过在键槽Ⅳ、键槽Ⅴ和键槽Ⅵ内连接固定键Ⅲ以实现的天平后端锥面的紧固连接。

优选的是，所述天平前端固定套在容纳空腔内的连接方式为：所述容纳空腔的内壁上设置有安装槽，所述天平前端固定套的外壁上设置有与安装槽相匹配的凸起条，所述安装槽和凸起条相匹配连接以实现所述天平前端固定套在容纳空腔内的连接。

优选的是，所述天平前端固定套通过天平前端内锥孔与天平的前段锥面相匹配紧固连接的方式为：所述天平前端内锥孔的内壁上设置有键槽Ⅱ，所述天平的前段锥面上设置有键槽Ⅲ，在所述键槽Ⅱ和键槽Ⅲ内设置固定键Ⅱ以实现天平的前段锥面的紧固连接。

本发明还提供一种上述的基于激光位移传感器的天平校准装置的天平校准方法，包括以下步骤：

步骤一、根据天平校准的装配方式，将校准基座连接在地面，将天平支杆的一端通过天平支杆锥面与校准基座上的校准基座内锥孔紧固连接，将天平的一端通过后端锥面和天平后端固定套紧固紧固连接在天平支杆的另一端，将天平的另一端通过前端锥面和天平前端固定套紧固连接在加载环内，将激光位移传感器连接在激光位移传感器支架上，并将激光位移传感器连接在地面上；

步骤二，调节激光位移传感器的位置，确保激光位移传感器上测量孔的位置与加载环上的基准圆盘同轴；

步骤三，通过加载环上的十二个桁架结构，按单元校准方法或多元校准方法对天平进行六分量加载，同时记录加载过程中六个激光位移传感器的所测量的位移值；

步骤四，将六个激光位移传感器的数据值按一定规律组合，形成天平校准加载结果表，建立加载载荷与激光位移传感器测量值的对应关系。

本发明至少包括以下有益效果：本发明通过采用激光位移传感器进行测量，激光位移传感器具有测量范围大，分辨率高，响应快等优点，天平校准过程中，应变天平通过支杆固连在校准架上，形成悬臂结构，在天平处(悬臂端部)加卸载时，会产生一定量的变形，而且变形量是与加载量存在线性关系的；通过激光位移传感器测量天平支杆组成的悬臂系统在天平端的位移量，可建立该位移与加载量的函数关系，从而得到基于结构位移的天平吹风公式。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明：

图1为本发明基于激光位移传感器的天平校准装置的整体结构示意图；

图2为本发明所述加载环与激光位移传感器的对应关系示意图；

图3为本发明所述加载环前端基准圆盘的相对位置关系示意图；

图4为本发明所述加载环的加载桁架示意图；

图5为本发明所述校准基座的结构示意图；

图6为本发明所述天平支杆的结构示意图；

图7为本发明所述天平后端固定套的结构示意图；

图8为本发明所述天平前端固定套的结构示意图；

图9为本发明所述天平前端固定套的另一视角的结构示意图；

图10为本发明所述天平的结构示意图；

图11为本发明所述天平的另一视角的结构示意图；

图12为本发明所述加载环的结构示意图；

图13为本发明所述天平与天平支杆的连接结构示意图；

图14为本发明所述俯仰力矩Mz的加载结果。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

图1～14示出了本发明的一种基于激光位移传感器的天平校准装置，包括：

校准基座1，其可拆卸连接在地面上，所述校准基座1上设置有校准基座内锥孔11；

天平支杆2，其一端具有天平支杆锥面21，另一端具有中空结构22，所述中空结构22内连接有天平后端固定套23，所述天平后端固定套23内具有天平后端内锥孔231；所述天平支杆2通过天平支杆锥面21与校准基座1上的校准基座内锥孔11相匹配紧固连接；

天平3，其具有前端锥面31和后端锥面32；所述天平3通过后端锥面32与天平后端固定套23内的天平后端内锥孔231紧固连接；

加载环4，其具有容纳空腔41，所述容纳空腔41内连接有天平前端固定套42；所述天平前端固定套42内具有天平前端内锥孔421，所述天平前端固定套42通过天平前端内锥孔421与天平3的前段锥面31相匹配紧固连接；

所述加载环4的外表面上有设置有用于固定天平六个分量的加载托盘的十二个桁架结构407～418；所述加载环4的前端设置有至少六个基准圆盘401～406；

激光位移传感器支架6，其可拆卸连接在地面上，且所述激光位移传感器支架6位于加载环4的前端；

至少六个激光位移传感器5，其可拆卸连接在激光位移传感器支架6上，且至少六个激光位移传感器5上测量孔的位置与加载环4上的至少六个基准圆盘401～406同轴。

在上述技术方案中，所述加载环4上有十二个桁架结构407～418，其中桁架结构408、411、415和418为法向力/俯仰力矩加载点，桁架结构407、410、414和417为侧向力/偏航力矩加载点，桁架412和413为轴向力加载点，桁架409和416为滚转力矩加载点；在校准过程中，可在1个或多个桁架加载点进行加载；

在上述技术方案中，所述加载环前端的基准圆盘数量不少于6个，本实施例给出了采用6个基准圆盘的例子；其中圆盘401～405为竖直布置，圆盘406为水平布置；圆盘401～404为X轴基准，圆盘405为Z轴基准，圆盘406为Y轴基准；

在上述技术方案中，所述激光位移传感器的数量不少于6个，本实施例给出了采用6个激光位移传感器的方案；激光位移传感器的测量孔与基准圆盘同轴，圆盘401与传感器51的测量孔同轴，圆盘402与传感器52的测量孔同轴，圆盘403与传感器53的测量孔同轴，圆盘404与传感器54的测量孔同轴，圆盘405与传感器55的测量孔同轴，圆盘406与传感器56的测量孔同轴。

在上述技术方案中，所述加载环在受到轴向力等六分量载荷作用时，激光位移传感器测量的圆盘位移将会改变，施加不同载荷对应不同的圆盘位置的变化。

在上述技术方案中，所述激光位移传感器测量基准圆盘在轴向的距离，当向加载环上施加正向轴向力时，圆盘401～404将远离激光位移传感器51～54；当向加载环上施加正向法向力时，圆盘406将靠近激光位移传感器56；当向加载环上施加正向侧向力时，圆盘405将靠近激光位移传感器55；当向加载环上施加正向滚转力矩时，圆盘405和406将分别靠近激光位移传感器55和56；当向加载环上施加正向偏航力矩时，圆盘401和402将远离激光位移传感器51和52，圆盘403和404将靠近激光位移传感器53和54；当向加载环上施加正向俯仰力矩时，圆盘401和404将靠近激光位移传感器51和54，圆盘402和403将远离激光位移传感器52和53。

在上述技术方案中，所述加载环4包括一体成型的圆柱筒43和连接在圆柱筒43前端的方形板44；所述圆柱筒43的外表面上一体成型设置有用于固定天平六个分量的加载托盘的十二个桁架结构407～418；所述方形板44上一体成型设置有至少六个基准圆盘401～406；所述方形板上设置的至少六个基准圆盘401～406均为水平或竖直布置，其中圆盘401～405为竖直布置，圆盘406为水平布置。

在上述技术方案中，所述十二个桁架结构407～418的布置方式为：在所述圆柱筒的上表面和下表面均对称布置有两个桁架结构408，411，418，415，即桁架结构408、411、415和418为法向力/俯仰力矩加载点；在所述圆柱筒的前表面和后表面均对称布置有四个桁架结构407，410，414，417，409，416，412，413，即桁架结构407、410、414和417为侧向力/偏航力矩加载点，桁架412和413为轴向力加载点，桁架409和416为滚转力矩加载点。

在上述技术方案中，至少六个所述基准圆盘401～406的布置方式为：在所述方形板44的前表面均匀设置至少四个基准圆盘401～404，在所述方形板44的上表面设置至少一个基准圆盘406，在所述方形板44的左表面设置至少一个基准圆盘405。

在上述技术方案中，所述校准基座通过螺杆可拆卸连接在地面上；所述激光位移传感器支架通过螺杆可拆卸连接在地面上，采用这种方式，可以方便快捷的实现对校准基座和激光位移传感器支架的拆卸安装。

在上述技术方案中，所述天平支杆2的中空结构22内连接有天平后端固定套23的连接方式为：所述中空结构22的内壁设置有键槽Ⅳ221，所述天平后端固定套23的外壁设置有键槽Ⅴ232，在所述键槽Ⅳ221和键槽Ⅴ232内连接固定键Ⅲ233以实现天平后端固定套与天平支杆的连接。

在上述技术方案中，所述天平3通过后端锥面32与天平后端固定套23内的天平后端内锥孔231相匹配紧固连接的方式为：所述天平3的后端锥面32、天平支杆2的中空结构22和天平后端固定套23上均设置有贯穿的键槽Ⅰ33，在所述键槽Ⅰ33内连接固定键Ⅰ34，且在所述天平的后端锥面32上还设置有与键槽Ⅳ221和键槽Ⅴ232相对应的键槽Ⅵ323，通过在键槽Ⅳ221、键槽Ⅴ232和键槽Ⅵ323内连接固定键Ⅲ324以实现的天平后端锥面的紧固连接，采用这种方式，一方面方便拆卸，另一方面可以将天平准确的固定在天平支杆上。

在上述技术方案中，所述天平前端固定套42在容纳空腔41内的连接方式为：所述容纳空腔41的内壁上设置有安装槽419，所述天平前端固定套42的外壁上设置有与安装槽411相匹配的凸起条422，所述安装槽419和凸起条422相匹配连接以实现所述天平前端固定套在容纳空腔内的连接，采用这种方式，一方面方便拆卸，另一方面可以将天平前端固定套准确的固定在加载环的容纳空腔内。

在上述技术方案中，所述天平前端固定套42通过天平前端内锥孔421与天平的前段锥面31相匹配紧固连接的方式为：所述天平前端内锥孔421的内壁上设置有键槽Ⅱ423，所述天平的前段锥面31上设置有键槽Ⅲ311，在所述键槽Ⅱ423和键槽Ⅲ311内设置固定键Ⅱ424以实现天平的前段锥面的紧固连接。采用这种方式，一方面方便拆卸，另一方面可以将天平准确的连接在天平前端固定套内。

本发明还提供一种如上述的基于激光位移传感器的天平校准装置的天平校准方法，包括以下步骤：

步骤一、根据天平校准的装配方式，将校准基座1通过螺杆连接在地面，将天平支杆2的一端通过天平支杆锥面21与校准基座1上的校准基座内锥孔231紧固连接，将天平3的一端通过后端锥面32和天平后端固定套23紧固连接在天平支杆2的另一端，将天平3的另一端通过前端锥面31和天平前端固定套42紧固连接在加载环4内，将激光位移传感器5连接在激光位移传感器支架6上，并将激光位移传感器5通过螺杆连接在地面上；

步骤二，调节激光位移传感器51～56的位置，确保六个激光位移传感器上测量孔的位置与加载环上的六个基准圆盘401～406同轴，此时激光位移传感器51～56记录了与基准圆盘401～406之间的位移值；

步骤三，通过加载环上的十二个桁架结构407～418，按单元校准方法或多元校准方法对天平进行六分量加载，同时记录加载过程中六个激光位移传感器51～56的所测量的位移值，S₄₀₁表示激光位移传感器51与基准圆盘41件的位移值；

步骤四，将六个激光位移传感器51～56的数据值按一定规律组合，见表1，形成天平校准加载结果表(其中，Y为法向力分量、Mz为俯仰力矩分量、Z为侧向力分量、My为偏航力矩分量、X为轴向力分量、Mx为滚转力矩分量)。以加载俯仰力矩Mz为例，在加载正向Mz时，S₄₀₁和S₄₀₄变大，S₄₀₂和S₄₀₃变小，通过传感器输出组合可得到俯仰力矩分量Mz的组合结果与其加载载荷的关系，如图14所示，因此，可建立加载载荷与激光位移传感器测量值的对应关系。

表1

天平分量	传感器输出组合
		Y	-S<sub>406</sub>
Mz	-(S<sub>402</sub>+S<sub>403</sub>)+(S<sub>401</sub>+S<sub>404</sub>)
		Z	-S<sub>405</sub>
My	(S<sub>401</sub>+S<sub>402</sub>)-(S<sub>403</sub>+S<sub>404</sub>)
		X	(S<sub>401</sub>+S<sub>402</sub>+S<sub>403</sub>+S<sub>404</sub>)
Mx	S<sub>405</sub>+S<sub>406</sub>

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (10)

1.一种基于激光位移传感器的天平校准装置，其特征在于，包括：

校准基座，其可拆卸连接在地面上，所述校准基座上设置有校准基座内锥孔；

天平支杆，其一端具有天平支杆锥面，另一端具有中空结构，所述中空结构内连接有天平后端固定套，所述天平后端固定套内具有天平后端内锥孔；所述天平支杆通过天平支杆锥面与校准基座上的校准基座内锥孔相匹配紧固连接；

天平，其具有前端锥面和后端锥面；所述天平通过后端锥面与天平后端固定套内的天平后端内锥孔紧固连接；

加载环，其具有容纳空腔，所述容纳空腔内连接有天平前端固定套；所述天平前端固定套内具有天平前端内锥孔，所述天平前端固定套通过天平前端内锥孔与天平的前段锥面相匹配紧固连接；所述加载环的外表面上有设置有用于固定天平六个分量的加载托盘的十二个桁架结构；所述加载环的前端设置有至少六个基准圆盘；

激光位移传感器支架，其可拆卸连接在地面上，且所述激光位移传感器支架位于加载环的前端；

至少六个激光位移传感器，其可拆卸连接在激光位移传感器支架上，且至少六个激光位移传感器上测量孔的位置与加载环上的至少六个基准圆盘同轴。

2.如权利要求1所述的基于激光位移传感器的天平校准装置，其特征在于，所述加载环包括一体成型的圆柱筒和连接在圆柱筒前端的方形板；所述圆柱筒的外表面上一体成型设置有用于固定天平六个分量的加载托盘的十二个桁架结构；所述方形板上一体成型设置有至少六个基准圆盘；所述方形板上设置的至少六个基准圆盘均为水平或竖直布置。

3.如权利要求2所述的基于激光位移传感器的天平校准装置，其特征在于，所述十二个桁架结构的布置方式为：在所述圆柱筒的上表面和下表面均对称布置有两个桁架结构，在所述圆柱筒的前表面和后表面均对称布置有四个桁架结构。

4.如权利要求2所述的基于激光位移传感器的天平校准装置，其特征在于，至少六个所述基准圆盘的布置方式为：在所述方形板的前表面均匀设置至少四个基准圆盘，在所述方形板的上表面设置至少一个基准圆盘，在所述方形板的左表面设置至少一个基准圆盘。

5.如权利要求1所述的基于激光位移传感器的天平校准装置，其特征在于，所述校准基座通过螺杆可拆卸连接在地面上；所述激光位移传感器支架通过螺杆可拆卸连接在地面上。

6.如权利要求1所述的基于激光位移传感器的天平校准装置，其特征在于，所述天平支杆的中空结构内连接有天平后端固定套的连接方式为：所述中空结构的内壁设置有键槽Ⅳ，所述天平后端固定套的外壁设置有键槽Ⅴ，在所述键槽Ⅳ和键槽Ⅴ内连接固定键Ⅲ以实现天平后端固定套与天平支杆的连接。

7.如权利要求6所述的基于激光位移传感器的天平校准装置，其特征在于，所述天平通过后端锥面与天平后端固定套内的天平后端内锥孔相匹配紧固连接的方式为：所述天平的后端锥面、天平支杆的中空结构和天平后端固定套上均设置有贯穿的键槽Ⅰ，在所述键槽Ⅰ内连接固定键Ⅰ，且在所述天平的后端锥面上还设置有与键槽Ⅳ和键槽Ⅴ相对应的键槽Ⅵ，通过在键槽Ⅳ、键槽Ⅴ和键槽Ⅵ内连接固定键Ⅲ以实现的天平后端锥面的紧固连接。

8.如权利要求1所述的基于激光位移传感器的天平校准装置，其特征在于，所述天平前端固定套在容纳空腔内的连接方式为：所述容纳空腔的内壁上设置有安装槽，所述天平前端固定套的外壁上设置有与安装槽相匹配的凸起条，所述安装槽和凸起条相匹配连接以实现所述天平前端固定套在容纳空腔内的连接。

9.如权利要求1所述的基于激光位移传感器的天平校准装置，其特征在于，所述天平前端固定套通过天平前端内锥孔与天平的前段锥面相匹配紧固连接的方式为：所述天平前端内锥孔的内壁上设置有键槽Ⅱ，所述天平的前段锥面上设置有键槽Ⅲ，在所述键槽Ⅱ和键槽Ⅲ内设置固定键Ⅱ以实现天平的前段锥面的紧固连接。

10.一种如权利要求1～9任一项所述的基于激光位移传感器的天平校准装置的天平校准方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、根据天平校准的装配方式，将校准基座连接在地面，将天平支杆的一端通过天平支杆锥面与校准基座上的校准基座内锥孔紧固连接，将天平的一端通过后端锥面和天平后端固定套紧固连接在天平支杆的另一端，将天平的另一端通过前端锥面和天平前端固定套紧固连接在加载环内，将激光位移传感器连接在激光位移传感器支架上，并将激光位移传感器连接在地面上；

步骤二，调节激光位移传感器的位置，确保激光位移传感器上测量孔的位置与加载环上的基准圆盘同轴；

步骤三，通过加载环上的十二个桁架结构，按单元校准方法或多元校准方法对天平进行六分量加载，同时记录加载过程中六个激光位移传感器的所测量的位移值；

步骤四，将六个激光位移传感器的数据值按一定规律组合，形成天平校准加载结果表，建立加载载荷与激光位移传感器测量值的对应关系。