CN110530570B - 一种标准动态力校准装置 - Google Patents

Abstract

一种标准动态力校准装置，包括激励单元、质量单元、被测传感器、测量单元；激励单元包括撞击器、空气炮、气泵，撞击器水平设置，质量单元和测量单元沿撞击器的撞击方向依次设置；质量单元包括第二固定架、第一质量块、第一气浮轴承、第三固定架、第二质量块、第二气浮轴承；被测传感器安装于第二质量块上；测量单元包括第四固定架、激光干涉仪、缓冲器；撞击器、第一质量块、第二质量块、被测传感器、激光干涉仪设置于同一水平轴线上。本发明采用水平卧式结构，通过空气炮驱动撞击器产生瞬时动能，两个由气浮轴承支撑的质量块相撞击，使得位于中间的被测传感器在受到撞击时不会被反作用力影响，最终通过激光干涉仪测得准确的数据。

Description

一种标准动态力校准装置

技术领域

本发明属于物理测量技术领域，涉及动态力校准装置，特别涉及一种标准动态力校准装置。

背景技术

动态力校准装置是一种用于校准压电式传感器的装置，其要求能提供一个可测量的精确量化的动态力，从而对被测传感器进行校准。动态力校准装置通常采用的是垂直立式结构，通过碰撞质量自由下落对底部传感器形成瞬时动态力，再对碰撞质量的精确计量、以及碰撞质量下落高度的测量，利用公式计算获得一个较为准确的量化动态力。这种垂直立式结构动态力校准装置的局限性是只能提供一个垂直方向的力，无法校准水平方向的力。此外，由于力值的大小取决于碰撞质量和跌落高度，一般只能实现常规量程范围的力值，若想获得大力值，则装置的整体尺寸结构会很大，成本都会很高。

除上述缘由外，垂直立式结构基于原理，被测传感器需要固定于底部基座上，基座与地面固定。当传感器受到质量块撞击时，被测传感器与基座之间的固定连接会导致能量传递过程中产生反作用力，影响测量准确度。

综上，需要提出一种水平动态力校准装置。其中，最难以解决的是如何提供一个无释放摩擦、无导向偏移的加载系统，以保证动态力能完整地从激励单元传递到被测传感器，不被外因减损，以及确保碰撞中心的完全一致，使响应波形保持完好。

发明内容

本发明针对上述问题，提供一种标准动态力校准装置。

本发明的目的可以通过下述技术方案来实现：一种标准动态力校准装置，包括激励单元、质量单元、被测传感器、测量单元；所述激励单元包括依次连接的撞击器、空气炮、气泵，所述撞击器水平设置，所述质量单元和测量单元沿撞击器的撞击方向依次设置；所述质量单元包括第二固定架、第一质量块、第一气浮轴承、第三固定架、第二质量块、第二气浮轴承，所述第二固定架和第三固定架沿激励单元的撞击器的撞击方向依次设置，第二固定架上通过第一气浮轴承安装有第一质量块，第三固定架上通过第二气浮轴承安装有第二质量块；所述被测传感器安装于第二质量块的朝向第一质量块的一端上；所述测量单元包括第四固定架、激光干涉仪、缓冲器，所述第四固定架和激光干涉仪沿撞击器的撞击方向依次设置，所述激光干涉仪水平朝向第四固定架设置，所述缓冲器安装于第四固定架上，缓冲器上设有与激光干涉仪相对应的激光测量通孔；其中，所述激励单元的撞击器、质量单元的第一质量块和第二质量块、被测传感器、测量单元的激光干涉仪设置于同一水平轴线上。

进一步地，所述激励单元的撞击器包括第一固定架、端盖、阀门、气管、罩壳、缓冲垫、撞针、弹簧；所述第一固定架上开设有水平贯通的气腔孔，第一固定架上的两侧分别设有端盖和罩壳，所述端盖盖住气腔孔的一端，端盖上设有阀门，所述阀门通过气管与空气炮连接，所述罩壳罩住气腔孔的另一端，罩壳内设有缓冲垫、撞针、弹簧，所述缓冲垫安装于气腔孔的另一端周侧，所述撞针水平设置，撞针的一端设有凸台，撞针的另一端穿出罩壳，所述撞针一端的凸台朝向气腔孔的另一端且与缓冲垫相配合，所述弹簧套于撞针上且其两端分别抵于凸台和罩壳内壁上。

进一步地，还包括结构单元，所述结构单元包括第一基座、第二基座；所述第一基座固定于第二基座的上面，所述激励单元、质量单元、被测传感器、测量单元安装于第一基座上，所述激励单元的撞击器和测量单元的第四固定架固定于第一基座的上面。

更进一步地，所述结构单元包括第一丝杠螺母副、第一手轮、第一直线导轨副、第二丝杠螺母副、第二手轮、第二直线导轨副；所述第一基座上安装有第一丝杠螺母副、第一直线导轨副、第二丝杠螺母副、第二直线导轨副，所述第一丝杠螺母副、第一直线导轨副、第二丝杠螺母副、第二直线导轨副均与激励单元的撞击器的撞击方向平行，所述第一丝杠螺母副的丝杠与第一手轮连接，第一丝杠螺母副的丝杠螺母与第一直线导轨副的滑块连接，第一直线导轨副的滑块与第二固定架连接，所述第二丝杠螺母副的丝杠与第二手轮连接，第二丝杠螺母副的丝杠螺母与第二直线导轨副的滑块连接，第二直线导轨副的滑块与第三固定架连接。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

（1）采用水平卧式结构，整体尺寸结构较现有垂直立式结构小；

（2）质量单元采用气浮轴承来支撑质量块，气浮轴承能提供非接触式无摩擦支撑，使质量块可在水平方向自由移动，减少了质量块在碰撞过程的动能损耗，同时能起到精确平稳导向的作用；

（3）激励单元采用空气炮驱动撞击器来对质量单元产生瞬时动能，可以较小的尺寸结构获得较大的力值；

（4）激励单元的空气炮驱动撞击器，配合质量单元的气浮轴承支撑质量块，解决了现有垂直立式结构的质量单元不能无摩擦释放的问题；

（5）质量单元采用两块质量块，两块质量块分别由气浮轴承支撑，这种结构使得两块质量块的运行轨迹有很高的控制精度，并且使其在碰撞过程的动能损耗的侧向分量降到最低；

（6）用激光干涉仪测速法（绝对法）代替传统的比较法，提升了测量精度；

（7）可应对不同类型的压电传感器，模拟相应的工况环境。

附图说明

图1为本发明的立体结构示意图。

图2为本发明的剖视示意图。

图3为本发明中的激励单元中的撞击器和空气炮的剖视示意图。

图4为本发明中的激励单元中的撞击器和空气炮的断面示意图。

图5为本发明中的质量单元和被测传感器的剖视示意图。

图6为本发明中的质量单元的第三固定架、第二质量块、第二气浮轴承的断面示意图。

图7为本发明中的测量单元的剖视示意图。

图8为本发明中的测量单元中的第四固定架和缓冲器的断面示意图。

图中部件标号如下：

1撞击器

101第一固定架

102端盖

103阀门

104气管

105罩壳

106缓冲垫

107撞针

108弹簧

2空气炮

3气泵

4质量单元

401第二固定架

402第一质量块

403第一气浮轴承

404第三固定架

405第二质量块

406第二气浮轴承

5被测传感器

6测量单元

601第四固定架

602激光干涉仪

603缓冲器

7结构单元

701第一基座

702第二基座

703第一丝杠螺母副

704第一手轮

705第一直线导轨副

706第二丝杠螺母副

707第二手轮。

具体实施方式

以下结合附图详细说明本发明的具体实施方式，使本领域的技术人员更清楚地理解如何实践本发明。尽管结合其优选的具体实施方案描述了本发明，但这些实施方案只是阐述，而不是限制本发明的范围。

参见图1和图2，一种标准动态力校准装置，包括激励单元、质量单元4、被测传感器5、测量单元6、结构单元7。

所述激励单元包括依次连接的撞击器1、空气炮2、气泵3，撞击器1用于撞击质量单元4，使其产生初速度，空气炮2用于释放高压气体，气泵3用于压缩空气产生高压气体。

参见图3和图4，所述撞击器1包括第一固定架101、端盖102、阀门103、气管104、罩壳105、缓冲垫106、撞针107、弹簧108。所述第一固定架101上开设有水平贯通的气腔孔，第一固定架101上的两侧分别设有端盖102和罩壳105，所述端盖102盖住气腔孔的一端，端盖102上设有用于启闭气腔孔的阀门103，所述阀门103通过气管104与空气炮2连接，所述罩壳105罩住气腔孔的另一端，罩壳105内设有缓冲垫106、撞针107、弹簧108，所述缓冲垫106安装于气腔孔的另一端周侧，所述撞针107水平设置，撞针107的一端设有凸台，撞针107的另一端穿出罩壳105，所述撞针107一端的凸台朝向气腔孔的另一端且与缓冲垫106相配合，所述弹簧108套于撞针107上且其两端分别抵于凸台和罩壳105内壁上。本实施例中，撞击器1的使用压力范围为0.2~6 kg/cm² ，推力范围为25~500kgF。

所述质量单元4和测量单元6沿激励单元的撞击器1的撞击方向依次设置。

参见图5和图6，所述质量单元4包括第二固定架401、第一质量块402、第一气浮轴承403、第三固定架404、第二质量块405、第二气浮轴承406。所述第二固定架401和第三固定架404沿激励单元的撞击器1的撞击方向依次设置，第二固定架401上通过第一气浮轴承403安装有第一质量块402，第三固定架404上通过第二气浮轴承406安装有第二质量块405，所述第一质量块402和第二质量块405在外力作用下可水平移动。

所述被测传感器5安装于质量单元4的第二质量块405的朝向第一质量块402的一端上。

参见图7和图8，所述测量单元6包括第四固定架601、激光干涉仪602、缓冲器603。所述第四固定架601和激光干涉仪602沿撞击器1的撞击方向依次设置，所述激光干涉仪602水平朝向第四固定架601设置，所述缓冲器603安装于第四固定架601上，缓冲器603设有与激光干涉仪602相对应的激光测量通孔。

其中，所述激励单元的撞击器1的撞针107、质量单元4的第一质量块402和第二质量块405、被测传感器5、测量单元6的激光干涉仪602设置于同一水平轴线上。

参见图1和图2，所述结构单元7为标准动态力校准装置的平台，结构单元7包括第一基座701、第二基座702、第一丝杠螺母副703、第一手轮704、第一直线导轨副705、第二丝杠螺母副706、第二手轮707、第二直线导轨副708。所述第一基座701固定于第二基座702的上面，第二基座702与地面固定，双层基座可起到隔震、避免共振、便于工作台水平调节的作用。本实施例中，第一基座701为900mm×1900mm×310mm的铸铁基座，第二基座702为800mm×1780mm×320mm的铸铁基座，第一基座701和第二基座702的高度之和在最佳人体工学600~780mm的范围内，符合操作高度需求。

所述激励单元、质量单元4、被测传感器5、测量单元6均安装于第一基座701上。其中，所述激励单元的撞击器1的第一固定架101和测量单元6的第四固定架601固定于第一基座701的上面。所述第一基座701上安装有第一丝杠螺母副703、第一直线导轨副705、第二丝杠螺母副706、第二直线导轨副708，所述第一丝杠螺母副703、第一直线导轨副705、第二丝杠螺母副706、第二直线导轨副708均与激励单元的撞击器1的撞击方向平行，所述第一丝杠螺母副703的丝杠与第一手轮704连接，第一丝杠螺母副703的丝杠螺母与第一直线导轨副705的滑块连接，第一直线导轨副705的滑块与第二固定架401连接，所述第二丝杠螺母副706的丝杠与第二手轮707连接，第二丝杠螺母副706的丝杠螺母与第二直线导轨副708的滑块连接，第二直线导轨副708的滑块与第三固定架404连接。

工作前，可分别操作第一手轮704和第二手轮707，第二固定架401在第一丝杠螺母副703和第一直线导轨副705的作用下水平移动，第三固定架404在第二丝杠螺母副706和第二直线导轨副708的作用下水平移动，由此可调整第二固定架401和第三固定架404之间的距离。其中。第一直线导轨副705使得第二固定架401的移动更平稳，第二直线导轨副708使得第三固定架404的移动更平稳，第一直线导轨副705的导轨和第二直线导轨副708的导轨可共用。

工作时，激励单元的气泵3工作，气泵3压缩空气产生的高压气体经空气炮2释放，作用至撞击器1，使撞击器1的撞针107产生瞬时动能，从而激励质量单元4产生初速度。撞击器1的撞针107撞击质量单元4的第一质量块402，由于第一质量块402由第一气浮轴承403提供一个非接触式无摩擦的支撑，撞针107和第一质量块402之间实现力值无损传递。受到撞击的第一质量块402在第一气浮轴承403的支撑下做水平运动，并与第二质量块405发生碰撞，产生速度和加速度的变化，从而产生标准冲击试验力，同时力在第一质量块402撞击第二质量块405时施加到被测传感器5上。受到撞击的第二质量块405在第二气浮轴承406的支撑下同样做水平运动，直至撞击到测量单元6的缓冲器603后，停止运动。激光干涉仪602发射的激光通过缓冲器603上的激光测量通孔，可检测第二质量块405随时间变化的位移，进而经过计算能获得速度、加速度和力值。

应当指出，对于经充分说明的本发明来说，还可具有多种变换及改型的实施方案，并不局限于上述实施方式的具体实施例。上述实施例仅仅作为本发明的说明，而不是对本发明的限制。总之，本发明的保护范围应包括那些对于本领域普通技术人员来说显而易见的变换或替代以及改型。

Claims (4)

1.一种标准动态力校准装置，其特征在于，包括激励单元、质量单元、被测传感器、测量单元；

所述激励单元包括依次连接的撞击器、空气炮、气泵，所述撞击器水平设置，所述质量单元和测量单元沿撞击器的撞击方向依次设置；

所述质量单元包括第二固定架、第一质量块、第一气浮轴承、第三固定架、第二质量块、第二气浮轴承，所述第二固定架和第三固定架沿激励单元的撞击器的撞击方向依次设置，第二固定架上通过第一气浮轴承安装有第一质量块，第三固定架上通过第二气浮轴承安装有第二质量块；

所述被测传感器安装于第二质量块的朝向第一质量块的一端上；

所述测量单元包括第四固定架、激光干涉仪、缓冲器，所述第四固定架和激光干涉仪沿撞击器的撞击方向依次设置，所述激光干涉仪水平朝向第四固定架设置，所述缓冲器安装于第四固定架上，缓冲器上设有与激光干涉仪相对应的激光测量通孔；

其中，所述激励单元的撞击器、质量单元的第一质量块和第二质量块、被测传感器、测量单元的激光干涉仪设置于同一水平轴线上。

2.根据权利要求1所述的标准动态力校准装置，其特征在于，所述激励单元的撞击器包括第一固定架、端盖、阀门、气管、罩壳、缓冲垫、撞针、弹簧；所述第一固定架上开设有水平贯通的气腔孔，第一固定架上的两侧分别设有端盖和罩壳，所述端盖盖住气腔孔的一端，端盖上设有阀门，所述阀门通过气管与空气炮连接，所述罩壳罩住气腔孔的另一端，罩壳内设有缓冲垫、撞针、弹簧，所述缓冲垫安装于气腔孔的另一端周侧，所述撞针水平设置，撞针的一端设有凸台，撞针的另一端穿出罩壳，所述撞针一端的凸台朝向气腔孔的另一端且与缓冲垫相配合，所述弹簧套于撞针上且其两端分别抵于凸台和罩壳内壁上。

3.根据权利要求1或2所述的标准动态力校准装置，其特征在于，还包括结构单元，所述结构单元包括第一基座、第二基座；所述第一基座固定于第二基座的上面，所述激励单元、质量单元、被测传感器、测量单元安装于第一基座上，所述激励单元的撞击器和测量单元的第四固定架固定于第一基座的上面。

4.根据权利要求3所述的标准动态力校准装置，其特征在于，所述结构单元包括第一丝杠螺母副、第一手轮、第一直线导轨副、第二丝杠螺母副、第二手轮、第二直线导轨副；所述第一基座上安装有第一丝杠螺母副、第一直线导轨副、第二丝杠螺母副、第二直线导轨副，所述第一丝杠螺母副、第一直线导轨副、第二丝杠螺母副、第二直线导轨副均与激励单元的撞击器的撞击方向平行，所述第一丝杠螺母副的丝杠与第一手轮连接，第一丝杠螺母副的丝杠螺母与第一直线导轨副的滑块连接，第一直线导轨副的滑块与第二固定架连接，所述第二丝杠螺母副的丝杠与第二手轮连接，第二丝杠螺母副的丝杠螺母与第二直线导轨副的滑块连接，第二直线导轨副的滑块与第三固定架连接。