CN112284656B - 一种零长弹簧刚度和漂移量一体化批量检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种零长弹簧刚度和漂移量一体化批量检测系统及方法，所述零长弹簧刚度和漂移量一体化批量检测系统包括多个被测零长弹簧、弹簧悬挂横架、多个配重质量块、多个位移传感器及检测电路，所述测零长弹簧、配重质量块、位移传感器及检测电路的数量相等，所述被测零长弹簧一端悬挂在弹簧悬挂横架，所述配重质量悬挂在块所述被测零长弹簧的另一端上，所述位移传感器用于将被测零长弹簧产生的位移变化转换为电信号，所述检测电路用于将根据所述电信号获取弹簧刚度及漂移量。本发明所述的零长弹簧刚度和漂移量一体化批量检测系统，提高了零长弹簧刚度及漂移量的检测效率；可实现弹簧刚度的快速高精度测量和弹簧漂移的长期监测。

Description

一种零长弹簧刚度和漂移量一体化批量检测系统及方法

技术领域

本发明涉及弹簧性能检测技术领域，尤其涉及一种零长弹簧刚度和漂移量一体化批量检测系统及方法。

背景技术

重力测量在大地测量、资源勘探以及军事等领域有着重要的作用，零长弹簧是感受重力变化的敏感元件，被广泛应用于各种精密仪器之中，它的性能和仪器的主要性质—稳定性和漂移率息息相关；它具有以下特点：相对尺寸小，灵敏度高，作为动态测量敏感元件具有克服横向扰动的能力，蠕变、松弛量小，能满足高精度传感器的零漂要求。

由于其性能直接影响仪器的精度，所以，零长弹簧必须针对特别要求制订特别工艺来保证，其高精度的性能指标，同时对于其检测手段的可靠性和准确性也有着很高的要求；弹簧刚度是载荷增量dF与变形增量dλ之比，即产生单位变形所需的载荷，直线型的弹簧，刚度则不随载荷变化而变化，即F'＝dF/dλ＝F/λ＝常数；因此，对于具有直线型特性线的弹簧，其刚度也成为弹簧常数。

目前国内对零长弹簧的检测还处于比较初步的阶段，现有方案步骤复杂，效率低下，过度依赖测试人员经验熟练度；接触试测量方案除了上述问题，还带入接触误差；此外，对于弹簧漂移量的检测是个长期监测过程，一次一根的效率极其低下。

发明内容

有鉴于此，有必要提供一种零长弹簧刚度和漂移量一体化批量检测系统及方法，用以解决现有技术中零长弹簧刚度及漂移量检测效率低下的问题。

本发明提供一种零长弹簧刚度和漂移量一体化批量检测系统，其特征在于，包括多个被测零长弹簧、弹簧悬挂横架、多个配重质量块、多个位移传感器及检测电路，所述测零长弹簧、配重质量块、位移传感器及检测电路的数量相等，所述被测零长弹簧一端悬挂在弹簧悬挂横架，所述配重质量悬挂在块所述被测零长弹簧的另一端上，所述位移传感器用于将配重质量块悬挂在所述被测零长弹簧的另一端时产生的位移变化转换为电信号，所述检测电路用于将根据所述电信号获取弹簧刚度及漂移量。

进一步地，所述零长弹簧刚度和漂移量一体化批量检测系统还包括保温层、箱体及箱体外壳，所述保温层设置于箱体外壳外表面，所述多个被测零长弹簧、弹簧悬挂横架、多个配重质量块、多个位移传感器及检测电路均位于箱体内部。

进一步地，所述零长弹簧刚度和漂移量一体化批量检测系统，还包括悬挂点微调机构及水平调节基座，所述悬挂点微调机构用于调整所述被测零长弹簧的悬挂位置，所述水平调节基座设置于所述箱体的底部，用于使整个箱体水平。

进一步地，所述零长弹簧刚度和漂移量一体化批量检测系统，还包括弹簧悬挂横架支撑柱及温度传感器，所述弹簧悬挂横架支撑柱位于箱体中间位置，用于支撑弹簧悬挂横架，所述温度传感器用于实时测量箱体内部的温度；其用于修正测量中温度对弹簧带来的刚度和长度方面的影响。

进一步地，所述零长弹簧刚度和漂移量一体化批量检测系统，还包括微晶玻璃柱，所述微晶玻璃柱的初始长度与配重质量块悬挂在所述被测零长弹簧后被测零长弹簧的初始长度一致，微晶玻璃柱温度系数数量级小于被测零长弹簧温度系数数量级。

进一步地，所述零长弹簧刚度和漂移量一体化批量检测系统，还包括悬吊杆、固定螺母及移传感器固定横架，所述固定螺母将所述悬吊杆固定在弹簧悬挂横架，所述使多个被测零长弹簧保持平衡，所述位移传感器固定横架用于固定所述被测零长弹簧。

进一步地，所述位移传感器包括初级线圈、两个次级线圈、铁芯、线圈骨架；所述初级线圈、次级线圈分布在线圈骨架上，所述铁芯可在线圈内部自由移动，初始状态时，所述铁芯处于两个次级线圈的中间位置，两个次级线圈产生的感应电动势相等，配重质量块悬挂在所述被测零长弹簧的另一端时产生了位移变化时，使铁芯在线圈内部移动并偏离中间位置，两个次级线圈生的感应电动势不等，所述检测电路根据感应电动势不等的电信号，获取弹簧刚度及漂移量。

进一步地，所述检测电路包括相敏检波及前置放大电路、信号处理及整形电路，所述相敏检波及前置放大电路用于将所述电信号进行相敏检波及前置放大处理，对处理后的电信号分成两路，一路进行信号调理，通过采样获取漂移量，另一路通过进行整形滤波，获取被测零长弹簧的周期变化，根据所述周期变化获取被测零长弹簧的刚度变化。

进一步地，所述检测电路还包括交流激励电路，所述交流激励电路，用于给所述初级线圈提供交流电。

本发明还提供一种根据上述任一技术方案所述的零长弹簧刚度和漂移量一体化批量检测系统的方法，包括以下步骤：将被测零长弹簧一端悬挂在弹簧悬挂横架，将配重质量悬挂在块所述被测零长弹簧的另一端上，位移传感器将配重质量块悬挂在所述被测零长弹簧的另一端时产生的位移变化转换为电信号，检测电路将根据所述电信号获取弹簧刚度及漂移量。

与现有技术相比，本发明的有益效果包括：通过将被测零长弹簧一端悬挂在弹簧悬挂横架，将配重质量悬挂在块所述被测零长弹簧的另一端上，位移传感器将配重质量块悬挂在所述被测零长弹簧的另一端时产生的位移变化转换为电信号，检测电路将根据所述电信号获取弹簧刚度及漂移量；提高了零长弹簧刚度及漂移量的检测效率。

附图说明

图1为本发明实施例1提供的零长弹簧刚度和漂移量一体化批量检测系统的结构示意图；

图2为本发明实施例1提供的检测电路的结构示意图。

附图标记：1-保温层；2-箱体外壳；3-弹簧悬挂横架；4-悬挂点微调机构；5套筒；6-弹簧悬挂横架支撑柱；7-微晶玻璃柱；8-温度传感器；9-温度传感器信号线；10-固定螺母；11-悬吊杆；12-被测零长弹簧；13-位移传感器；14-铁芯；15-位移传感器固定横架；16-配重质量块；17-水平调节基座；18-信号采集信号线；19-信号采集系统；20-交流激励电源；21-电源线；22-多路开关；23-数据采集计算机；24-初级线圈；25-次级线圈。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

实施例1

本发明实施例提供了一种零长弹簧刚度和漂移量一体化批量检测系统，包括多个被测零长弹簧、弹簧悬挂横架、多个配重质量块、多个位移传感器及检测电路，所述测零长弹簧、配重质量块、位移传感器及检测电路的数量相等，所述被测零长弹簧一端悬挂在弹簧悬挂横架，所述配重质量悬挂在块所述被测零长弹簧的另一端上，所述位移传感器用于将配重质量块悬挂在所述被测零长弹簧的另一端时产生的位移变化转换为电信号，所述检测电路用于将根据所述电信号获取弹簧刚度及漂移量。

一个具体实施例中，所述零长弹簧刚度和漂移量一体化批量检测系统的结构示意图，如图1所示，通过箱体外壳2将检测环境与外界环境进行物理隔离，箱体外壳2带有一层保温层1使检测环境内部相对稳定，不易受外界环境干扰；

优选的，所述零长弹簧刚度和漂移量一体化批量检测系统，还包括保温层、箱体及箱体外壳，所述保温层设置于箱体外壳外表面，所述多个被测零长弹簧、弹簧悬挂横架、多个配重质量块、多个位移传感器及检测电路均位于箱体内部；

优选的，所述零长弹簧刚度和漂移量一体化批量检测系统，还包括悬挂点微调机构及水平调节基座，所述悬挂点微调机构用于调整所述被测零长弹簧的悬挂位置，所述水平调节基座设置于所述箱体的底部，用于使整个箱体水平；

优选的，所述零长弹簧刚度和漂移量一体化批量检测系统，还包括弹簧悬挂横架支撑柱，所述弹簧悬挂横架支撑柱位于箱体中间位置，用于支撑弹簧悬挂横架；

一个具体实施例中，被测零长弹簧12、位移传感器固定横架15，分别通过悬挂点微调机构4、固定螺母10、悬吊杆11悬挂在弹簧悬挂横架3上，位移传感器13固定在位移传感器固定横架15上，要保证被测零长弹簧12上悬挂的铁芯14和配重质量块16位于位移传感器13正中心；检测仪器内部有三个均匀分布的温度传感器8，可实时测量检测环境内部温度；

优选的，所述零长弹簧刚度和漂移量一体化批量检测系统，还包括微晶玻璃柱，所述微晶玻璃柱的初始长度与配重质量块悬挂在所述被测零长弹簧后被测零长弹簧的初始长度一致，微晶玻璃柱温度系数数量级小于被测零长弹簧温度系数数量级，作为弹簧温度改正参考基准之一。

一个具体实施例中，由于微晶玻璃温度系数很小，基本小于弹簧温度系数的十分之一，可以利用这个特性来消除温度对测量系统的影响，即在对比观测中，可将微晶玻璃柱定为参照点，在观测数据处理过程中扣除掉温度对弹簧测量数据的影响；

优选的，所述零长弹簧刚度和漂移量一体化批量检测系统，还包括悬吊杆、固定螺母及移传感器固定横架，所述固定螺母将所述悬吊杆固定在弹簧悬挂横架，所述使多个被测零长弹簧保持平衡，所述位移传感器固定横架用于固定所述被测零长弹簧；

一个具体实施例中，差分电感传感器由一个初级线圈，两个次级线圈，铁芯，线圈骨架，外壳等部件组成；初级线圈、次级线圈分布在线圈骨架上，线圈内部有一个可自由移动的杆状铁芯。当铁芯处于中间位置时，两个次级线圈产生的感应电动势相等，这样输出电压为零，当铁芯在线圈内部移动并偏离中间位置时，两个线圈产生的感应电动势不等，有电压输出，其电压大小取决于位移量的大小；

为了提高传感器的灵敏度，改善传感器的线性度，增大传感器的线性范围，可将两个线圈反串相接，两个次级线圈的电压极性相反，传感器的输出电压是两个次级线圈的电压之差，这个输出的电压值与铁芯的位移量成线性关系；

优选的，所述位移传感器包括初级线圈、两个次级线圈、铁芯、线圈骨架；所述初级线圈、次级线圈分布在线圈骨架上，所述铁芯可在线圈内部自由移动，初始状态时，所述铁芯处于两个次级线圈的中间位置，两个次级线圈产生的感应电动势相等，配重质量块悬挂在所述被测零长弹簧的另一端时产生了位移变化时，使铁芯在线圈内部移动并偏离中间位置，两个次级线圈生的感应电动势不等，所述检测电路根据感应电动势不等的电信号，获取弹簧刚度及漂移量；

需要说明的是，弹簧的位移变化引起了传感器的电压值变化，所得的电信号就是有用信号；对此电信号进行相敏检波，放大处理，分成两路，一路进行信号调理，利用低采样率记录漂移量，直接采样长度变化；一路进行整形滤波，利用较高的采样率记录弹簧自由震荡周期，通过周期计算刚度

优选的，所述检测电路包括相敏检波及前置放大电路、信号处理及整形电路，所述相敏检波及前置放大电路用于将所述电信号进行相敏检波及前置放大处理，对处理后的电信号分成两路，一路进行信号调理，通过采样获取漂移量，另一路通过进行整形滤波，获取被测零长弹簧的周期变化，根据所述周期变化获取被测零长弹簧的刚度变化；

优选的，所述检测电路还包括交流激励电路，所述交流激励电路，用于给所述初级线圈提供交流电；

一个具体实施例中，检测电路的结构示意图，如图2所示，接通交流激励电源20，弹簧的位移变化引起了位移传感器的电压值变化，得到电信号；将电信号采集，进行相敏检波，放大处理，分成两路；一路进行信号调理，一路进行整形滤波，传输至数据采集计算机23后，一路获取漂移量，直接采样长度变化；记录周期曲线，获取刚度变化；

根据公式

其中，T为测得周期(精度优于1ms)，m为质量(质量测量精度0.5mg)，K为弹簧刚度；对上述公式微分，可得

或者

测量得到周期变化即可以计算出刚度变化。

实施例2

本发明实施例提供了一种根据实施例1所述的零长弹簧刚度和漂移量一体化批量检测系统的方法，包括以下步骤：将被测零长弹簧一端悬挂在弹簧悬挂横架，将配重质量悬挂在块所述被测零长弹簧的另一端上，位移传感器将配重质量块悬挂在所述被测零长弹簧的另一端时产生的位移变化转换为电信号，检测电路将根据所述电信号获取弹簧刚度及漂移量。

本发明提供了一种零长弹簧刚度和漂移量一体化批量检测系统及方法，通过将被测零长弹簧一端悬挂在弹簧悬挂横架，将配重质量悬挂在块所述被测零长弹簧的另一端上，位移传感器将配重质量块悬挂在所述被测零长弹簧的另一端时产生的位移变化转换为电信号，检测电路将根据所述电信号获取弹簧刚度及漂移量；提高了零长弹簧刚度及漂移量的检测效率；

本发明所述技术方案可以对多通道的零长弹簧径向刚度和漂移量一体化批量检测，可同时批量测量多组弹簧的装置，大大提高效率，实现弹簧刚度的快速高精度测量和弹簧漂移的长期监测；

利用位移传感器及检测电路，使得弹簧刚度及漂移量检测的分辨率高，精度高，效率有保障，位移传感器对水平方向不敏感，只敏感垂直方向，安装简便；可批量检测，可测量弹簧的数量易于扩展和裁剪；设有微晶玻璃柱用来进行对比观测，可剔除掉其他因素的影响，使测量值更加准确；被测量的零长弹簧和用来测量的位移传感器都是悬挂在同一悬挂架上，只受上端影响，不受下端影响，受影响程度基本一致，可令测量数据更加准确。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种零长弹簧刚度和漂移量一体化批量检测系统，其特征在于， 包括多个被测零长弹簧、弹簧悬挂横架、多个配重质量块、多个位移传感器及检测电路，所述被测零长弹簧、配重质量块、位移传感器及检测电路的数量相等，弹簧的数量能够根据需要增减，所述被测零长弹簧一端悬挂在弹簧悬挂横架，所述配重质量块悬挂在所述被测零长弹簧的另一端上，所述位移传感器用于将配重质量块悬挂在所述被测零长弹簧的另一端时产生的位移变化转换为电信号，所述检测电路用于将根据所述电信号获取弹簧刚度及漂移量，还包括微晶玻璃柱，所述微晶玻璃柱的长度与配重质量块悬挂在所述被测零长弹簧后被测零长弹簧挂载配重后的长度一致，微晶玻璃柱温度系数数量级小于被测零长弹簧温度系数数量级，所述位移传感器包括初级线圈、两个次级线圈、铁芯、线圈骨架；所述初级线圈、次级线圈分布在线圈骨架上，所述铁芯可在线圈内部自由移动，初始状态时，所述铁芯处于两个次级线圈的中间位置，两个次级线圈产生的感应电动势相等，配重质量块悬挂在所述被测零长弹簧的另一端时产生了位移变化时，使铁芯在线圈内部移动并偏离中间位置，两个次级线圈生的感应电动势不等，所述检测电路根据感应电动势不等的电信号，获取弹簧刚度及漂移量，所述检测电路包括相敏检波及前置放大电路、信号处理及整形电路，所述相敏检波及前置放大电路用于将所述电信号进行相敏检波及前置放大处理，对处理后的电信号分成两路，一路进行信号调理，通过采样获取漂移量，另一路通过进行整形滤波，获取被测零长弹簧的周期变化，根据所述周期变化获取被测零长弹簧的刚度变化。

2.根据权利要求 1 所述的零长弹簧刚度和漂移量一体化批量检测系统，其特征在于，还包括保温层、箱体及箱体外壳，所述保温层设置于箱体外壳外表面，所述多个被测零长弹簧、弹簧悬挂横架、多个配重质量块、多个位移传感器及检测电路均位于箱体内部。

3.根据权利要求 2所述的零长弹簧刚度和漂移量一体化批量检测系统，其特征在于，还包括悬挂点微调机构及水平调节基座，所述悬挂点微调机构用于调整所述被测零长弹簧的悬挂位置，所述水平调节基座设置于所述箱体的底部，用于使整个箱体水平。

4.根据权利要求 2 所述的零长弹簧刚度和漂移量一体化批量检测系统，其特征在于，还包括弹簧悬挂横架支撑柱及温度传感器，所述弹簧悬挂横架支撑柱位于箱体中间位置，用于支撑弹簧悬挂横架，所述温度传感器用于实时测量箱体内部的温度。

5.根据权利要求 1 所述的零长弹簧刚度和漂移量一体化批量检测系统，其特征在于，还包括悬吊杆、固定螺母及移传感器固定横架，所述固定螺母将所述悬吊杆固定在弹簧悬挂横架，使多个被测零长弹簧保持平衡，所述位移传感器固定横架用于固定所述被测零长弹簧。

6.根据权利要求5所述的零长弹簧刚度和漂移量一体化批量检测系统，其特征在于，所述检测电路还包括交流激励电路，所述交流激励电路，用于给所述初级线圈提供交流电。

7.一种根据权利要求 1-6 任一所述的零长弹簧刚度和漂移量一体化批量检测系统的方法，其特征在于，包括以下步骤：将被测零长弹簧一端悬挂在弹簧悬挂横架，将配重质量块悬挂在块所述被测零长弹簧的另一端上，位移传感器将配重质量块悬挂在所述被测零长弹簧的另一端时产生的位移变化转换为电信号，检测电路将根据所述电信号获取弹簧刚度及漂移量。

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