CN112129454B - 一种三自由度测力装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及水动力学实验研究技术领域，更具体地，涉及一种三自由度测力装置及方法。一种三自由度测力装置，包括：模型，用于测量在水中所受的力；动力系统，用于为模型运动提供动力；相互连结的旋转结构、套管及支架，本装置还包括牵引力测量模块，用于测量模型所受的牵引力、升降力测量模块，用于测量模型所受的升降力、翻转力矩测量模块，用于测量模型所受的翻转力矩。本发明在测试过程中三个测力系统同时工作，使得模型所受的三个力同时输出，保持了同步性，减少了测量误差，提高了测试精度。

Description

一种三自由度测力装置及方法

技术领域

本发明涉及水动力学实验研究技术领域，更具体地，涉及一种三自由度测力装置及方法。

背景技术

在水动力试验测试领域，测量模型的所受力的装置是进行物理模型试验的一种必备装置。测量装置通常通过力传感器测量模型所受的力。由于实验研究的复杂性和准确性要求，需要测量的力类型多样，并需要减少测量系统对模型运动的影响。现有的测量装置通常装在模型的前端或者模型周围，会明显地影响模型运动，而且一种装置只能测量一种力，需要测量多种力时，需要布置多种测量仪器，更加影响测量的精度。

单自由度测力装置的优点是简易直观，容易实现，但不能提供多种力的同时测量。然而在实际测量中需要对多个自由度的力进行同时测量，此时多个不同的单自由度测力装置叠加在一块会明显地影响测量精度。而且布置在模型前面和周围的多个测力装置也会明显地影响模型的运动，造成结果偏差大。

发明内容

本发明旨在克服上述现有技术的至少一种不足，提供一种三自由度测力装置及方法，用于达到同时测量模型所受的升降力、翻转力矩、牵引力的效果。

本发明采取的技术方案是：

一种三自由度测力装置，包括：

模型，用于测量在水中所受的力；

动力系统，用于为模型运动提供动力；

旋转结构，所述旋转结构呈T型，尾端固定连接配重块，头端旋转连接模型，模型与旋转结构间通过支撑杆相连，支撑杆与旋转结构连接处为翻转中心；

套管，所述套管分别转动连接旋转结构的对称两端，套管与旋转结构连接处为两个旋转支点；

支架，所述支架固定于套管上；

升降力测量模块，用于测量模型所受的升降力，由水平设于支架最高和最低处且末端安装有升降力传感器的升降力横杆及绳索构成，绳索绷直连接升降力传感器和配重块挂点；

翻转力矩测量模块，用于测量模型所受的翻转力矩，由水平设于支撑杆上且与支撑杆相垂直的翻转臂、水平设于支架上半部和下半部且末端安装有翻转力矩传感器的翻转力矩横杆及绳索构成，绳索绷直连接翻转力矩传感器和翻转臂末端挂点；

牵引力测量模块，用于测量模型所受的牵引力，由竖直设置于套管上方且末端安装有牵引力传感器的牵引柱及绳索构成，绳索绷直连接牵引力传感器和动力系统。

本技术方案中，通过与模型连接的升降力测量模块、翻转力矩测量模块以及牵引力测量模块，同时测试模型在水中所受到的升降力、翻转力矩和牵引力，减少了测量结构的复杂性。三自由度测力装置由三个相互独立的测力模块耦合连接而成，升降力测量模块通过支撑杆与模型连接，并通过支撑杆和翻转臂与横向力矩测量模块整合成一体，同时通过旋转结构与套管连接；牵引力测量模块通过支架与套管连接，支架与套管刚性连接固定。由于三种测量模块均安装于模型的后部，能减少对模型运动的影响，同时本方案是集成三个自由度的力的测量系统，测试过程中三个测力系统同时工作，使得模型所受的三个力同时输出，保持了同步性，减少了测量误差，提高了测试精度。

本装置还可根据不同的控制精度、响应速度和稳定性等应用需求，选择不同的嵌入式系统、可编程控制器或传感器，在保证高精度和高响应速度的前提下，增强系统操作灵活性和稳定性，降低维护和保养成本。

本技术方案中，装置由动力系统驱动绳索，从而拉动三自由度测力装置往前运动。动力系统所连的绳索末端连接着牵引力传感器。首先测试在模型空载时测力装置本身所受流体阻力。当动力系统拉动模型匀速运动时，牵引力传感器可测得负载模型时整体所受流体阻力，通过去除模型空载时的流体阻力即可计算出模型实际所受牵引力数值。

即本方案的牵引力测量模块中，使用绳索通过设于牵引柱上的传感器连接动力系统而拖动牵引力传感器，来测试模型运动所受的牵引力。试验装置空载时产生的阻力影响可通过空载模型重复试验测得，再将测试出的牵引力测量数据减去空载装置的影响，即可得模型所受牵引力。

本方案中，升降力测量模块利用杠杆机构将升降力传感器移至模型后部，升降力传感器所受力与模型所受力符合杠杆原理。其中升降力测量模块测量模型的升降力力采用近似处理。模型距离旋转支点较远，当模型尾部的支撑杆及模型为水平时，模型绕旋转支点运动的速度方向为竖直方向，与升降运动的方向一致，因此此时模型受到升降力影响而绕支点的较小旋转位移可近似视为垂直方向的升降运动。此外，在可调整位于旋转结构另一端的配重块的重量，使得旋转支点两端重量大致一致，杠杆处于平衡或近似平衡状态，使得升降力测量系统中初始力较小，从而对传感器测量影响较小。配重块的上下点位通过绳索连接升降力传感器，初始状态时绳索绷直，上下传感器示数一致，当模型开始运动，受到升力作用，从而带动配重块运动，上下升降力传感器示数产生差值，差值经杠杆原理换算处理可测得模型所受力。

本方案的横向力矩测量模块中，支撑杆一侧添加翻转臂，以放大模型横向旋转的姿态，便于试验测量。翻转臂上下用绳索各连一个翻转力矩传感器，初始状态下，绳索绷直，翻转力矩传感器示数一致。模型产生翻转的力后，两个翻转力矩传感器示数产生差值，差值经处理可得模型所受的翻转力矩。翻转力矩传感器测得的数据会受到模型所受升降力的影响，将升降力传感器数据滤去影响值即可。

进一步地，所述支撑杆与模型为刚性连接，连接点位于模型靠近支撑杆一边的中间处。

本方案中，三自由度测力装置通过支撑杆与模型相刚性连接，支架固定测力传感器的位置，同时限制了整个测力装置的自由度，升降力测量模块、牵引力测量模块和横向力矩测量模块同时工作，输出同一时刻模型所受的三种力。在模型后部与测力装置连接的支撑杆能有效降低对模型运动的影响，使试验装置对模型的加工需求也有所降低，尽量保证了模型的完整，提高了试验的模拟程度。

优选地，所述翻转臂设两条，对称设于支撑杆左右两边，所述翻转力矩横杆设四根，其中两根左右对称设于支架上半部，另外两根左右对称设于支架下半部，绳索分别绷直连接位于左侧和右侧的翻转力矩传感器。

本方案中，设置对称的两条翻转臂和四根翻转力矩横杆，通过绳索分别连接左侧的两个翻转力矩传感器和右侧的两个翻转力矩传感器。在本方案的横向力矩测量模块中，支撑杆两侧各添加一条翻转臂，以放大模型横向旋转的姿态，便于试验测量。两条翻转臂上下各用绳索连接翻转力矩传感器，初始状态下，绳索绷直，翻转力矩传感器示数一致。模型产生翻转的力后，四个翻转力矩传感器示数产生差值，差值经处理可得模型所受的翻转力矩。翻转力矩传感器测得的数据会受到模型所受升降力的影响，将升降力传感器数据滤去影响值即可。

进一步优选地，两条所述翻转臂的长度相同。本方案中，模型产生翻转的力后，左上和右下翻转力矩传感器一致，右上和左下翻转力矩传感器一致，对结果能起到自检作用。

进一步优选地，两条所述翻转臂的长度为0.5-0.8米。

优选地，所述支撑杆与所述旋转结构的连接为相对旋转连接。

优选地，还包括两条导槽，所述导槽穿过套管并与套管滑动连接。

进一步优选地，所述导槽为光滑无摩擦的金属棒。

进一步优选地，所述导槽的长度为0.5-1.5米。

一种三自由度测力方法，采用如上所述的一种三自由度测力装置，包括如下步骤：

安装三自由度测力装置，将升降力传感器、翻转力矩传感器和牵引力传感器校零；

将所述三自由度测力装置水平放置于水动力学实验设备中，启动动力系统，开始试验；

模型受到动力系统的牵引作用，通过绳索拉动牵引力传感器，产生牵引力，使牵引力传感器示数产生数值，通过空载模型重复试验测得试验装置产生的空载阻力，再将牵引力传感器测量出的数值数据减去装置的空载阻力值，得到模型所受牵引力；

模型受到水作用，产生向上或向下运动，以两个旋转支点所在直线为对称轴，配重块与模型产生相反方向的运动，配重块通过绳索拉动相应的升降力传感器，使升降力上下传感器示数产生差值，差值经杠杆原理换算处理可测得模型所受升力或降力；

模型受到水作用，产生横向翻转运动，带动支撑杆在翻转中心处旋转，进一步带动翻转臂转动，翻转臂通过绳索拉动翻转力矩传感器，使处于模型同一侧的一对翻转力矩传感器示数产生差值，翻转力矩传感器所测得数据中同时包含了模型所受的升降力矩和翻转力矩，用升降传感器数据通过杠杆原理换算出在翻转力矩产生处的反力矩，再用翻转力矩测量传感器的数据减去反力矩即为翻转力矩。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)本发明能同时测试模型在水中所受到的升降力、翻转力矩和牵引力，减少了测量结构的复杂性；

(2)本发明的三种测量模块均安装于模型的后部，能减少对模型运动的影响；

(3)本发明在测试过程中三个测力系统同时工作，使得模型所受的三个力同时输出，

保持了同步性，减少了测量误差，提高了测试精度；

(4)本发明还可根据不同的控制精度、响应速度和稳定性等应用需求，选择不同的嵌入式系统、可编程控制器或传感器，在保证高精度和高响应速度的前提下，增强系统操作灵活性和稳定性，降低维护和保养成本。

附图说明

图1为本实施例1的三自由度测量装置结构示意图。

图2为本实施例1的模型和支撑杆连接结构示意图。

图3为本实施例1的牵引力测量模块示意图。

图4为本实施例1的升降力测量模块初始状态下的示意图。

图5为本实施例1的升降力测量模块其中一种运动状态下的示意图。

图6为本实施例1的升降力测量模块另一种运动状态下的示意图。

图7为本实施例1的翻转力矩测量模块初始状态下的示意图。

图8为本实施例1的翻转力矩测量模块其中一种运动状态下的示意图。

图9为本实施例1的翻转力矩测量模块另一种运动状态下的示意图。

图中包含：模型10；支撑杆20；翻转中心21；第一翻转臂22；第二翻转臂23；旋转结构30；第一旋转支点31；第二旋转支点32；配重块33；第一套管41；第二套管42；第一牵引柱43；第二牵引柱44；第一牵引力传感器45；第二牵引力传感器46；支架50；第一升降力横杆51；第二升降力横杆52；第一上翻转力矩横杆53；第一下翻转力矩横杆54；第二上翻转力矩横杆55；第二下翻转力矩横杆56；第一升降力传感器61；第二升降力传感器62；第一上翻转力矩传感器63；第一下翻转力矩传感器64；第二上翻转力矩传感器65；第二下翻转力矩传感器66；第一导槽71；第二导槽72。

具体实施方式

本发明附图仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制。为了更好说明以下实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

实施例1

如图1-9所示，为本实施例1的一种三自由度测力装置，包括模型10，用于测量在水中所受的力，还包括动力系统，用于为模型10运动提供动力。

还包括旋转结构30，旋转结构30呈T型，尾端固定连接配重块33，头端旋转连接模型10，模型10与旋转结构30间通过支撑杆20相连，支撑杆20与旋转结构30连接处为翻转中心21；支撑杆20与模型10为刚性连接，连接点位于模型10靠近支撑杆20一边的中间处；支撑杆20与旋转结构30的连接为相对旋转连接。

还包括套管，分别为第一套管41和第二套管42，第一套管41和第二套管42分别转动连接旋转结构30的对称两端，第一套管41和第二套管42与旋转结构30连接处为两个旋转支点，分别为第一旋转支点31和第二旋转支点32。

还包括支架50，支架50固定于套管上。还包括两条导槽，分别为第一导槽71和第二导槽72，第一导槽71穿过第一套管41并与第一套管41滑动连接，第二导槽72穿过第二套管42并与第二套管42滑动连接。第一导槽71和第二导槽72均为长度1.5米、光滑无摩擦的金属棒。

还包括牵引力测量模块，用于测量模型10所受的牵引力，牵引柱设两条，第一牵引柱43竖直设置于第一套管41上方，第二牵引柱44竖直设置于第二套管42上方，第一牵引柱43末端安装有第一牵引力传感器45，第二牵引柱44末端安装有第二牵引力传感器46，通过绳索绷直连接第一牵引力传感器45和动力系统，通过绳索绷直连接第二牵引力传感器46和动力系统。

还包括升降力测量模块，用于测量模型10所受的升降力，包括水平设于支架50上最高处的第一升降力横杆51，最低处的第二升降力横杆52，第一升降力横杆51末端安装有第一升降力传感器61，第二升降力横杆52末端安装有第二升降力传感器62，通过绳索绷直连接第一升降力传感器61和配重块33上挂点，通过绳索绷直连接第二升降力传感器62和配重块33下挂点。

还包括翻转力矩测量模块，用于测量模型10所受的翻转力矩，水平设于支撑杆20上且与支撑杆20相垂直的翻转臂包括两条，分别为第一翻转臂22和第二翻转臂23，第一翻转臂22和第二翻转臂23的长度相同，均为0.5米。水平设于支架50上半部的是第一上翻转力矩横杆53和第二上翻转力矩横杆55，水平设于支架50下半部的是第一下翻转力矩横杆54和第二下翻转力矩横杆56，第一上翻转力矩横杆53和第二上翻转力矩横杆55末端安装有第一上翻转力矩传感器63和第二上翻转力矩传感器65，第一下翻转力矩横杆54和第二下翻转力矩横杆56末端安装有第一下翻转力矩传感器64和第二下翻转力矩传感器66，通过绳索绷直连接第一上翻转力矩传感器63和第一翻转臂22末端上挂点；通过绳索绷直连接第二上翻转力矩传感器65和第二翻转臂23末端上挂点；通过绳索绷直连接第一下翻转力矩传感器64和第一翻转臂22末端下挂点；通过绳索绷直连接第二下翻转力矩传感器66和第二翻转臂23末端下挂点；本实施例1中，模型10产生翻转的力后，第一上翻转力矩传感器63和第二下翻转力矩传感器66数值一致，第二上翻转力矩传感器65和第一下翻转力矩传感器64数值一致，对结果能起到自检作用。

本实施例1中，通过与模型10连接的升降力测量模块、翻转力矩测量模块以及与动力系统连接的牵引力测量模块，同时测试模型10在水中所受到的升降力、翻转力矩和牵引力，减少了测量结构的复杂性。三自由度测力装置由三个相互独立的测力模块耦合连接而成，升降力测量模块通过支撑杆20与模型10连接，并通过支撑杆20和翻转臂与横向力矩测量模块整合成一体，同时通过旋转结构30与套管连接；牵引力测量模块通过支架50与套管连接，支架50与套管刚性连接固定。由于三种测量模块均安装于模型10的后部，能减少对模型10运动的影响，同时本方案是集成三个自由度的力的测量系统，测试过程中三个测力系统同时工作，使得模型10所受的三个力同时输出，保持了同步性，减少了测量误差，提高了测试精度。

本装置还可根据不同的控制精度、响应速度和稳定性等应用需求，选择不同的嵌入式系统、可编程控制器或传感器，在保证高精度和高响应速度的前提下，增强系统操作灵活性和稳定性，降低维护和保养成本。

本实施例1的牵引力测量模块中，使用绳索通过设于第一牵引柱43上的第一牵引力传感器45和通过设于第二牵引柱44上的第二牵引力传感器46分别连接动力系统而拖动第一牵引力传感器45和第二牵引力传感器46，来测试模型运动所受的牵引力。试验装置空载时产生的阻力影响可通过空载模型重复试验测得，再将测试出的牵引力测量数据减去空载装置的影响，即可得模型所受牵引力。

本实施例1中，升降力测量模块利用杠杆机构将升降力传感器移至模型10后部，升降力传感器所受力与模型10所受力符合杠杆原理。其中升降力测量模块测量模型10的升降力力采用近似处理。模型10距离旋转支点较远，当模型10尾部的支撑杆20及模型10为水平时，模型10绕旋转支点运动的速度方向为竖直方向，与升降运动的方向一致，因此此时模型10受到升降力影响而绕支点的较小旋转位移可近似视为垂直方向的升降运动。此外，在可调整位于旋转结构30另一端的配重块33的重量，使得旋转支点两端重量大致一致，杠杆处于平衡或近似平衡状态，使得升降力测量系统中初始力较小，从而对传感器测量影响较小。配重块33的上下点位通过绳索连接升降力传感器，初始状态时绳索绷直，第一升降力传感器61和第二升降力传感器62示数一致，当模型10开始运动，受到升力作用，从而带动配重块33运动，上下升降力传感器示数产生差值，差值经杠杆原理换算处理可测得模型10所受力。

本实施例1的横向力矩测量模块中，设置对称的两条翻转臂和四根翻转力矩横杆，通过绳索分别连接左侧的两个翻转力矩传感器和右侧的两个翻转力矩传感器。在本实施例1的横向力矩测量模块中，支撑杆20两侧各添加一条翻转臂，以放大模型10横向旋转的姿态，便于试验测量。两条翻转臂上下各用绳索连接翻转力矩传感器，初始状态下，绳索绷直，翻转力矩传感器示数一致。模型10产生翻转的力后，四个翻转力矩传感器示数产生差值，差值经处理可得模型10所受的翻转力矩。翻转力矩传感器测得的数据会受到模型10所受升降力的影响，将升降力传感器数据滤去影响值即可。

本实施例1中，三自由度测力装置通过支撑杆20与模型10相刚性连接，支架50固定测力传感器的位置，同时限制了整个测力装置的自由度，升降力测量模块、牵引力测量模块和横向力矩测量模块同时工作，输出同一时刻模型10所受的三种力。在模型10后部与测力装置连接的支撑杆20能有效降低对模型10运动的影响，使试验装置对模型10的加工需求也有所降低，尽量保证了模型10的完整，提高了试验的模拟程度。

实施例2

一种三自由度测力方法，采用实施例1的一种三自由度测力装置，包括如下步骤：

安装三自由度测力装置，将升降力传感器、翻转力矩传感器和牵引力传感器校零；

将所述三自由度测力装置水平放置于水动力学实验设备中，启动动力系统，开始试验；

模型受到动力系统的牵引作用，通过绳索拉动牵引力传感器，产生牵引力，使牵引力传感器示数产生数值，通过空载模型重复试验测得试验装置产生的空载阻力，再将牵引力传感器测量出的数值数据减去装置的空载阻力值，得到模型所受牵引力；

模型受到水作用，产生向上或向下运动，以两个旋转支点所在直线为对称轴，配重块与模型产生相反方向的运动，配重块通过绳索拉动相应的升降力传感器，使升降力上下传感器示数产生差值，差值经杠杆原理换算处理可测得模型所受升力或降力；

模型受到水作用，产生横向翻转运动，带动支撑杆在翻转中心处旋转，进一步带动翻转臂转动，翻转臂通过绳索拉动翻转力矩传感器，使处于模型同一侧的一对翻转力矩传感器示数产生差值，翻转力矩传感器所测得数据中同时包含了模型所受的升降力矩和翻转力矩，用升降传感器数据通过杠杆原理换算出在翻转力矩产生处的反力矩，再用翻转力矩测量传感器的数据减去反力矩即为翻转力矩。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明技术方案所作的举例，而并非是对本发明的具体实施方式的限定。凡在本发明权利要求书的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种三自由度测力装置，其特征在于，包括：

模型，用于测量在水中所受的力；

动力系统，用于为模型运动提供动力；

旋转结构，所述旋转结构呈T型，尾端固定连接配重块，头端旋转连接模型，模型与旋转结构间通过支撑杆相连，支撑杆与旋转结构连接处为翻转中心；

套管，包括两组，所述两组套管分别转动连接旋转结构的对称两端，两组套管与旋转结构连接处为两个旋转支点；

支架，所述支架固定于套管上；

升降力测量模块，用于测量模型所受的升降力，由两组水平设于支架最高和最低处且末端安装有升降力传感器的升降力横杆及绳索构成，绳索绷直连接升降力传感器和配重块挂点；

翻转力矩测量模块，用于测量模型所受的翻转力矩，由两组水平设于支撑杆上且与支撑杆相垂直的翻转臂、四根水平设于支架上半部和下半部且末端安装有翻转力矩传感器的翻转力矩横杆及绳索构成，绳索绷直连接翻转力矩传感器和翻转臂末端挂点；

牵引力测量模块，用于测量模型所受的牵引力，由两组竖直设置于套管上方且末端安装有牵引力传感器的牵引柱及绳索构成，绳索绷直连接牵引力传感器和动力系统。

2.根据权利要求1所述的一种三自由度测力装置，其特征在于，所述支撑杆与模型为刚性连接，连接点位于模型靠近支撑杆一边的中间处。

3.根据权利要求2所述的一种三自由度测力装置，其特征在于，所述翻转臂对称设于支撑杆左右两边，四根所述翻转力矩横杆的其中两根左右对称设于支架上半部，另外两根左右对称设于支架下半部，绳索分别绷直连接位于左侧和右侧的翻转力矩传感器。

4.根据权利要求3所述的一种三自由度测力装置，其特征在于，两条所述翻转臂的长度相同。

5.根据权利要求4所述的一种三自由度测力装置，其特征在于，两条所述翻转臂的长度为0.5-0.8米。

6.根据权利要求1所述的一种三自由度测力装置，其特征在于，所述支撑杆与所述旋转结构的连接为相对旋转连接。

7.根据权利要求1所述的一种三自由度测力装置，其特征在于，还包括两条导槽，所述导槽穿过套管并与套管滑动连接。

8.根据权利要求7所述的一种三自由度测力装置，其特征在于，所述导槽为光滑无摩擦的金属棒。

9.根据权利要求7所述的一种三自由度测力装置，其特征在于，所述导槽的长度为0.5-1.5米。

10.一种三自由度测力方法，其特征在于，采用权利要求1-9任一项所述的一种三自由度测力装置，包括如下步骤：

安装三自由度测力装置，将升降力传感器、翻转力矩传感器和牵引力传感器校零；

将所述三自由度测力装置水平放置于水动力学实验设备中，启动动力系统，开始试验；

模型受到动力系统的牵引作用，通过绳索拉动牵引力传感器，产生牵引力，使牵引力传感器示数产生数值，通过空载模型重复试验测得试验装置产生的空载阻力，再将牵引力传感器测量出的数值数据减去装置的空载阻力值，得到模型所受牵引力；

模型受到水作用，产生向上或向下运动，以两个旋转支点所在直线为对称轴，配重块与模型产生相反方向的运动，配重块通过绳索拉动相应的升降力传感器，使升降力上下传感器示数产生差值，差值经杠杆原理换算处理测得模型所受升力或降力；

模型受到水作用，产生横向翻转运动，带动支撑杆在翻转中心处旋转，进一步带动翻转臂转动，翻转臂通过绳索拉动翻转力矩传感器，使处于模型同一侧的一对翻转力矩传感器示数产生差值，翻转力矩传感器所测得数据中同时包含了模型所受的升降力矩和翻转力矩，用升降传感器数据通过杠杆原理换算出在翻转力矩产生处的反力矩，再用翻转力矩测量传感器的数据减去反力矩即为翻转力矩。

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