CN113310622B - 一种微小量程准静态校准压力发生器及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种微小量程准静态校准压力发生器及方法，属于压电式压力传感器计量校准领域。本发明的微小量程准静态校准压力发生器，包括造压油缸、底端垂直位于造压油缸内腔顶部的精密活塞组件、重锤组件以及驱动机构，该驱动机构用于驱动重锤组件匀速下落对精密活塞组件进行撞击，具体的，所述驱动机构包括滚珠丝杠、步进电机和执行平台，其中步进电机用于驱动滚珠丝杠发生转动，执行平台通过滚珠与滚珠丝杠相连，且重锤组件与执行平台相连。本发明的压力发生器通过控制重锤组件匀速下落撞击造压油缸内的精密活塞组件，可产生峰值范围在0.01MPa～0.30MPa的类似于半正弦形的压力脉冲，从而能够实现微小量程压电式压力传感器的准静态校准。

Description

一种微小量程准静态校准压力发生器及方法
技术领域
本发明涉及压电式压力传感器计量校准装备领域，特别是涉及一种微小量程准静态校准压力发生器及压力产生方法。
背景技术
压电式压力传感器在承受静态压力作用时，会出现电荷泄漏现象，因此，无法实施静态校准来准确获取其灵敏度、线性度、重复性等工作特性参数。目前，国内外常采用脉冲压力发生器对其进行准静态校准，以获取压电式压力传感器的幅值特性。脉冲压力发生器产生的脉冲宽度一般在1ms～12ms，其有效带宽在1kHz以内，远低于压力传感器的固有频率(一般在几十kHz～几百kHz)。常用的脉冲压力发生器主要有：落锤式液压标定装置、摆锤式液压标定装置和气体脉动压力发生器。
现有落锤式液压标定装置是由落锤自由落体撞击位于造压油缸内的精密活塞组件，挤压造压油缸内的液压油产生校准所需压力脉冲，由该落锤装置产生的压力峰值均大于10MPa。南京理工大学孔德仁利用质量很小的二次锤撞击精密活塞组件，产生的压力下限可以达到1MPa，但是，该二次锤在第一次撞击精密活塞组件后无法被接住，且其二次锤在撞击精密活塞组件时可能会出现偏心及多次撞击的现象。
经检索，中国专利申请号为CN201610455273.4的申请案公开了一种摆锤式冲击波压力传感器现场校准装置，该申请案提出了一种摆锤撞击精密活塞组件的脉冲压力发生器，该发生器能够产生1MPa～10MPa范围的压力脉冲。中国专利申请号为CN202010925099.1的申请案公开了一种极小量程压力系统准静态校准用缓冲器及设计方法，其通过在精密活塞组件上部增加缓冲器，从而可获得幅值低于1MPa的半正弦压力脉冲。但上述两申请案的压力发生器均不能产生更低的压力范围，从而不能适用于对更低量程的压电式压力传感器进行准静态校准。中国专利申请号为202011187566.1的申请案公开了一种极小量程压力系统准静态气压校准装置及设计方法，该申请案针对传统的落锤式或摆锤式液压标定装置，利用空气代替蓖麻油作为传压介质，该脉冲压力发生器可以产生0.01MPa～1MPa峰值范围的压力，但是该装置对造压油缸的密封要求很高，撞击过程难以保证缸体内的密封性。
又如，中国专利申请号为CN201910628332.7的申请案公开了一种基于冲击切换的气体脉冲压力发生器及压力发生方法，该申请案利用气体作为传压介质设计的脉冲压力发生器可以产生0.1MPa～10MPa峰值范围的压力，但是该装置的结构和工作原理较为复杂，对活塞下行的位移控制精度要求很高，一个较小的位移偏差可能会引起一个较大的压力脉冲波形重复性误差。
发明内容
1.要解决的问题
本发明的目的在于克服现有准静态校准用压力发生器所产生的压力量程相对较大，从而无法满足微小量程压电式压力传感器的准静态校准需求的不足，提供了一种微小量程准静态校准压力发生器及方法。本发明的压力发生器通过控制重锤组件匀速下落撞击造压油缸内的精密活塞组件，可产生峰值范围在0.01MPa～0.30MPa的类似于半正弦形的压力脉冲，从而能够实现微小量程压电式压力传感器的准静态校准。
2.技术方案
为了解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：
本发明的一种微小量程准静态校准压力发生器，包括造压油缸、底端垂直位于造压油缸内腔顶部的精密活塞组件以及重锤组件，还包括驱动机构，该驱动机构用于驱动重锤组件匀速下落对精密活塞组件进行撞击，具体的，所述驱动机构包括滚珠丝杠、步进电机和执行平台，其中步进电机用于驱动滚珠丝杠发生转动，执行平台通过滚珠与滚珠丝杠相连，且重锤组件与执行平台相连。采用发明的压力发生器对压电式压力传感器进行校准时，通过步进电机驱动滚珠丝杠进行匀速转动，从而可以通过执行平台带动重锤组件匀速下落对精密活塞组件进行撞击，可以产生峰值范围在0.01MPa～0.30MPa的类似于半正弦形压力脉冲，因而采用本发明的压力发生器可以对微小量程压电式压力传感器进行准静态校准。重锤组件下落速度的调节具体可通过直接改变步进电机的旋转速度来实现。
更进一步的，所述执行平台与提锤机构固定相连，重锤组件安装于提锤机构上，其锤头中心线与精密活塞组件的中心线重合，且提锤机构上位于重锤组件的两侧分别对称安装有激光传感器发射端和激光传感器接收端。当重锤组件挡住激光传感器发射端和激光传感器接收端之间的激光信号，重锤组件上端面相对于提锤机构的上端面上升，表明重锤组件已经和精密活塞组件发生撞击，立即停止驱动步进电机，然后驱动步进电机通过联轴器带动滚珠丝杠向相反方向转动，带动执行平台和提锤机构快速上升，并托住重锤组件，从而可以防止重锤组件由于重力作用下落对精密活塞组件造成二次撞击，有利于保护压电式压力传感器，因为在多次反弹下落撞击过程，价格昂贵的传感器寿命会降低。
更进一步的，所述激光传感器发射端、激光传感器接收端以及步进电机均与PLC控制器相连，通过PLC控制器的控制可以对步进电机的转向、旋转速度等进行自动控制，从而有利于进一步保证校准精度，且控制简便。
更进一步的，所述提锤机构可滑动安装于两根对称分布的导杆上，通过导杆的设置可以对提锤机构的下落进行导向，从而有利于保证重锤组件下落及撞击过程的平稳性。具体的，本发明的提锤机构加工为T字型结构，其垂直段与滚珠丝杠固定相连，其水平段的两端对应设有与导杆相匹配的导向环，重锤组件位于提锤机构的水平段中心(提锤机构加工有安装孔，重锤组件直接支撑安放于上述安装孔内)。
更进一步的，所述导杆及滚珠丝杠的上下两端分别与顶板及基座相连，造压油缸支撑安装于基座上，滚珠丝杠的顶端穿过顶板并通过顶板上的联轴器与步进电机相连，通过顶板、基座、两根导杆及滚珠丝杠组成整体框架结构，从而有利于进一步提高冲击过程的平稳性以及整个发生器结构的牢固性、稳定性。
更进一步的，所述顶板上设有急停按钮，当PLC控制器或软件失效时，通过人工触发急停按钮，立即停止驱动步进电机，从而避免提锤机构挤压顶板或精密活塞组件而导致的机构损坏。
本发明的一种微小量程压电式压力测量系统准静态压力产生方法，其具体过程为：通过步进电机驱动滚珠丝杠匀速转动，滚珠丝杠通过执行平台带动重锤组件匀速下落；当重锤组件与精密活塞组件发生撞击后，重锤组件相对于提锤机构的上端面上升，此时激光传感器发射端和激光传感器接收端之间的激光信号被遮挡住，PLC控制器接收到信号时立即停止驱动步进电机，并驱动步进电机带动滚珠丝杠向相反方向转动，带动执行平台和提锤机构快速上升。
所述重锤组件撞击精密活塞组件产生的脉冲压力幅值pm，可以由公式(1)计算得到。
Figure BDA0003084759690000031
通过调节重锤组件下落速度v、重锤组件与精密活塞组件的共同质量m、造压油缸初始容积V0、造压油缸内传压介质的初始体积弹性模量E0和弹性模量压力系数β，可以获得不同幅值的半正弦压力脉冲。
综上所述，本发明的校准装置采用重锤匀速撞击精密活塞组件，可产生0.01～0.30MPa的半正弦压力脉冲，从而实现微小量程压电式压力传感器的准静态校准，且其结构简单，重量轻，重锤组件冲击过程导向性好。
附图说明
图1为本发明的一种微小量程准静态校准压力发生器的结构示意图。
附图标记：1、基座，2、造压油缸，3、精密活塞组件，4、导杆，5、提锤机构，6、激光传感器发射端，7、重锤组件，8、激光传感器接收端，9、螺钉，10、执行平台，11、滚珠丝杠，12、顶板，13、联轴器，14、步进电机，15、急停按钮。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进一步进行描述。
实施例1
结合图1，本实施例的一种微小量程准静态校准压力发生器，包括造压油缸2、底端垂直位于造压油缸2内腔顶部的精密活塞组件3、重锤组件7以及驱动机构，所述驱动机构用于驱动重锤组件7匀速下落对精密活塞组件3进行撞击，且重锤组件7的锤头中心线与精密活塞组件3的中心线重合。
目前，采用现有落锤式液压标定装置对压电式压力传感器进行准静态校准时，通常都是使落锤发生自由落体运动对造压油缸内的精密活塞组件进行撞击，一方面导致产生的压力峰值相对较大，无法满足微小量程压电式压力传感器的校准，另一方面还会产生多次撞击现象，或者出现撞击不准的问题，从而影响校准结果。针对上述现状，本实施例通过采用驱动机构驱动重锤组件7匀速下落对精密活塞组件3进行撞击，从而可以产生0.01～0.30MPa的半正弦压力脉冲，因而可实现微小量程压电式压力传感器的准静态校准。另外，通过驱动机构驱动重锤组件7的下落与上升运动还能够有效避免多次撞击现象的发生，并保证冲击时的稳定性。
实施例2
本实施例的一种微小量程准静态校准压力发生器，其结构基本同实施例1，更进一步的，本实施例的驱动机构包括滚珠丝杠11、步进电机14和执行平台10，其中步进电机14用于驱动滚珠丝杠11发生转动，执行平台10通过滚珠与滚珠丝杠11相连，且重锤组件7安装于提锤机构5的中心处，提锤机构5与执行平台10相连，并通过导杆4进行滑动导向。
结合图1，所述造压油缸2、导杆4底端以及滚珠丝杠11底端均固定在基座1上，所述顶板12用于安放联轴器13和固定导杆4顶部，采用PLC控制器驱动步进电机14。具体地，所述提锤机构5加工为T字型结构，其垂直段通过螺钉9与滚珠丝杠11固定相连，其水平段的两端对应设有与导杆4相匹配的导向环，重锤组件7安装于提锤机构5的水平段中心，且提锤机构5的上端面位于重锤组件7左、右两侧对称安装有激光传感器发送端6和激光传感器接收端8。
工作时，步进电机14按PLC控制器给出的旋转方向和旋转速度指令旋转，步进电机14通过联轴器13带动滚珠丝杠11匀速转动，滚珠丝杠11带动执行平台10、提锤机构5和重锤组件7以相同的速度匀速下落；当重锤组件7挡住激光传感器发射端6和激光传感器接收端8之间的激光信号，重锤组件7上端面相对于提锤机构5的上端面上升，表明重锤组件7已经和精密活塞组件3发生撞击，PLC控制器接收到信号时，立即停止驱动步进电机14，再由PLC控制器驱动步进电机14通过联轴器13带动滚珠丝杠11向相反方向转动，带动执行平台10和提锤机构5快速上升，并托住重锤组件7，可以防止重锤组件7由于重力作用下落对精密活塞组件3造成二次撞击。当PLC控制器或软件失效时，可人工触发急停按钮15，立即停止驱动步进电机14，从而避免提锤机构5挤压顶板12或精密活塞组件3而导致的机构损坏。
所述重锤组件7撞击精密活塞组件3产生的脉冲压力幅值pm，可以由公式(1)计算得到。
Figure BDA0003084759690000051
通过调节重锤组件7下落速度v、重锤组件7与精密活塞组件3的共同质量m、造压油缸2初始容积V0、造压油缸2内传压介质的初始体积弹性模量E0和弹性模量压力系数β，可以获得不同幅值的半正弦压力脉冲。

Claims (10)

1.一种微小量程准静态校准压力发生器，包括造压油缸(2)、底端垂直位于造压油缸(2)内腔顶部的精密活塞组件(3)以及重锤组件(7)，其特征在于：还包括驱动机构，该驱动机构用于驱动重锤组件(7)匀速下落对精密活塞组件(3)进行撞击，所述驱动机构包括滚珠丝杠(11)、步进电机(14)和执行平台(10)，其中步进电机(14)用于驱动滚珠丝杠(11)发生转动，执行平台(10)通过滚珠与滚珠丝杠(11)相连，且重锤组件(7)与执行平台(10)相连。
2.根据权利要求1所述的一种微小量程准静态校准压力发生器，其特征在于：所述执行平台(10)与提锤机构(5)固定相连，重锤组件(7)安装于提锤机构(5)上，其锤头中心线与精密活塞组件(3)的中心线重合。
3.根据权利要求2所述的一种微小量程准静态校准压力发生器，其特征在于：所述提锤机构(5)上位于重锤组件(7)的两侧分别对称安装有激光传感器发射端(6)和激光传感器接收端(8)。
4.根据权利要求3所述的一种微小量程准静态校准压力发生器，其特征在于：所述激光传感器发射端(6)、激光传感器接收端(8)以及步进电机(14)均与PLC控制器相连。
5.根据权利要求2-4中任一项所述的一种微小量程准静态校准压力发生器，其特征在于：所述提锤机构(5)可滑动安装于两根对称分布的导杆(4)上。
6.根据权利要求5所述的一种微小量程准静态校准压力发生器，其特征在于：所述提锤机构(5)加工为T字型结构，其垂直段与滚珠丝杠(11)固定相连，其水平段的两端对应设有与导杆(4)相匹配的导向环，重锤组件(7)位于提锤机构(5)的水平段中心。
7.根据权利要求5所述的一种微小量程准静态校准压力发生器，其特征在于：所述导杆(4)及滚珠丝杠(11)的上下两端分别与顶板(12)及基座(1)相连，造压油缸(2)支撑安装于基座(1)上，滚珠丝杠(11)的顶端穿过顶板(12)并通过顶板(12)上的联轴器(13)与步进电机(14)相连。
8.根据权利要求7所述的一种微小量程准静态校准压力发生器，其特征在于：所述顶板(12)上设有急停按钮(15)。
9.一种微小量程压电式压力测量系统准静态压力产生方法，其特征在于，其具体过程为：通过步进电机(14)驱动滚珠丝杠(11)匀速转动，滚珠丝杠(11)通过执行平台(10)带动重锤组件(7)匀速下落；当重锤组件(7)与精密活塞组件(3)发生撞击后，重锤组件(7)相对于提锤机构(5)的上端面上升，此时激光传感器发射端(6)和激光传感器接收端(8)之间的激光信号被遮挡住，PLC控制器接收到信号时立即停止驱动步进电机(14)，并驱动步进电机(14)带动滚珠丝杠(11)向相反方向转动，带动执行平台(10)和提锤机构(5)快速上升。
10.根据权利要求9所述的一种微小量程压电式压力测量系统准静态压力产生方法，其特征在于：当PLC控制器或软件失效时，通过人工触发急停按钮(15)，立即停止驱动步进电机(14)。
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