CN113970403A - 一种负阶跃力发生装置及发生方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的一种负阶跃力发生装置及发生方法，属于计量测试领域，本发明公开的一种负阶跃力发生装置，包括直线导轨、伺服电动缸、承力板、标准力传感器、传力杆、被测系统、智能材料、放大器、信号发生器、环境温箱、限位器。本发明还公开一种负阶跃力发生方法，基于所述一种负阶跃力发生装置实现。本发明通过伺服电动缸对被测系统进行静态力加载，利用电活性聚合物材料受电信号后的机械性能突变，瞬时卸荷掉被测系统加载的静态力，能够在设定的温度环境下，发生负阶跃力，用于有效评估力传感器的动态特性，满足动态力传感器的动态测试需求。本发明具有信号重复性高、波形稳定性高、结构简单、操作性强、便于维护、环境温度可控等优点。
Description
技术领域
本发明属于计量测试领域，涉及一种负阶跃力发生装置及发生方法。
背景技术
力传感器是动态力测试系统的关键部件，需要通过阶跃式动态力校准装置进行动态校准，以保证力传感器的动态特性满足动态测试需求，确保测试数据的准确性，而负阶跃力发生装置是阶跃式动态力校准装置的核心。目前负阶跃力发生装置主要通过两种形式，一是在脆性材料上预加载一个静态力值，稳定后利用脆性材料断裂产生突然卸荷至零的方法从而产生负阶跃力值信号；二是通过钢丝挂载重物预加载一个静态力值，稳定后突然剪断钢丝从而产生负阶跃力值信号。现有装置存在动态重复性低、操作不便、危险性较高，并且不能模拟环境温度等问题。
发明内容
针对现有负阶跃力校准装置的不足：(1)利用脆性材料断裂产生负阶跃力，严重依赖脆性材料自身性能，断裂力不可控，产生负阶跃力信号的重复性低；(2)采用破坏脆性材料和剪断钢丝的方式产生负阶跃力，需要配有一定防护装置，操作具有一定危险性；(3)无法满足有环境温度需求的测试。本发明目的是提供一种负阶跃力发生装置及一种负阶跃力发生方法，通过伺服电动缸对被测系统进行静态力加载，利用电活性聚合物材料受电信号后的机械性能突变，瞬时卸荷掉被测系统加载的静态力，能够在设定的温度环境下，实现100kN范围内下降时间在微秒量级的负阶跃力发生，发生的负阶跃力用于有效评估力传感器的动态特性，满足动态力传感器的动态测试需求。本发明具有信号重复性高、波形稳定性高、结构简单、操作性强、便于维护、环境温度可控等优点。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
本发明公开的一种负阶跃力发生装置，包括直线导轨、伺服电动缸、承力板、标准力传感器、传力杆、被测系统、智能材料、放大器、信号发生器、环境温箱、限位器。
所述的伺服电动缸、承力板、标准力传感器、传力杆、被测系统、智能材料和限位器存在下述关系：
由地基往上的安装顺序是伺服电动缸、承力板、标准力传感器、传力杆、被测系统、智能材料与限位器，竖直方向紧密接触，无缝隙叠放式安装。
所述的直线导轨、伺服电动缸、承力板存在下述关系：
两条平行直线导轨竖直固定连接在地基上，伺服电动缸也固定连接在地基上，伺服电动缸内部有可伸出和收缩推力杆，推力杆上端固定连接承力板，承力板位于直线导轨下端位置，与直线导轨形成轴孔配合，主要用于限定承力板仅有竖直方向位移。
所述的标准力传感器存在下述关系：
标准力传感器用于获得伺服电动缸工作时的推力，获得伺服电动缸停止工作后的静态力。
所述传力杆配有两个，安装于被测系统上下两个端面，传力杆与标准力传感器和智能材料接触。
所述的智能材料是一种电活性聚合物，受到电信号后，产生形变，形变大小由电压决定。
所述的智能材料、放大器、信号发生器存在下述关系：
智能材料固定连接在限位器上，受到放大器和信号发生器共同作用，使智能材料产生竖直方向形变位移。
所述的电信号包括方波信号、正弦信号。
所述环境温箱为中空圆柱形结构，上下开孔处安装于两个传力杆之间，主要用于控制被测系统的环境温度。
所述限位器位于直线导轨上端，与直线导轨形成轴孔配合，并可进行锁死固定；伺服电动缸开始工作后，所述限位器主要用于使标准力传感器、传力杆、被测系统和智能材料处于压紧状态。
本发明还公开一种负阶跃力发生方法，基于所述一种负阶跃力发生装置实现，包括如下步骤：
步骤一：开启伺服电动缸工作，限位器处于锁死状态，使伺服电动缸内部推力杆运动推动承力板挤压上面的标准力传感器、传力杆、被测系统和智能材料，通过标准力传感器感受当前推力；
步骤二：当静态力值达到预定值时，停止伺服电动缸运动，通过限位器使标准力传感器、传力杆、被测系统和智能材料处于压紧状态，受到相同的静态力保持不变；
步骤三：开启环境温箱对被测系统进行加热，并维持在设定温度值；
步骤四：设定信号发生器产生电信号输出给放大器，电信号经过放大器的放大作用输出给智能材料，智能材料产生瞬时形变；
步骤五：智能材料收到正弦电信号时，智能材料产生正弦形变位移，被测系统上加载的静态力值产生正弦波动，从而产生正弦力；智能材料收到方波电信号时，智能材料产生形变位移，被测系统上加载的静态力值迅速卸荷，从而产生负阶跃力。
还包括步骤六：利用步骤五产生的负阶跃力，用于有效评估力传感器的动态特性，满足动态力传感器的动态测试需求。
有益效果：
1、本发明公开的一种负阶跃力发生装置及发生方法，利用电活性聚合物的电性能和机械性能，通过控制电信号的方式控制产生的负阶跃力，达到动态响应快，操作可控性强，测量重复性高的目的。
2、本发明公开的一种负阶跃力发生装置及发生方法，比现有只能单一产生负阶跃力的装置更全面，不仅能够产生负阶跃力值，还能够通过改变电信号在同一装置上产生正弦力值。
3、本发明公开的一种负阶跃力发生装置及发生方法，利用产生的负阶跃力，能够为被测动态力传感器模拟现场温度环境，使测试结果更为准确；
4、本发明公开的一种负阶跃力发生装置及发生方法，主要采用智能材料和伺服电动缸共同作用，结构简单稳定，操作安全可靠，后期维护和更换简便。
附图说明
图1为本发明具体实施方式中装置结构示意图；
其中，1—直线导轨、2—伺服电动缸、3—承力板、4—标准力传感器、5—传力杆、6—被测系统、7—智能材料、8—放大器、9—信号发生器、10—环境温箱、11—限位器。
图2为本发明具体实施方式中产生负阶跃力信号图。
具体实施方式
为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实例对发明内容做进一步说明。
实施例1：
如图1所示，本实施例中的一种负阶跃力发生装置，包括直线导轨1、伺服电动缸2、承力板3、标准力传感器4、传力杆5、被测系统6、智能材料7、放大器8、信号发生器9、环境温箱10、限位器11。
两条平行直线导轨1竖直固定连接在地基上，由地基往上的安装顺序是伺服电动缸2、承力板3、标准力传感器4、传力杆5、被测系统6、智能材料7与限位器11，竖直方向紧密接触，无缝隙叠放式安装。
伺服电动缸2内部有可伸出和收缩推力杆，推力杆上端固定连接承力板3，承力板3位于直线导轨1下端位置，与直线导轨1形成轴孔配合。
标准力传感器4可以获得伺服电动缸2工作时的推力，主要功能是，获得伺服电动缸2停止工作后的静态力。
传力杆5配有两个，安装于被测系统6上下两个端面，传力杆5与标准力传感器4和智能材料7接触。
智能材料7采用电活性聚合物，与放大器8和信号发生器9进行连接。
环境温箱10为中空圆柱形结构，上下开孔处安装于两个传力杆5之间。
限位器11位于直线导轨1上端，与直线导轨1形成轴孔配合，并进行锁死固定，保证标准力传感器4、传力杆5、被测系统6和智能材料7处于接触状态。
本实施例还公开一种负阶跃力发生方法，基于所述一种负阶跃力发生装置实现，包括如下步骤：
步骤一：开启伺服电动缸2工作，限位器11处于锁死状态，使伺服电动缸2内部推力杆运动推动承力板3挤压上面的标准力传感器4、传力杆5、被测系统6和智能材料7，标准力传感器4可感受当前推力；
步骤二：当静态力值达到预定值时，停止伺服电动缸2运动，标准力传感器4、传力杆5、被测系统6和智能材料7处于压紧状态，受到相同的静态力保持不变；
步骤三：开启环境温箱10对被测系统6进行加热，并维持在设定温度值；
步骤四：设定信号发生器9产生电信号输出给放大器8，电信号经过放大器8的放大作用输出给智能材料7，智能材料7产生瞬时形变；
步骤五：智能材料7收到正弦电信号时，智能材料7产生正弦形变位移，被测系统6上加载的静态力值产生正弦波动，从而产生正弦力；智能材料7收到方波电信号时，智能材料7产生形变位移，被测系统6上加载的静态力值迅速卸荷，从而产生了负阶跃力，结果如图2所示。
步骤六：利用步骤五产生的负阶跃力，用于有效评估力传感器的动态特性，满足动态力传感器的动态测试需求。
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种负阶跃力发生装置，其特征在于：包括直线导轨(1)、伺服电动缸(2)、承力板(3)、标准力传感器(4)、传力杆(5)、被测系统(6)、智能材料(7)、放大器(8)、信号发生器(9)、环境温箱(10)、限位器(11)；
所述的伺服电动缸(2)、承力板(3)、标准力传感器(4)、传力杆(5)、被测系统(6)、智能材料(7)和限位器(11)存在下述关系：
由地基往上的安装顺序是伺服电动缸(2)、承力板(3)、标准力传感器(4)、传力杆(5)、被测系统(6)、智能材料(7)与限位器(11)，竖直方向紧密接触，无缝隙叠放式安装；
所述的直线导轨(1)、伺服电动缸(2)、承力板(3)存在下述关系：
两条平行直线导轨(1)竖直固定连接在地基上，伺服电动缸(2)也固定连接在地基上，伺服电动缸(2)内部有可伸出和收缩推力杆，推力杆上端固定连接承力板(3)，承力板(3)位于直线导轨(1)下端位置，与直线导轨(1)形成轴孔配合，主要用于限定承力板(3)仅有竖直方向位移；
所述的标准力传感器(4)存在下述关系：
标准力传感器(4)用于获得伺服电动缸(2)工作时的推力，获得伺服电动缸(2)停止工作后的静态力；
所述传力杆(5)配有两个，安装于被测系统(6)上下两个端面，传力杆(5)与标准力传感器(4)和智能材料(7)接触；
所述的智能材料(7)、放大器(8)、信号发生器(9)存在下述关系：
智能材料(7)固定连接在限位器(11)上，受到放大器(8)和信号发生器(9)共同作用，使智能材料(7)产生竖直方向形变位移；
所述环境温箱(10)为中空圆柱形结构，上下开孔处安装于两个传力杆(5)之间，主要用于控制被测系统(6)的环境温度；
所述限位器(11)位于直线导轨(1)上端，与直线导轨(1)形成轴孔配合，并可进行锁死固定；伺服电动缸(2)开始工作后，所述限位器(11)主要用于使标准力传感器(4)、传力杆(5)、被测系统(6)和智能材料(7)处于压紧状态。
2.如权利要求1所述的一种负阶跃力发生装置，其特征在于：智能材料(7)是电活性聚合物，受到电信号后，产生形变，形变大小由电压决定。
3.如权利要求1所述的一种负阶跃力发生装置，其特征在于：所述的电信号包括方波信号、正弦信号。
4.一种负阶跃力发生方法，基于如权利要求1、2或3所述的一种负阶跃力发生装置实现，其特征在于：包括如下步骤，
步骤一：开启伺服电动缸(2)工作，限位器(11)处于锁死状态，使伺服电动缸(2)内部推力杆运动推动承力板(3)挤压上面的标准力传感器(4)、传力杆(5)、被测系统(6)和智能材料(7)，通过标准力传感器(4)感受当前推力；
步骤二：当静态力值达到预定值时，停止伺服电动缸(2)运动，通过限位器(11)使标准力传感器(4)、传力杆(5)、被测系统(6)和智能材料(7)处于压紧状态，受到相同的静态力保持不变；
步骤三：开启环境温箱(10)对被测系统(6)进行加热，并维持在设定温度值；
步骤四：设定信号发生器(9)产生电信号输出给放大器(8)，电信号经过放大器(8)的放大作用输出给智能材料(7)，智能材料(7)产生瞬时形变；
步骤五：智能材料(7)收到正弦电信号时，智能材料(7)产生正弦形变位移，被测系统(6)上加载的静态力值产生正弦波动，从而产生正弦力；智能材料(7)收到方波电信号时，智能材料(7)产生形变位移，被测系统(6)上加载的静态力值迅速卸荷，从而产生负阶跃力。
5.如权利要求4所述的一种负阶跃力发生方法，其特征在于：还包括步骤六，利用步骤五产生的负阶跃力，用于有效评估力传感器的动态特性，满足动态力传感器的动态测试需求。
6.如权利要求4所述的一种负阶跃力发生方法，其特征在于，电信号由信号发生器(9)产生，通过放大器(8)放大电压输出给智能材料(7)，信号发生器(9)主要产生方波信号和正弦信号，当电信号为方波信号时产生负阶跃力，当电信号为正弦信号时产生正弦力。
7.如权利要求4所述的一种负阶跃力发生方法，其特征在于，所述负阶跃力范围在100kN以内，下降沿时间在微秒量级。
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