CN110470416B - 一种用于微小型水下运动装置的微推进力测量系统及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于水下微力测试领域，具体涉及一种用于微小型水下运动装置的微推进力测量系统及其测量方法。所述微推进力测量系统包括计算机测控系统、数据采集系统、微调位移系统、杠杆力放大和解耦系统、应变式微力传感器和夹持装置。本发明方法基于应变式力传感器和杠杆原理建立了一种用于微小型水下运动装置的微推进力测量系统，可将要测量的水平微力进行放大，并且通过在杠杆上装一对轴承，由于轴承的存在使得杠杆的受力只能进行单向传递，实现对测量物体的力进行解耦，消除其他方向力的影响，从而准确的求出所需要的微推进力。本发明所述推进力测量系统可以在线快速的测量水下仿生机器人的微推进力。

Description

一种用于微小型水下运动装置的微推进力测量系统及其测量 方法

技术领域

本发明属于水下微力测试领域，具体涉及一种用于微小型水下运动装置的微推进力测量系统及其测量方法。

背景技术

随着陆地资源的日益匮乏，海洋资源的探索与开发成为世界各国的重要课题。微小型水下运动装置已经应用于海洋等水生资源的开发和利用，以及海底形貌探索的。鱼类等水生动物经过五亿多年进化，其外形结构和运动方式都非常适合水下生存，具有高速、高效、低噪等特点，因此，研究者们根据水生动物推进模式研发了多款微小型水下运动装置。然而微小型水下运动装置受到的推进力太小，因此设计一种能够快速进行标定、测量微推力的测量系统就显得尤为重要。

当前微力测量装置的发展迅速，其运用的场合越来越复杂，精度也愈来愈高，对其进行标定或测量的要求也愈来愈精确。目前的微力精密测量、标定方法有利用静电平行板、静电板齿、二级杠杆、洛伦兹力发生原理、压电材料等方式。通过这些方式容易受到温度的影响；电容式容易受到电磁场的干扰。虽然传统通过力值计量通常由标准砝码复现，目前小的标准砝码为1mg(10-5N)，当砝码质量小于1mg时会存在很大的不确定度以致无法作为力值标准。目前为止各国尚未对微小力值(≤10-5N)的计量建立统一方法，国内对于10N以下没有规范的量值传递体系，因此微力测量难以推广使用。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，目的在于提供一种用于微小型水下运动装置的微推进力测量系统及其测量方法。

为实现上述发明目的，本发明所采用的技术方案为：

一种用于微小型水下运动装置的微推进力测量系统，包括：

计算机测控系统，包括计算机和测控软件；

数据采集系统，包括动态应变仪、示波器和数据采集板卡，所示动态应变仪、示波器均与数据采集卡连接，所述数据采集板卡与计算机测控系统连接；

微调位移系统，包括2个三维微纳位移平台和用于支撑固定三维微纳位移平台的支架，所述2个三维微纳位移平台均与计算机测控系统连接；

杠杆力放大和解耦系统，包括一级杠杆、轴承、轴承固定基座，所述轴承位于一级杠杆中间位置作为杠杆的支点，轴承与杠杆过盈配合，与杠杆过盈配所述轴承与轴承固定基座固定连接，所述轴承固定基座与其中一个三维微纳位移平台固定连接；

应变式微力传感器和夹持装置，所述一级杠杆的下端与夹持装置固定连接，所示夹持装置用于夹持微小型水下运动装置，所述一级杠杆的上端与应变式微力传感器的自由端固定连接，所述应变式微力传感器的非自由端固定在另一个三维微纳位移平台上，且所述应变式微力传感器还分别连接示波器和动态应变仪。

上述方案中，所述三维微纳位移平台上固定有X向单轴微纳位移器、Y向单轴微纳位移器、Z向单轴微纳位移器，通过计算机控制三维微纳位移台进行X、Y、Z轴方向的微调。

上述方案中，所述一级杠杆的上端设置有螺纹孔，所述应变式微力传感器的自由端设置有螺纹孔，通过螺纹孔对心以及螺丝固定连接一级杠杆的上端与应变式微力传感器的自由端。

上述方案中，还包括激光位移计，所述激光位移计固定在三维微纳位移平台上、激光位移计发出的光束与一级杠杆上端螺纹孔、应变式微力传感器自由端螺纹孔处在同一平面上，利用激光位移计发出的光束穿过两个螺纹孔达到螺纹孔对心的目的，随后将螺丝拧入对心螺丝孔固定连接应变式微力传感器的自由端与一级杠杆上端。

本发明所述微小型水下运动装置的微推进力测量系统的测量方法，包括如下步骤：

(1)进行调零：将微小型水下运动装置通过夹持装置进行装夹，先通过肉眼观察应变式微力传感器自由端的螺纹孔和一级杠杆的上端螺纹孔的偏差距离，通过在计算机与测控软件中输入X、Y、Z三方向的数据参数对三维微纳米平台进行初步调节；紧接着通过细微调节使得激光位移计的激光束正好穿过应变式微力传感器自由端的螺纹孔和一级杠杆的上端螺纹孔达到对心的目的，之后将螺丝拧入对心孔连接应变式微力传感器和一级杠杆，拧完之后通过调整螺纹的拧紧程度，当在动态应变仪检测到的应变值刚好接近于零时，三维微纳米平台停止移动，将动态应变仪的数值进行归零处理，并将此时整个测力机构的受力设置为零；

(2)进行标定：在夹具装置上通过一条细线引出一个标定平台，将标定过程中砝码施加的重力转化成对杠杆的拉力；设置数组Aj(xj,yj,zj)用于表示砝码重量-应变值-电压值数据，其中，xj为砝码重量，yj为相对应的应变值，zj为相对应的电压值，j＝1,2,…,m为实验次数，一般m可取3～4次之间，每一次实验获得一组砝码重量-应变值-电压值，对应于一条砝码重量-应变值-电压值曲线，采取多次实验并取其平均值是为了减小随机误差，提高标定准确度；应变式微力传感器将标定砝码的对其的作用力转为电信号，数据采集卡将这些数据采集之后传输到电脑上，记录相应增加的砝码重量对应的应变值和电压值，根据绘制应变式微力-应变值和应变式微力-电压值曲线图，通过用最小二乘法拟合计算出微推进力-电压以及微推进力-应变值的关系式；

(3)进行测力：运行微小型水下运动装置使其达到能够在水中产生向前的微推进力F1和侧向力，由于杠杆力放大和解耦系统中轴承的存在使得杠杆的受力只能进行单向传递测得向前的进力F1，实现对测量物体的微推力进行解耦，消除其他方向的侧向力，由杠杆力放大系统对微推进力F1进行力放大之后得到力F2，放大的力F2通过连接螺丝传递到应变式微力传感器中，应变式微力传感器内部的应变片受力之后产生电信号，通过连接线将电信号传递到示波器和动态应变仪中，数据采集卡将从示波器和动态应变仪的数据传递到计算机中，在LabVIEW中进行观测和收集数据，将测得电压值以及应变值进行记录，然后代入在标定中拟合出来的关系式中算出测得物体的微推进力。

本发明的有益效果：本发明方法基于应变式力传感器和杠杆原理建立了一种用于微小型水下运动装置的微推进力测量系统，可将要测量的水平微力进行放大，提高了放大倍数和放大精度，使实际放大倍数接近理论放大倍数，在线性范围内扩大了测量的量程，本发明所述推进力测量系统结构简单、容易加工制造，可以克服力传感器容易受到温度的影响以及容易受到水等环境的影响，其运用的场合可以是空气中、也可以是在水环境之下测得物体的微推进力，本发明通过在杠杆上装一对轴承，并将杠杆与支架相连接减少了系统中的摩擦环节，提高了测量精度，由于轴承的存在使得杠杆的受力只能进行单向传递，实现对测量物体的力进行解耦，消除其他方向力的影响，从而准确的求出所需要的微推进力。本发明通过计算机控制三维微纳位移台和激光位移计的组合方式，从而达到机构快速进行调零的目的，并且快速的完成标定，本发明所述推进力测量系统可以在线快速的测量水下仿生机器人的微推进力。

附图说明

图1为微小型水下运动装置的微推进力测量系统的结构示意图。

图2和图3为微小型水下运动装置的微推进力测量系统的微推进力传递机构的结构示意图。

图4为微小型水下运动装置的微推进力测量系统的工作原理图。

图5为通过玛法标定的微推进力-电压拟合关系图。

图6为通过玛法标定的微推进力-应变值拟合关系图。

其中，1-计算机与测控软件、2-数据采集板卡、3-动态应变仪、4-示波器、5-三维微纳位移台、6-三维微纳位移台、7-应变式微力传感器、8-杠杆力放大和解耦系统、9-Y向单轴微纳位移器、10-Z向单轴微纳位移器、11-X向单轴微纳位移器、12-夹持装置、13-激光位移计、14-微小型水下运动装置，15-大理石框架，16-一级杠杆，17-轴承，18-轴承固定基座，19-一级杠杆上端的螺纹孔，20-应变式微力传感器自由端的螺纹孔。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。

如图1所示，用于微小型水下运动装置的微推进力测量系统，包括：

计算机与测控软件1、动态应变仪3、示波器4和数据采集板卡2，所述动态应变仪3、示波器4均连接到数据采集卡2上，数据采集板卡2与计算机测控系统1连接；

三维微纳位移台5、三维微纳位移台6、用于固定两个三维微纳位移平台的大理石框架15，所述三维微纳位移台5和三维微纳位移台6上均固定有X向单轴微纳位移器11、Y向单轴微纳位移器9、Z向单轴微纳位移器10，两个三维微纳位移平台分别和计算机与测控软件连接，通过计算机控制三维微纳位移台进行X、Y、Z轴方向的微调；

杠杆力放大和解耦系统8，包括一级杠杆16、一对轴承17、轴承固定基座18，所述一对轴承位于一级杠杆中间位置的左右两侧作为杠杆支点的同时，由于轴承的存在使得杠杆的受力只能进行单向传递，实现对测量物体的微推力进行解耦，消除其他方向的侧向力和力矩，装配时轴承与杠杆过盈配合，所述轴承固定基座18用于固定一对轴承17，同时轴承固定基座18固定在三维微纳位移平台6上；

夹持装置12、应变式微力传感器7，所述一级杠杆16的下端与夹持装置12固定连接，所述夹持装置12用于夹持微小型水下运动装置14，所述一级杠杆16的上端与应变式微力传感器7的自由端固定连接，所述应变式微力传感器7的非自由端固定在三维微纳位移平台5上，所述应变式微力传感器7与示波器4、动态应变仪3相连接，示波器4、动态应变仪3进一步连接数据采集板卡2与计算机测控系统1，所述应变式微力传感器7受计算机控制；

进一步地，所述一级杠杆16的上端设置有螺纹孔19，所述应变式微力传感器7自由端设置有螺纹孔20，所述一级杠杆16的上端与应变式微力传感器7的自由端通过螺丝固定连接；进一步地，在三维微纳位移平台5上设置激光位移计13，所述激光位移计13发出的光束与螺纹孔19、螺纹孔20处在同一平面上，利用激光位移计13发出的光束同时穿过螺纹孔19和螺纹孔20来达到对心的目的，随后再将螺丝拧入对心后的一级杠杆上端的螺纹孔19和应变式微力传感器螺纹孔20内，所述激光位移计13与计算机与测控软件1连接，受计算机控制。

本发明中选择大理石材料为支撑结构是由于大理石具有密度大、强度高、硬度高、稳定性好、耐磨耐压、不生锈、不磁化、耐酸碱、热膨胀系数小而不因室温波动产生大的形变等优点。

本发明所述微小型水下运动装置的微推进力测量系统的测量方法，包括如下步骤：

(1)进行调零：将微小型水下运动装置14通过夹持装置12进行装夹，先通过肉眼观察应变式微力传感器7自由端的螺纹孔20和一级杠杆16的上端螺纹孔19的偏差距离，通过在计算机与测控软件1中输入X、Y、Z三方向的数据参数对三维微纳米平台5进行初步调节，在对三维微纳米平台5调节的会带动应变式微力传感器7的调节。紧接着通过细微调节使得激光位移计13的激光束正好穿过应变式微力传感器7自由端的螺纹孔20和一级杠杆的上端螺纹孔19达到对心的目的，之后将螺丝拧入对心孔连接应变式微力传感器7和一级杠杆，拧完之后通过调整螺纹的拧紧程度，当在动态应变仪3检测到的应变值刚好接近于零时，三维微纳米平台5停止移动，将动态应变仪3的数值进行归零处理，并将此时整个测力机构的受力设置为零。

(2)进行标定：在夹具装置12上的某个位置引出一条细线将其绕过安装在夹具装置12一侧的定滑轮，将引出细线的另一端固定一个标定平台。将标定过程中，由于一般情况下绳子上的拉力处处相等，利用砝码放在标定平台时，砝码将自身重力转化成对绳子的拉力从而产生与对杠杆机构的推进力相同方向的标定力，设置数组Aj(xj,yj,zj)用于表示砝码重量-应变值-电压值数据。其中，xj为砝码重量，yj为相对应的应变值，zj为相对应的电压值；j＝1,2,…,m为实验次数，一般m可取3～4次之间，每一次实验获得一组砝码重量-应变值-电压值，对应于一条砝码重量-应变值-电压值曲线，采取多次实验并取其平均值是为了减小随机误差，提高标定准确度。应变式微力传感器7将标定砝码的对其的作用力转为电信号，数据采集卡2将这些数据采集之后传输到电脑上，记录相应增加的砝码重量对应的应变值(见下表2)和电压值(见小表1)。根据绘制标定力-应变值和标定力-电压曲线图通过用最小二乘法拟合出微推力-电压以及微推进力-应变值的关系式(见图5和图6)，所述微推进力-电压的拟合关系式为：f(x)＝0.0826x+0.008727，所述微推进力-应变值的拟合关系式为：f(x)＝16.27x+0.2545。

表1力传感器力-电压标定数据

表2力传感器力-应变值标定数据

(3)进行测力：如图2所示，运行微小型水下运动装置14使其达到能够在水中产生向前的微推进力F1和侧向力，由于杠杆力放大和解耦机构8中轴承的存在使得杠杆的受力只能进行单向传递测得向前的进力F1，实现对测量物体的微推力进行解耦，消除其他方向的侧向力，由杠杆力放大系统8对微推进力F1进行力放大之后得到力F2。放大的力F2通过连接螺丝传递到应变式微力传感器7中，应变式微力传感器7内部的应变片受力之后产生电信号，通过连接线将电信号传递到示波器4和动态应变仪3中，数据采集卡2将从示波器4和动态应变仪3的数据传递到计算机1中，在LabVIEW中进行观测和收集数据。将测得电压值以及应变值进行记录，然后代入在标定中拟合出来的关系式中算出测得物体的微推进力。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的实例，而并非对实施方式的限制。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而因此所引申的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种用于微小型水下运动装置的微推进力测量系统，其特征在于，包括：计算机测控系统，包括计算机和测控软件；

数据采集系统，包括动态应变仪、示波器和数据采集板卡，所示动态应变仪、示波器均与数据采集卡连接，所述数据采集板卡与计算机测控系统连接；

微调位移系统，包括2个三维微纳位移平台和用于支撑固定三维微纳位移平台的支架，所述2个三维微纳位移平台均与计算机测控系统连接；

杠杆力放大和解耦系统，包括一级杠杆、轴承、轴承固定基座，所述轴承位于一级杠杆中间位置作为杠杆的支点，轴承与杠杆过盈配合，所述轴承与轴承固定基座固定连接，所述轴承固定基座与其中一个三维微纳位移平台固定连接；

应变式微力传感器和夹持装置，所述一级杠杆的下端与夹持装置固定连接，所示夹持装置用于夹持微小型水下运动装置，所述一级杠杆的上端与应变式微力传感器的自由端固定连接，所述应变式微力传感器的非自由端固定在另一个三维微纳位移平台上，且所述应变式微力传感器还分别连接示波器和动态应变仪；

所述一级杠杆的上端设置有螺纹孔，所述应变式微力传感器的自由端设置有螺纹孔，通过螺纹孔对心以及螺丝固定连接一级杠杆的上端与应变式微力传感器的自由端；

所述微推进力测量系统还包括激光位移计，所述激光位移计固定在三维微纳位移平台上、激光位移计发出的光束与一级杠杆上端螺纹孔、应变式微力传感器自由端螺纹孔处在同一平面上，利用激光位移计发出的光束穿过两个螺纹孔达到螺纹孔对心的目的，随后将螺丝拧入对心螺丝孔固定连接应变式微力传感器的自由端与一级杠杆上端。

2.根据权利要求1所述用于微小型水下运动装置的微推进力测量系统，其特征在于，所述三维微纳位移平台上固定有X向单轴微纳位移器、Y向单轴微纳位移器、Z向单轴微纳位移器，通过计算机控制三维微纳位移台进行X、Y、Z轴方向的微调。

3.权利要求1~2任一所述用于微小型水下运动装置的微推进力测量系统的测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）进行调零：将微小型水下运动装置通过夹持装置进行装夹，先通过肉眼观察应变式微力传感器自由端的螺纹孔和一级杠杆的上端螺纹孔的偏差距离，通过在计算机与测控软件中输入X、Y、Z三方向的数据参数对三维微纳米平台进行初步调节；紧接着通过细微调节使得激光位移计的激光束正好穿过应变式微力传感器自由端的螺纹孔和一级杠杆的上端螺纹孔达到对心的目的，之后将螺丝拧入对心孔连接应变式微力传感器和一级杠杆，拧完之后通过调整螺纹的拧紧程度，当在动态应变仪检测到的应变值刚好接近于零时，三维微纳米平台停止移动，将动态应变仪的数值进行归零处理，并将此时整个测力机构的受力设置为零；

（2）进行标定：在夹具装置上通过一条细线引出一个标定平台，将标定过程中砝码施加的重力转化成对杠杆的拉力；设置数组Aj( xj, yj, zj)用于表示砝码重量-应变值-电压值数据，其中，xj为砝码重量，yj为相对应的应变值，zj为相对应的电压值，j=1,2,…,m 为实验次数，每一次实验获得一组砝码重量-应变值-电压值，对应于一条砝码重量-应变值-电压值曲线，应变式微力传感器将标定砝码对其的作用力转为电信号，数据采集卡将这些数据采集之后传输到电脑上，记录相应增加的砝码重量对应的应变值和电压值，根据绘制应变式微力-应变值和应变式微力-电压值曲线图，通过用最小二乘法拟合计算出微推进力-电压以及微推进力-应变值的关系式；

（3）进行测力：运行微小型水下运动装置使其达到能够在水中产生向前的微推进力F1和侧向力，由于杠杆力放大和解耦系统中轴承的存在使得杠杆的受力只能进行单向传递测得向前的进力F1，实现对测量物体的微推力进行解耦，消除其他方向的侧向力，由杠杆力放大系统对微推进力F1进行力放大之后得到力F2，放大的力F2通过连接螺丝传递到应变式微力传感器中，应变式微力传感器内部的应变片受力之后产生电信号，通过连接线将电信号传递到示波器和动态应变仪中，数据采集卡将从示波器和动态应变仪的数据传递到计算机中，观测和收集数据，将测得电压值以及应变值进行记录，然后代入在标定中拟合出来的关系式中算出测得物体的微推进力。

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