CN112326113A - 一种测力天平标定系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明的实施例公开了一种测力天平标定系统和方法，测力天平标定系统包括加载模块、承载模块和处理模块，其中加载模块通过加载标准质量器件，产生与标准质量器件的质量相应的标准载荷；承载模块承载测量模块和加载模块，测量模块能够测量标准载荷，输出与标准载荷相应的测量信号；处理模块获取标准载荷和测量信号，根据标准载荷和测量信号之间的对应关系确定测量模块的灵敏度系数。通过多次使用标准质量器件产生的标准荷载来触发测量模块产生测量信号，计算得到灵敏度系数，能够评价测量模块的性能和品质，灵敏度系数可以为校准测量模块提供方向参考，从而改善测量模块的测力能力。本发明的实施例广泛应用于测力试验技术领域。

Description

一种测力天平标定系统和方法

技术领域

本发明涉及测力试验技术领域，尤其是一种测力天平标定系统和方法。

背景技术

风洞或水洞模型试验可为新型飞行器、汽车、高铁、舰船等的研制提供关键试验参数与设计依据；特别是对复杂流动问题的研究，模型气动力和水下阻力的试验测量是终端模拟不能替代的，是决定相关研究成败的重要工具手段。

目前，风洞或水洞试验中常采用机械天平、应变天平等开展测力试验。传统的机械天平体积大、易受湿度等环境因素的影响，且造价相对高昂。对于有强电磁辐射的测量环境或试验工况，应变天平可能存在电磁干扰而导致精确测量的困难。如果在试验中电磁辐射未充分得到保护而泄露，则可能造成测量信号受到电磁干扰，甚至导致应变天平测量失效。另外，微型飞行器、微型水下潜航器的研究对微小气动力、水动力的高精度测量提出了更高要求，天平需要具备几毫牛、数百微牛乃至更优的测力能力。而现有的机械、应变天平的测量精度无法完全满足高精度测力的要求。

名词解释：

标定：通过实验建立起测力系统的输入量和输出量之间的对应关系，并确定出不同使用条件下的系统误差。

发明内容

针对上述至少一个技术问题，本发明的实施例的目的在于提供一种测力天平标定系统和方法。

一方面，本发明的实施例包括一种测力天平标定系统，包括：

加载模块，用于通过加载标准质量器件，产生与所述标准质量器件的质量相应的标准载荷；

承载模块，用于承载测量模块和所述加载模块，所述测量模块能够测量所述标准载荷，输出与所述标准载荷相应的测量信号；

处理模块，用于获取所述标准载荷和所述测量信号，根据所述标准载荷和所述测量信号之间的对应关系确定所述测量模块的灵敏度系数。

进一步地，根据所述标准载荷和所述测量信号之间的对应关系确定所述测量模块的灵敏度系数，包括：

获取多个所述标准载荷X_i；其中i为标号，i＝1，2，...，n；

获取多个所述测量信号T_i；其中具有相同标号的所述测量信号和所述标准载荷具有对应关系；

通过公式

确定所述灵敏度系数K。

进一步地，所述处理模块还用于根据所述标准载荷和所述测量信号确定所述灵敏度系数的误差。

进一步地，所述根据所述标准载荷和所述测量信号确定所述灵敏度系数的误差，包括：

通过公式

确定所述灵敏度系数的误差

进一步地，所述承载模块包括底座和竖直布置的支架，所述底座的上端和所述支架的下端固定连接，所述支架的上端用于固定所述测量模块；所述底座上设置有多个用于保持所述底座水平的调平装置；所述调平装置包括手轮和地脚，所述手轮设置在所述底座的上端，所述地脚设置在所述底座的下端，所述地脚的安装轴的一端穿过所述底座与所述手轮连接；所述底座的上端还设置有多个用于检测所述底座的水平度的水平仪。

进一步地，所述测量模块包括连接板和检测器，所述连接板与所述检测器的输入端连接，所述检测器的输出端作为所述测量模块的输出端，所述输入端设置在所述连接板远离所述检测器的一端作为所述测量模块的输入端；所述检测器远离所述连接板的一端连接有转接杆，所述支架的上端设置有用于固定所述转接杆的固定装置。

进一步地，所述固定装置包括固定座和压盖，所述固定座的下端与所述支架的上端固定连接，所述固定座的上端与所述压盖固定连接；所述固定座的上端开设有固定槽，所述压盖朝向所述固定槽的一侧开设有压槽，所述转接杆远离所述检测器的一端设置有插接部，所述插接部插入所述固定槽和所述压槽围城的腔体内实现固定。

进一步地，所述加载模块包括用于连接杆和用于盛放标准砝码的加载盘，所述加载盘的盘杆连接所述测量模块的输入端；所述连接杆的一端通过销轴与所述加载盘的盘杆的上端连接，所述连接杆的另一端通过钩环与所述输入端连接。

进一步地，所述处理模块包括AD采集器和终端，所述AD采集器的输入端连接所述测量模块的输出端，所述AD采集器的输出端连接所述终端。

一方面，本发明的实施例还包括一种测力天平标定方法，使用实施例中的测力天平标定系统执行以下步骤：

向所述加载模块逐次加载所述标准质量器件，从而使加载模块每次加载标准质量器件产生所述标准载荷，所述测量模块测量所述标准载荷输出所述测量信号，所述处理模块记录各次记录的所述标准载荷和所述测量信号之间的对应关系，根据所述标准载荷和所述测量信号之间的对应关系确定所述测量模块的灵敏度系数；

获取所述处理模块输出的所述灵敏度系数。

本发明的实施例的有益效果是：本实施例中测力天平标定系统，通过多次使用标准质量器件产生的标准荷载来触发测量模块产生测量信号，并通过记录测量信号和标准荷载来计算得到灵敏度系数，能够评价测量模块的性能和品质，灵敏度系数可以为校准测量模块提供方向参考，从而改善测量模块的测力能力。

附图说明

图1为本发明实施例的垂直测力天平标定系统的结构示意图；

图2为本发明实施例的垂直测力天平标定系统的右视图；

图3为本发明实施例的连接板的一个角度的结构示意图；

图4为本发明实施例的连接板的另一个角度的结构示意图；

图5为本发明实施例的检测器的结构示意图；

图6为本发明实施例的转接杆的一个角度的结构示意图；

图7为本发明实施例的固定座的结构示意图；

图8为本发明实施例的压盖的结构示意图。

具体实施方式

本实施例中，测力天平标定系统的结构如图1所示。参照图1，测力天平标定系统包括支撑模块100、加载模块300和处理模块400。当需要对测量模块200进行标定，从而确定测量模块200的灵敏度系数，参照图1，将测量模块200设置在支撑模块100的上端，测量模块200包括输入端2011和输出端，输入端2011用于接收输入信号，输出端用于输出输入信号相对应的输出信号；加载模块300与输入端2011连接，用于调整输入信号的大小；处理模块400与输出端连接，用于采集输出信号，并对输入信号和输出信号的关系进行标定。本实施例中，输入信号指的是在输入端2011施加的标准载荷。本实施例中，标准荷载是由标准质量器件引起的，其中标准质量器件可以是砝码，因此本实施例中的标准载荷即是加载模块300中标准砝码的重量值，输出信号指的是标准载荷对应的电压值。本发明的实施例通过处理模块400将标准载荷和相对应的电压值进行比较，以获得测量模块200的标定曲线，进而确定测量模块200的灵敏度系数。上述标定系统结构简单，且能有效的满足高精度的测力需求。

如图1和图2所示，在本发明的实施例的一些具体实施例中，支撑模块100包括底座101和竖直布置的支架102，底座101的上端和支架102的下端通过焊接或螺钉连接的方式固定连接，支架102的两侧均设置有与底座101连接的加强筋，测量模块200设置在支架102的上端。

如图1和图2所示，在本发明的实施例的一些具体实施例中，底座101上设置有多个用于保持底座101水平的调平装置500。在本实施例中，调平装置500设置为四个，均布设置在底座101的四个角落处，实际应用时，调平装置500的数量可根据实际需要进行调整，避免底座101发生倾斜即可。

进一步地，调平装置500包括手轮501和地脚502，手轮501设置在底座101的上端，地脚502设置在底座101的下端，地脚502的安装轴的一端穿过底座101与手轮501连接。转动手轮501，地脚502转动，以使底座101沿地脚502的安装轴微动，以调整底座101的水平度。

进一步地，底座101的上端还设置有多个用于检测底座101的水平度的水平仪700。在本实施例中，水平仪700设置为四个，底座101的每个边上均设置有水平仪700，且相对的两个边上的水平仪700的位置相同，通过连线或其它方式连接相对的两个边上的水平仪700，检测连线的水平度即可检测底座101的水平度。

如图1和图2所示，在本发明的实施例的一些具体实施例中，测量模块200包括连接板201和检测器202，连接板201与检测器202的输入端连接，输入端2011设置在连接板201远离检测器202的一端，输出端连接检测器202的输出端，输入端2011输入的标准载荷经检测器202转换成电压值输出。通过处理模块400将标准载荷和相对应的电压值进行比较，以获得测量模块200的标定曲线，进而确定测量模块200的灵敏度系数，也即是确定检测器202的灵敏度系数。在本实施例中，如图3所示，连接板201上设置有三个输入端2011，分别对应于标定检测器202的切向力(X)、法向力(Y)和扭矩(M)。在本实施例中，检测器202是测力传感器，其作用是将载荷值这一非电量信号转变为电压或电流信号，主要有电阻应变片式、电感式、电容式和压电式等。在本实施例中，检测器202优选电阻应变片式测力传感器，该测力传感器包括弹性敏感元件和电阻应变片，其工作原理是在外力作用下，弹性敏感元件会产生弹性变形，粘贴在弹性敏感元件上的电阻应变片也随之产生弹性变形，这种变形会转换成电阻的变化，通过电桥将电阻的变化转换成电压的变化，经放大后从测力传感器的输出端输出。

进一步的，如图4所示，连接板201与检测器202连接的一侧设置有环形垫板2012，检测器202的输入端的外径与环形垫板2012的内径匹配，检测器202的输入端插入环形垫板2012，并通过螺钉与连接板201固定连接。

如图1和图2所示，在本发明的实施例的一些具体实施例中，检测器202远离连接板201的一端连接有转接杆203，支架102的上端设置有用于固定转接杆203的固定装置600，也即是从另一端固定检测器202。参照图8，固定装置包括固定座601和压盖602，固定座601的下端与支架102的上端通过螺钉固定连接，固定座601的上端与压盖602通过螺钉固定连接；转接杆203远离检测器202的一端插入固定座601和压盖602之间，固定座601和压盖602分别从转接杆203的上下两侧配合挤压固定转接杆203。

进一步地，如图5和图6所示，检测器202远离连接板201的一端设置有凸起部2021，转接杆203上设置有与凸起部2021匹配的凹陷部2032，检测器202通过凸起部2021插入凹陷部2032中，并通过螺钉与连接杆203固定连接。

进一步地，如图6所示，转接杆203远离检测器202的一端设置有插接部2031，如图7所示，固定座601的上端开设有固定槽6011，压盖602朝向固定槽6011的一侧开设有压槽6021，插接部2031插入固定槽6011和压槽6021围城的腔体内实现固定。

如图1和图2所示，在本发明的实施例的一些具体实施例中，加载模块300包括用于盛放标准砝码的加载盘301，加载盘301的盘杆连接输入端2011，标准砝码沿加载盘301的盘杆进入加载盘301的中部。

进一步地，加载模块300还包括连接杆302，连接杆302的一端通过销轴与加载盘301的盘杆的上端连接，连接杆302的另一端通过钩环303与输入端2011连接。此处设置连接杆302的作用是加长加载盘301的盘杆，以便于添加更多的标准砝码，使该标定系统获得更多的输入信号和输出信号，以获得更加准确的标定曲线。

进一步地，钩环303设置为开口形式，钩环303的开口处的两侧均设置有连接片，连接杆302的另一端插入两个连接片之间，并通过销轴与两个连接片连接。

如图1-8所示的测力天平标定系统，其结构易拆卸、易维护，能够降低保养成本。

如图1和图2所示，在本发明的实施例的一些具体实施例中，处理模块400包括AD采集器401和终端402，AD采集器的401输入端连接输出端，AD采集器401的输出端连接终端402。在本发明的实施例中，终端402可以是计算机、记录仪或示波器等，在本实施例中，终端402优选计算机。

本实施例中，测力天平标定系统的使用方法包括以下步骤：

将加载模块安装在承载模块上；

向加载模块逐次添加标准质量器件即标准砝码；本实施例中，每个标准砝码的质量均为m；每次添加标准砝码后，已添加到加载模块上的加载模块将产生与其总质量相应的标准载荷X_i，其中i为次数序号，i＝1，2，...，n；标准载荷X_i由测量模块接收测量，测量模块输出与标准载荷X_i相应的测量信号T_i；

处理模块获取标准载荷X_i和测量信号T_i，通过运行算法，利用公式

确定灵敏度系数K，本实施例中，X_i的的单位可以是牛顿，T_i的单位可以是毫伏；在使用公式

时，可以进行零点修正，使得当X_i＝0时T_i＝0。

处理模块还可以将灵敏度系数K通过内设或者外接的无线通信模块发送至手机APP、打印机或者显示器等设备，从而将灵敏度系数K显示出来。

本实施例中，处理模块还通过运行算法，利用公式

确定灵敏度系数K的误差

本实施例中的标定系统，可以标定检测器202的切向力(X)、法向力(Y)和扭矩(M)。当对检测器202的切向力(X)进行标定时，需将检测器202的X方向垂直向下安装在支撑模块100上，并按上述步骤进行标定实验。当对检测器202的法向力(Y)进行标定时，需将检测器202顺时针或逆时针旋转90°，使其Y方向垂直向下安装在支撑模块100上，并根据上述步骤进行标定实验。当对检测器202的扭矩(M)进行标定时，可采用上述测量模块200的安装方式，将连接板201固定在检测器202上，并保持连接板201水平，连接板201的左右两端均连接有加载盘301，将标准砝码(名义满量程)挂在连接板201的左(或右)端的加载盘301中，依次将标准砝码移至右(或左)端的加载盘301中，每移动一只标准砝码，待其稳定后记录下加载盘301中标准砝码的重量和对应的终端402中显示的电压值，并记录下力臂值。

采用上述标定方法通过多次对输入信号和输出信号的比对校准，能够有效的满足高精度的测力需求。

本实施例中，处理模块还可以根据灵敏度系数K及其误差

确定测量模块的质量级别。本实施例中，可以将测量模块的质量级别设定为关于灵敏度系数K的增函数关于误差

的减函数。

需要说明的是，如无特殊说明，当某一特征被称为“固定”、“连接”在另一个特征，它可以直接固定、连接在另一个特征上，也可以间接地固定、连接在另一个特征上。此外，本公开中所使用的上、下、左、右等描述仅仅是相对于附图中本公开各组成部分的相互位置关系来说的。在本公开中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。此外，除非另有定义，本实施例所使用的所有的技术和科学术语与本技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本实施例说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例，而不是为了限制本发明的实施例。本实施例所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的组合。

应当理解，尽管在本公开可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种元件，但这些元件不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的元件彼此区分开。例如，在不脱离本公开范围的情况下，第一元件也可以被称为第二元件，类似地，第二元件也可以被称为第一元件。本实施例所提供的任何以及所有实例或示例性语言(“例如”、“如”等)的使用仅意图更好地说明本发明的实施例，并且除非另外要求，否则不会对本发明的实施例的范围施加限制。

应当认识到，本发明的实施例可以由计算机硬件、硬件和软件的组合、或者通过存储在非暂时性计算机可读存储器中的计算机指令来实现或实施。所述方法可以使用标准编程技术-包括配置有计算机程序的非暂时性计算机可读存储介质在计算机程序中实现，其中如此配置的存储介质使得计算机以特定和预定义的方式操作——根据在具体实施例中描述的方法和附图。每个程序可以以高级过程或面向对象的编程语言来实现以与计算机系统通信。然而，若需要，该程序可以以汇编或机器语言实现。在任何情况下，该语言可以是编译或解释的语言。此外，为此目的该程序能够在编程的专用集成电路上运行。

此外，可按任何合适的顺序来执行本实施例描述的过程的操作，除非本实施例另外指示或以其他方式明显地与上下文矛盾。本实施例描述的过程(或变型和/或其组合)可在配置有可执行指令的一个或多个计算机系统的控制下执行，并且可作为共同地在一个或多个处理器上执行的代码(例如，可执行指令、一个或多个计算机程序或一个或多个应用)、由硬件或其组合来实现。所述计算机程序包括可由一个或多个处理器执行的多个指令。

进一步，所述方法可以在可操作地连接至合适的任何类型的计算平台中实现，包括但不限于个人电脑、迷你计算机、主框架、工作站、网络或分布式计算环境、单独的或集成的计算机平台、或者与带电粒子工具或其它成像装置通信等等。本发明的实施例的各方面可以以存储在非暂时性存储介质或设备上的机器可读代码来实现，无论是可移动的还是集成至计算平台，如硬盘、光学读取和/或写入存储介质、RAM、ROM等，使得其可由可编程计算机读取，当存储介质或设备由计算机读取时可用于配置和操作计算机以执行在此所描述的过程。此外，机器可读代码，或其部分可以通过有线或无线网络传输。当此类媒体包括结合微处理器或其他数据处理器实现上文所述步骤的指令或程序时，本实施例所述的发明包括这些和其他不同类型的非暂时性计算机可读存储介质。当根据本发明的实施例所述的方法和技术编程时，本发明的实施例还包括计算机本身。

计算机程序能够应用于输入数据以执行本实施例所述的功能，从而转换输入数据以生成存储至非易失性存储器的输出数据。输出信息还可以应用于一个或多个输出设备如显示器。在本发明的实施例优选的实施例中，转换的数据表示物理和有形的对象，包括显示器上产生的物理和有形对象的特定视觉描绘。

以上所述，只是本发明的实施例的较佳实施例而已，本发明的实施例并不局限于上述实施方式，只要其以相同的手段达到本发明的实施例的技术效果，凡在本发明的实施例的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的实施例保护的范围之内。在本发明的实施例的保护范围内其技术方案和/或实施方式可以有各种不同的修改和变化。

Claims (10)

1.一种测力天平标定系统，其特征在于，包括：

加载模块，用于通过加载标准质量器件，产生与所述标准质量器件的质量相应的标准载荷；

承载模块，用于承载测量模块和所述加载模块，所述测量模块能够测量所述标准载荷，输出与所述标准载荷相应的测量信号；

处理模块，用于获取所述标准载荷和所述测量信号，根据所述标准载荷和所述测量信号之间的对应关系确定所述测量模块的灵敏度系数。

2.根据权利要求1所述的测力天平标定系统，其特征在于，所述根据所述标准载荷和所述测量信号之间的对应关系确定所述测量模块的灵敏度系数，包括：

获取多个所述标准载荷X_i；其中i为标号，i＝1，2，...，n；

获取多个所述测量信号T_i；其中具有相同标号的所述测量信号和所述标准载荷具有对应关系；

通过公式

确定所述灵敏度系数K。

3.根据权利要求2所述的测力天平标定系统，其特征在于，所述处理模块还用于根据所述标准载荷和所述测量信号确定所述灵敏度系数的误差。

4.根据权利要求3所述的测力天平标定系统，其特征在于，所述根据所述标准载荷和所述测量信号确定所述灵敏度系数的误差，包括：

通过公式

确定所述灵敏度系数的误差

5.根据权利要求1-4任一项所述的测力天平标定系统，其特征在于，所述承载模块包括底座和竖直布置的支架，所述底座的上端和所述支架的下端固定连接，所述支架的上端用于固定所述测量模块；所述底座上设置有多个用于保持所述底座水平的调平装置；所述调平装置包括手轮和地脚，所述手轮设置在所述底座的上端，所述地脚设置在所述底座的下端，所述地脚的安装轴的一端穿过所述底座与所述手轮连接；所述底座的上端还设置有多个用于检测所述底座的水平度的水平仪。

6.根据权利要求5所述的测力天平标定系统，其特征在于，所述测量模块包括连接板和检测器，所述连接板与所述检测器的输入端连接，所述检测器的输出端作为所述测量模块的输出端，所述输入端设置在所述连接板远离所述检测器的一端作为所述测量模块的输入端；所述检测器远离所述连接板的一端连接有转接杆，所述支架的上端设置有用于固定所述转接杆的固定装置。

7.根据权利要求6所述的测力天平标定系统，其特征在于，所述固定装置包括固定座和压盖，所述固定座的下端与所述支架的上端固定连接，所述固定座的上端与所述压盖固定连接；所述固定座的上端开设有固定槽，所述压盖朝向所述固定槽的一侧开设有压槽，所述转接杆远离所述检测器的一端设置有插接部，所述插接部插入所述固定槽和所述压槽围城的腔体内实现固定。

8.根据权利要求6所述的测力天平标定系统，其特征在于，所述加载模块包括用于连接杆和用于盛放标准砝码的加载盘，所述加载盘的盘杆连接所述测量模块的输入端；所述连接杆的一端通过销轴与所述加载盘的盘杆的上端连接，所述连接杆的另一端通过钩环与所述输入端连接。

9.根据权利要求1所述的测力天平标定系统，其特征在于，所述处理模块包括AD采集器和终端，所述AD采集器的输入端连接所述测量模块的输出端，所述AD采集器的输出端连接所述终端。

10.一种测力天平标定方法，其特征在于，使用如权利要求1-9任一项所述的测力天平标定系统执行以下步骤：

向所述加载模块逐次加载所述标准质量器件，从而使加载模块每次加载标准质量器件产生所述标准载荷，所述测量模块测量所述标准载荷输出所述测量信号，所述处理模块记录各次记录的所述标准载荷和所述测量信号之间的对应关系，根据所述标准载荷和所述测量信号之间的对应关系确定所述测量模块的灵敏度系数；

获取所述处理模块输出的所述灵敏度系数。

Images