CN115112292A - 一种动支撑情况下力传感器的组合式动态补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种动支撑情况下力传感器的组合式动态补偿方法，对力传感器自身动态特性和其支撑端运动引入的动态误差分别进行补偿，以降低动支撑情况下力传感器的动态测量误差。首先，对力传感器进行动态标定实验以设计力传感器的动态补偿器；其次，对力传感器进行动支撑实验来标定其支撑端惯性系数；据此，针对动支撑情况下的力传感器动态测量输出，先采用力传感器的动态补偿器对其进行补偿以校正力传感器自身动态特性引入的误差，再根据力传感器支撑端惯性系数和支撑端加速度对其进行惯性补偿以去除支撑端运动或振动引入的惯性误差，从而实现基于力传感器自身特性动态校正与支撑端惯性补偿的组合式动态补偿。

Description

一种动支撑情况下力传感器的组合式动态补偿方法

技术领域

本发明涉及力传感器的动态误差校正技术，特别是一种用于力传感器支撑端存在运动或振动情况下的应变式力传感器的动态补偿方法，先通过力传感器自身特性动态校正去除力传感器输出信号中由力传感器自身动态特性引起的动态误差，再通过力传感器支撑端惯性补偿去除力传感器输出信号中由支撑端运动带来的动态误差，从而改善力传感器的动态特性，提高力传感器的动态测量精度。

背景技术

力传感器是科学实验研究与工业生产活动中广泛应用的一种用于力测量的传感器。随着科学技术的飞速发展和工业自动化程度的不断提高，越来越多的应用场合需要进行动态力的测量。这就要求所使用的力传感器具有良好的动态特性。目前，应用中最广泛的应变式力传感器静态性能优越，但由于固有频率低、阻尼比小而使其动态特性较差，从而使其难以满足动态测量的要求；压电式力传感器虽然有较好的动态性能，但其静态测量性能通常较差而难以满足大多数应用场合的要求。另外，力传感器通常由支撑端、敏感元和测量端组成，在实际应用中支撑端固定安装在支撑机构上，测量端用于安装模型或工具，以测量模型或工具所受的外力；无论是应变式力传感器还是压电式力传感器，其在实际应用中的工装条件，包括支撑机构和受力工装(受力工装即为测量端的模型或工具)，均会降低其动态测量性能，从而使其无法满足特定场合的动态测量要求。目前，常用的降低力传感器动态测量误差的方法主要有传感器动态校正法和末端惯性补偿法。传感器动态校正法是指在传感器输出端级联动态补偿器来校正传感器的动态特性，从而降低传感器的动态误差；末端惯性补偿法是指对传感器测量端的加速度进行测量，进而采用惯性补偿的方法去除传感器输出信号中的惯性误差分量。然而，传感器动态校正法依赖于匹配传感器动态特性的动态补偿器，只适用于传感器动态特性不变且传感器支撑端无运动的场合；否则，传感器的支撑机构变化使传感器动态特性改变就会导致既有的动态补偿器失效而需要重新设计补偿器，传感器支撑机构不变但存在受控运动同样会导致动态补偿结果中残余由支撑端运动而引入的动态误差。末端惯性补偿法则只能去除传感器动态测量输出信号中的惯性误差分量，而无法去除其中的阻尼误差分量；特别是在传感器支撑端运动同时带有复杂的阻尼特性时，惯性补偿效果更有限；另外，惯性补偿方法对于传感器负载端的加速度测量的位置和精度的要求也较高。因此，对于实际应用中力传感器为弹性支撑或支撑端存在受控运动的情况，例如风洞天平支杆、工业机械臂，传感器动态校正法和末端惯性补偿法往往都不能有效地降低动态测量误差。。

本发明方法即提出一种动支撑情况下力传感器的组合式动态补偿方法，采用力传感器自身特性动态校正与支撑端惯性补偿相结合，以解决动支撑情况下的力传感器动态测量误差的校正问题。

发明内容

本发明主要针对力传感器支撑机构为弹性支撑或存在受控运动而使得力传感器在动态测量过程中其支撑端存在运动或振动的情况，解决现有的力传感器动态补偿方法无法有效去除力传感器输出信号中由力传感器自身动态特性引起的动态误差和由支撑端运动或振动引入的惯性误差的问题，提供一种新的基于力传感器自身特性动态校正与支撑端惯性补偿的动支撑情况下力传感器的组合式动态补偿方法。

本发明所采用的技术方案是：先根据力传感器动态标定实验数据设计力传感器的动态补偿器，以用于力传感器自身特性的动态校正；再通过动支撑实验对力传感器支撑端惯性系数进行标定，以用于力传感器动态测量中的支撑端惯性补偿；继而，针对实际应用中力传感器的动态测量信号，先采用所设计的力传感器的动态补偿器对信号进行动态补偿以去除传感器自身动态特性引入的动态误差，再根据力传感器支撑端加速度和惯性系数计算惯性力分量并据此对动态补偿器补偿后的信号进行惯性补偿以去除力传感器支撑端运动或振动引入的惯性误差，从而完成对实际应用中力传感器支撑端运动或振动情况下的传感器输出信号的组合式动态补偿。

本发明的技术流程为：力传感器动态补偿器设计1→力传感器支撑端惯性系数标定2→力传感器组合式动态补偿3，如图1所示。

所述力传感器动态补偿器设计1，即为根据力传感器的动态标定实验数据设计力传感器的动态补偿器；其流程包括力传感器动态标定实验4→数据采集5→期望等效系统构造6→动态补偿器设计7。

力传感器动态标定实验4：即为在标定环境中对力传感器进行动态标定实验，力传感器的支撑端固定安装在刚度远远大于力传感器敏感元刚度的刚性标定台上，力传感器的测量端安装有实际工作时的受力工装或质量、刚度、阻尼参数接近实际受力工装的力加载头，动态激励力施加在力传感器测量端的受力工装或力加载头上；标定实验中的动态激励力可采用阶跃力或冲击力。

数据采集5：即为在动态标定实验中通过数据采集设备同时采集力传感器的动态激励力信号u和力传感器的输出信号y。

期望等效系统构造6：即为构造一个等效模型，其动态特性表征力传感器级联要设计的动态补偿器后的级联系统的期望动态特性。

动态补偿器设计7：即为根据动态标定实验中采集到的力传感器的输出信号y与期望等效系统的输出信号y_lx设计力传感器的动态补偿器C(z)，使得力传感器输出级联动态补偿器C(z)后其频响误差小于允许误差e_tol的测量带宽达到f_bd；期望等效系统的输出信号y_lx为期望等效系统构造6中构造的等效模型在动态标定实验中力传感器的动态激励信号u的激励下的响应输出；动态补偿器的设计方法包括但不限于系统辨识法、神经网络法、频响构造法；C(z)表示设计的力传感器动态补偿器的z域传递函数。

所述力传感器支撑端惯性系数标定2，即为对力传感器支撑端运动或振动引起的力传感器输出信号中的惯性力分量F_i与支撑端运动加速度a之间的惯性系数k进行标定，即F_i＝k·a；其流程为：力传感器动支撑实验8→信号采集9→力传感器信号动态校正10→惯性系数计算11。

力传感器动支撑实验8：即为将力传感器的支撑端安装到一可动支撑上，力传感器的测量端仍然安装力传感器动态标定实验4中所述的实际受力工装或力加载头，可动支撑的另一端安装到一固定基座上或振动台上，在可动支撑与力传感器支撑端的接合部位安装加速度传感器以测量力传感器支撑端的加速度a，然后采用阶跃激励、冲击激励或周期振动激励的方式驱使可动支撑朝力传感器的测量方向运动或振动，从而使力传感器产生输出信号F_s；其中，阶跃激励适用于可动支撑为弹性支撑的情况，阶跃激励施加在力传感器测量端的受力工装或力加载头上，阶跃激励采用负阶跃力形式，即先给力传感器一稳定的力，然后突然卸载使施加到力传感器上的力为0，从而使力传感器所受到的外力出现从有到无的阶跃变化，阶跃力经力传感器传递到弹性支撑上会驱使弹性支撑产生谐振，谐振频率为f_ni，i＝1,2,…,m，m表示谐振频率的个数；冲击激励适用于可动支撑为弹性支撑的情况，冲击激励施加在力传感器测量端的受力工装或力加载头上，冲击激励可采用瞬间敲击的方式施加，冲击力经力传感器传递到弹性支撑上会驱使弹性支撑产生谐振，谐振频率为f_ni，i＝1,2,…,m，m表示谐振频率的个数；周期振动激励适用于可动支撑为弹性支撑或刚性支撑且可动支撑的另一端安装到振动台上的情况，此时不向力传感器测量端受力工装或力加载头施加外力，仅通过控制振动台振动来使可动支撑产生振动，振动频率f_os小于力传感器级联动态补偿器C(z)之后的测量带宽f_bd。

信号采集9：即为在力传感器动支撑实验的同时通过数据采集设备同时采集安装在可动支撑与力传感器支撑端接合部位的加速度传感器测量输出的加速度信号a和力传感器的测量输出信号F_s。

力传感器信号动态校正10：即为对力传感器的测量输出信号Fs进行动态校正，去除因力传感器自身动态特性引起的动态测量误差。动态校正方法可采用时域动态补偿法和频域误差修正法。时域动态补偿法即为采用所述力传感器动态补偿器设计1中设计的力传感器动态补偿器C(z)对所述力传感器动支撑实验8中力传感器的输出信号F_s进行动态补偿，获得动态校正结果F_sc；即，z域补偿式为F_sc(z)＝F_s(z)·C(z)，F_s(z)和F_sc(z)分别为F_s和F_sc的z变换。频域误差修正法即为根据所述力传感器动态标定实验4中的力传感器的动态激励信号u和输出信号y计算传感器的频响函数H(f)，据此先将力传感器动支撑实验8中力传感器的测量输出信号F_s转换到频域，然后采用H(f)对其进行频域修正，将修正结果再转换到时域获得动态校正结果F_sc；频域误差修正法可获得更宽的修正带宽和修正精度。

惯性系数计算11：即为根据力传感器信号动态校正10的校正结果F_sc和力传感器的支撑端加速度信号a，计算力传感器支撑端惯性系数k，计算流程为：信号截取→惯性系数估计。

①信号截取：若力传感器动支撑实验8采用的阶跃激励或冲击激励实验法，则从阶跃卸载或冲击之后开始截取力传感器测量输出的动态校正结果F_sc和支撑端加速度信号a；若力传感器动支撑实验8采用的周期振动激励实验法，则从周期振动稳定后截取力传感器测量输出的动态校正结果F_sc和支撑端加速度信号a。

②惯性系数估计：估计方法包括可选的时域惯性系数估计法和频域惯性系数估计法。时域惯性系数估计法为惯性系数

<F_sc,F_sc>和<a,a>分别为F_sc和a的自内积。频域惯性系数估计法为k＝|F_sc(f_p)|/|a(f_p)|，|F_sc(f_p)|和|a(f_p)|分别为F_sc和a在测量带宽f_bd以内频率f_p处的谱值，f_p为F_sc和a中在测量带宽f_bd以内最大谱峰对应的同频频率，其为力传感器动支撑实验8中阶跃激励或冲击激励下的谐振频率f_ni或周期振动激励下的振动频率f_os。

所述力传感器组合式动态补偿3，即为根据所述力传感器动态补偿器设计1设计的动态补偿器C(z)、所述力传感器支撑端惯性系数标定2获得的惯性系数k和实际应用中力传感器支撑端的加速度a实现对力传感器实际测量输出F_sd进行先自身动态特性校正、再支撑端惯性补偿的组合式动态补偿，以降低其动态测量误差；其流程为：数据获取12→数据预处理13→力传感器输出动态补偿14→支撑端惯性补偿15。

数据获取12：即为在力传感器的实际动态测试中获取力传感器的测量输出F_sd和力传感器的支撑端加速度a；其中，力传感器的测量输出F_sd直接通过对力传感器的输出进行数据采集获得；力传感器的支撑端加速度a可由安装在力传感器支撑端的加速度传感器测量并通过数据采集获得，亦可在力传感器支撑端受控运动情况下根据支撑端的受控运动参数直接计算获得。

数据预处理13：即采用相同的滤波器分别对获取的力传感器测量输出F_sd和力传感器的支撑端加速度a进行滤波处理，以去除所述力传感器动态补偿器设计1中设计的动态补偿器C(z)级联至力传感器之后的测量带宽f_bd以外的信号，分别获得F_sd的滤波结果F_l和加速度a的滤波结果a_l。

力传感器输出动态补偿14：即为采用所述力传感器动态补偿器设计1中设计的动态补偿器C(z)对力传感器测量输出的滤波结果F_l进行动态补偿，获得动态补偿结果F_sdc，即，z域补偿式为F_sdc(z)＝F_l(z)·C(z)，F_l(z)和F_sdc(z)分别为F_l和F_sdc的z变换。

支撑端惯性补偿15：即为根据支撑端加速度信号的滤波结果a_l和所述力传感器支撑端惯性系数标定2中获得的惯性系数k对力传感器输出动态补偿14中的动态补偿结果F_sdc进行惯性补偿获得最终的组合式动态补偿结果F_sci，即F_sci＝F_sdc+k·a_l。

本发明的优点是：将力传感器自身特性动态校正与支撑端惯性补偿结合起来，先通过校正力传感器自身动态特性的动态补偿器对力传感器测量输出信号进行动态补偿以有效去除由力传感器自身动态特性引起的惯性误差和阻尼误差，再通过支撑端惯性补偿去除传感器测量输出信号中由于支撑机构运动而带来的惯性误差，在力传感器的支撑机构为弹性支撑或运动支撑的情况下可有效降低力传感器的动态测量误差，提高其动态测量性能；本发明方法相较于现有的仅依赖于传感器的动态补偿器进行动态补偿的方法而言可克服不同形式的支撑端运动或振动对动态测量的影响，相较于现有的末端惯性补偿方法而言可降低加速度传感器的安装要求且能同时去除支撑机构和力传感器动态特性引起的阻尼误差。

附图说明

图1是本发明方法的技术流程框图；

图2是本发明具体实施例的力传感器动态补偿器设计流程图；

图3是本发明具体实施例的力传感器动态标定实验中力传感器的安装示意图；

图4是本发明具体实施例的力传感器支撑端惯性系数标定流程图；

图5是本发明具体实施例的力传感器动支撑实验中力传感器安装示意图；

图6是本发明具体实施例的力传感器组合式动态补偿流程图。

图7是本发明具体实施例的力传感器自身特性动态补偿结果示例图；

图8是本发明具体实施例的力传感器末端惯性补偿结果示例图；

图9是本发明具体实施例的力传感器组合式动态补偿结果示例图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明：

本发明的设计思想是：针对力传感器在动支撑情况下动态特性发生改变或支撑端受控运动引入惯性误差而难以进行动态测量误差校正的问题，采用先对传感器自身动态特性进行校正、再对其支撑端运动或振动引入的惯性误差分量进行补偿的组合式补偿思路以分别去除力传感器自身动态特性引入的动态误差和支撑端运动或振动引入的惯性误差；具体地，先对力传感器进行动态标定实验，根据动态标定实验数据设计力传感器的动态补偿器，以用于力传感器动态测量输出信号的动态补偿，校正力传感器自身动态特性引起的动态误差；再对力传感器进行动支撑实验，获取无外力情况下的力传感器输出信号与其支撑端的加速度信号，据此标定计算力传感器支撑端运动或振动引起的惯性力与支撑端加速度之间的惯性系数；从而，在实际应用场合，根据力传感器的动态补偿器、惯性系数以及支撑端的加速度对力传感器的动态测量输出信号进行先动态补偿、再支撑端惯性补偿的组合式动态补偿，从而降低动支撑情况下的力传感器动态测量误差。

本发明的技术方案流程图如图1所示。首先，通过力传感器动态补偿器设计1设计力传感器的动态补偿器，以用于力传感器自身特性的动态校正；其次，通过力传感器支撑端惯性系数标定2采用动支撑实验的方法标定计算出力传感器支撑端运动或振动引起的惯性力分量与力传感器支撑端加速度之间的惯性系数，以用于力传感器动态测量中的支撑端惯性补偿；据此，通过力传感器组合式动态补偿3对实际应用中的力传感器的测量输出进行动态补偿，以去除力传感器自身特性引起的动态误差和力传感器支撑端运动或振动引入的惯性误差。

所述力传感器动态补偿器设计1，即为根据力传感器的动态标定实验数据设计力传感器的动态补偿器；其流程包括力传感器动态标定实验4→数据采集5→期望等效系统构造6→动态补偿器设计7，如图2所示。

力传感器动态标定实验4：即为在标定环境中对力传感器进行动态标定实验，力传感器的支撑端固定安装在刚度远远大于力传感器敏感元刚度的刚性标定台上，力传感器的测量端安装有实际工作时的受力工装或质量、刚度、阻尼参数接近实际受力工装的力加载头，如图3所示；动态激励力施加在力传感器测量端的受力工装或力加载头上；标定实验中的动态激励力可采用阶跃力或冲击力。

数据采集5：即为在动态标定实验中通过数据采集设备同时采集力传感器的动态激励力信号u和力传感器的输出信号y。

期望等效系统构造6：即为构造一个等效模型，其动态特性表征力传感器级联要设计的动态补偿器后的级联系统的期望动态特性。

动态补偿器设计7：即为根据动态标定实验中采集到的力传感器的输出信号y与期望等效系统的输出信号y_lx设计力传感器的动态补偿器C(z)，使得力传感器输出级联动态补偿器C(z)后其频响误差小于允许误差e_tol的测量带宽达到f_bd；期望等效系统的输出信号y_lx为期望等效系统构造6中构造的等效模型在动态标定实验中力传感器的动态激励信号u的激励下的响应输出；动态补偿器的设计方法包括但不限于系统辨识法、神经网络法、频响构造法；C(z)表示设计的力传感器动态补偿器的z域传递函数。

所述力传感器支撑端惯性系数标定2，即为对力传感器支撑端运动或振动引起的力传感器输出信号中的惯性力分量F_i与支撑端运动加速度a之间的惯性系数k进行标定，即F_i＝k·a；其流程为：力传感器动支撑实验8→信号采集9→力传感器信号动态校正10→惯性系数计算11，如图4所示。

力传感器动支撑实验8：即为将力传感器的支撑端安装到一可动支撑上，力传感器的测量端仍然安装力传感器动态标定实验4中所述的实际受力工装或力加载头，可动支撑的另一端安装到一固定基座上或振动台上，在可动支撑与力传感器支撑端的接合部位安装加速度传感器以测量力传感器支撑端的加速度a，如图5所示；然后，采用阶跃激励、冲击激励或周期振动激励的方式驱使可动支撑朝力传感器的测量方向运动或振动，从而使力传感器产生输出信号F_s；其中，阶跃激励适用于可动支撑为弹性支撑情况，阶跃激励施加在力传感器测量端的受力工装或力加载头上，阶跃激励采用负阶跃力形式，即先给力传感器一稳定的力，然后突然卸载使施加到力传感器上的力为0，从而使力传感器所受到的外力出现从有到无的阶跃变化，阶跃力经力传感器传递到弹性支撑上会驱使弹性支撑产生谐振，谐振频率为f_ni，i＝1,2,…,m，m表示谐振频率的个数；冲击激励适用于可动支撑为弹性支撑的情况，冲击激励施加在力传感器测量端的受力工装或力加载头上，冲击激励可采用瞬间敲击的方式施加，冲击力经力传感器传递到弹性支撑上会驱使弹性支撑产生谐振，谐振频率为f_ni，i＝1,2,…,m，m表示谐振频率的个数；周期振动激励适用于可动支撑为弹性支撑或刚性支撑且可动支撑的另一端安装到振动台上的情况，此时不向力传感器测量端受力工装或力加载头施加外力，仅通过控制振动台振动来使可动支撑产生振动，振动频率f_os小于力传感器级联动态补偿器C(z)之后的测量带宽f_bd。

信号采集9：即为在力传感器动支撑实验的同时通过数据采集设备同时采集安装在可动支撑与力传感器支撑端接合部位的加速度传感器测量输出的加速度信号a和力传感器的测量输出信号F_s。

力传感器信号动态校正10：即为对力传感器的测量输出信号Fs进行动态校正，去除因力传感器自身动态特性引起的动态测量误差。动态校正方法可采用时域动态补偿法和频域误差修正法。时域动态补偿法即为采用所述力传感器动态补偿器设计1中设计的力传感器动态补偿器C(z)对所述力传感器动支撑实验8中力传感器的输出信号F_s进行动态补偿，获得动态校正结果F_sc；即，z域补偿式为F_sc(z)＝F_s(z)·C(z)，F_s(z)和F_sc(z)分别为F_s和F_sc的z变换。频域误差修正法即为根据所述力传感器动态标定实验4中的力传感器的动态激励信号u和输出信号y计算传感器的频响函数H(f)，据此先将力传感器动支撑实验8中力传感器的测量输出信号F_s转换到频域，然后采用H(f)对其进行频域修正，将修正结果再转换到时域获得动态校正结果F_sc；频域误差修正法可获得更宽的修正带宽和修正精度。

惯性系数计算11：即为根据力传感器信号动态校正10的校正结果F_sc和力传感器的支撑端加速度信号a，计算力传感器支撑端惯性系数k，计算流程为：信号截取→惯性系数估计。

①信号截取：若力传感器动支撑实验8采用的阶跃激励或冲击激励实验法，则从阶跃卸载或冲击之后开始截取力传感器测量输出的动态校正结果F_sc和支撑端加速度信号a；若力传感器动支撑实验8采用的周期振动激励实验法，则从周期振动稳定后截取力传感器测量输出的动态校正结果F_sc和支撑端加速度信号a。

②惯性系数估计：估计方法包括可选的时域惯性系数估计法和频域惯性系数估计法。时域惯性系数估计法为惯性系数

<F_sc,F_sc>和<a,a>分别为F_sc和a的自内积。频域惯性系数估计法为k＝|F_sc(f_p)|/|a(f_p)|，|F_sc(f_p)|和|a(f_p)|分别为F_sc和a在测量带宽f_bd以内频率f_p处的谱值，f_p为F_sc和a中在测量带宽f_bd以内最大谱峰对应的同频频率，其为力传感器动支撑实验8中阶跃激励或冲击激励下的谐振频率f_ni或周期振动激励下的振动频率f_os。

所述力传感器组合式动态补偿3，即为根据所述力传感器动态补偿器设计1设计的动态补偿器C(z)、所述力传感器支撑端惯性系数标定2获得的惯性系数k和实际应用中力传感器支撑端的加速度a实现对力传感器实际测量输出F_sd进行先自身动态特性校正、再支撑端惯性补偿的组合式动态补偿，以降低其动态测量误差；其流程为：数据获取12→数据预处理13→力传感器输出动态补偿14→支撑端惯性补偿15，如图6所示。

数据获取12：即为在力传感器的实际动态测试中获取力传感器的测量输出F_sd和力传感器的支撑端加速度a；其中，力传感器的测量输出F_sd直接通过对力传感器的输出进行数据采集获得；力传感器的支撑端加速度a可由安装在力传感器支撑端的加速度传感器测量并通过数据采集获得，亦可在力传感器支撑端受控运动情况下根据支撑端的受控运动参数直接计算获得；例如，在工业机器人腕力测量中，直接根据机器人各关节的运动速度信息计算腕力传感器支撑端的加速度。

数据预处理13：即采用相同的滤波器分别对获取的力传感器测量输出F_sd和力传感器的支撑端加速度a进行滤波处理，以去除所述力传感器动态补偿器设计1中设计的动态补偿器C(z)级联至力传感器之后的测量带宽f_bd以外的信号，分别获得F_sd的滤波结果F_l和加速度a的滤波结果a_l。

力传感器输出动态补偿14：即为采用所述力传感器动态补偿器设计1中设计的动态补偿器C(z)对力传感器测量输出的滤波结果F_l进行动态补偿，获得动态补偿结果F_sdc，即，z域补偿式为F_sdc(z)＝F_l(z)·C(z)，F_l(z)和F_sdc(z)分别为F_l和F_sdc的z变换。

支撑端惯性补偿15：即为根据支撑端加速度信号的滤波结果a_l和所述力传感器支撑端惯性系数标定2中获得的惯性系数k对力传感器输出动态补偿14中的动态补偿结果F_sdc进行惯性补偿获得最终的组合式动态补偿结果F_sci，即F_sci＝F_sdc+k·a_l。

图7-图9所示为一力传感器在弹性支撑情况下的阶跃响应输出与对其进行自身特性动态补偿、末端惯性补偿和本发明的力传感器组合式动态补偿的结果对比图。自身特性动态补偿即为只采用所述力传感器动态补偿器设计1中设计的力传感器动态补偿器C(z)对力传感器输出进行动态补偿；末端惯性补偿即为在力传感器的受力工装上同时安装加速度传感器采集力传感器测量端的加速度信号，据此对力传感器输出进行惯性补偿。由图7可知，在弹性支撑情况下，力传感器动态补偿器C(z)几乎失效，无法对力传感器输出进行有效补偿，补偿结果与原响应曲线几乎重合；这主要是由于弹性支撑显著降低了力传感器谐振频率所致。由图8可知，末端惯性补偿显著降低了力传感器输出中的动态误差，但仍残留有部分误差。而由图9可知，本发明的力传感器组合式动态补偿结果中的动态误差明显要小于末端惯性补偿结果。由此可知，对于动支撑情况下的力传感器动态测量输出，本发明的力传感器组合式动态补偿方法能比力传感器自身特性动态补偿和末端惯性补偿方法取得更好的动态补偿效果。

Claims (4)

1.一种动支撑情况下力传感器的组合式动态补偿方法，对动支撑情况下的力传感器测量输出先采用力传感器动态补偿器进行动态补偿、再对其支撑端运动或振动进行惯性补偿的组合式补偿方法，以降低力传感器自身动态特性和支撑端运动或振动引入的动态误差，从而提高动支撑情况下力传感器的动态测量精度，技术流程包括：力传感器动态补偿器设计→力传感器支撑端惯性系数标定→力传感器组合式动态补偿，其特征在于：

首先，对力传感器进行动态标定实验，根据力传感器的动态标定实验数据设计力传感器的动态补偿器；其次，对力传感器进行动支撑实验，获取力传感器支撑端的加速度以及由此引起的力传感器输出中的惯性力分量，从而计算力传感器支撑端的惯性系数；继而，针对实际应用中力传感器的动态测量信号，先采用所设计的力传感器的动态补偿器对信号进行动态补偿，再根据力传感器支撑端加速度和惯性系数计算惯性力分量并据此对动态补偿器补偿后的信号进行惯性补偿，从而完成对实际应用中力传感器支撑端运动或振动情况下的传感器输出信号的组合式动态补偿。

2.如权利要求1所述的一种动支撑情况下力传感器的组合式动态补偿方法，其特征在于：力传感器动态补偿器设计，即为根据力传感器的动态标定实验数据设计力传感器的动态补偿器；其流程包括力传感器动态标定实验→数据采集→期望等效系统构造→动态补偿器设计；

力传感器动态标定实验：即为在标定环境中对力传感器进行动态标定实验，力传感器的支撑端固定安装在刚度远远大于力传感器敏感元刚度的刚性标定台上，力传感器的测量端安装有实际工作时的受力工装或质量、刚度、阻尼参数接近实际受力工装的力加载头，动态激励力施加在力传感器测量端的受力工装或力加载头上；标定实验中的动态激励力可采用阶跃力或冲击力；

数据采集：即为在动态标定实验中通过数据采集设备同时采集力传感器的动态激励力信号u和力传感器的输出信号y；

期望等效系统构造：即为构造一个等效模型，其动态特性表征力传感器级联要设计的动态补偿器后的级联系统的期望动态特性；

动态补偿器设计：即为根据动态标定实验中采集到的力传感器的输出信号y与期望等效系统的输出信号y_lx设计力传感器的动态补偿器C(z)，使得力传感器输出级联动态补偿器C(z)后其频响误差小于允许误差e_tol的测量带宽达到f_bd；期望等效系统的输出信号y_lx为期望等效系统构造中构造的等效模型在动态标定实验中力传感器的动态激励信号u的激励下的响应输出；动态补偿器的设计方法包括系统辨识法、神经网络法、频响构造法；C(z)表示设计的力传感器动态补偿器的z域传递函数。

3.如权利要求1所述的一种动支撑情况下力传感器的组合式动态补偿方法，其特征在于：力传感器支撑端惯性系数标定，即为对力传感器支撑端运动或振动引起的力传感器输出信号中的惯性力分量F_i与支撑端运动加速度a之间的惯性系数k进行标定，即F_i＝k·a；其流程为：力传感器动支撑实验→信号采集→力传感器信号动态校正→惯性系数计算；

力传感器动支撑实验：即为将力传感器的支撑端安装到一可动支撑上，力传感器的测量端仍然安装力传感器动态标定实验中所采用的实际受力工装或力加载头，可动支撑的另一端安装到一固定基座上或振动台上，在可动支撑与力传感器支撑端的接合部位安装加速度传感器以测量力传感器支撑端的加速度a，然后采用阶跃激励、冲击激励或周期振动激励的方式驱使可动支撑朝力传感器的测量方向运动或振动，从而使力传感器产生输出信号F_s；其中，阶跃激励适用于可动支撑为弹性支撑的情况，阶跃激励施加在力传感器测量端的受力工装或力加载头上，阶跃激励采用负阶跃力形式，即先给力传感器一稳定的力，然后突然卸载使施加到力传感器上的力为0，从而使力传感器所受到的外力出现从有到无的阶跃变化，阶跃力经力传感器传递到弹性支撑上会驱使弹性支撑产生谐振，谐振频率为f_ni，i＝1,2,…,m，m表示谐振频率的个数；冲击激励适用于可动支撑为弹性支撑的情况，冲击激励施加在力传感器测量端的受力工装或力加载头上，冲击激励可采用瞬间敲击的方式施加，冲击力经力传感器传递到弹性支撑上会驱使弹性支撑产生谐振，谐振频率为f_ni，i＝1,2,…,m，m表示谐振频率的个数；周期振动激励适用于可动支撑为弹性支撑或刚性支撑且可动支撑的另一端安装到振动台上的情况，此时不向力传感器测量端受力工装或力加载头施加外力，仅通过控制振动台振动来使可动支撑产生振动，振动频率f_os小于力传感器级联动态补偿器C(z)之后的测量带宽f_bd；

信号采集：即为在力传感器动支撑实验的同时通过数据采集设备同时采集安装在可动支撑与力传感器支撑端接合部位的加速度传感器测量输出的加速度信号a和力传感器的测量输出信号F_s；

力传感器信号动态校正：即为对力传感器的测量输出信号Fs进行动态校正，去除因力传感器自身动态特性引起的动态测量误差；动态校正方法可采用时域动态补偿法和频域误差修正法；时域动态补偿法即为采用所述力传感器动态补偿器设计中设计的力传感器动态补偿器C(z)对所述力传感器动支撑实验中力传感器的输出信号F_s进行动态补偿，获得动态校正结果F_sc；即，z域补偿式为F_sc(z)＝F_s(z)·C(z)，F_s(z)和F_sc(z)分别为F_s和F_sc的z变换；频域误差修正法即为根据所述力传感器动态标定实验中的力传感器的动态激励信号u和输出信号y计算传感器的频响函数H(f)，据此先将力传感器动支撑实验中力传感器的测量输出信号F_s转换到频域，然后采用H(f)对其进行频域修正，将修正结果再转换到时域获得动态校正结果F_sc；频域误差修正法可获得更宽的修正带宽和修正精度；

惯性系数计算：即为根据力传感器信号动态校正的校正结果F_sc和力传感器的支撑端加速度信号a，计算力传感器支撑端惯性系数k，计算流程为：信号截取→惯性系数估计

①信号截取：若力传感器动支撑实验采用阶跃激励或冲击激励实验法，则从阶跃卸载或冲击之后开始截取力传感器测量输出的动态校正结果F_sc和支撑端加速度信号a；若力传感器动支撑实验采用的周期振动激励实验法，则从周期振动稳定后截取力传感器测量输出的动态校正结果F_sc和支撑端加速度信号a；

②惯性系数估计：估计方法包括可选的时域惯性系数估计法和频域惯性系数估计法；时域惯性系数估计法为惯性系数

<F_sc,F_sc>和<a,a>分别为F_sc和a的自内积；频域惯性系数估计法为k＝|F_sc(f_p)|/|a(f_p)|，|F_sc(f_p)|和|a(f_p)|分别为F_sc和a在测量带宽f_bd以内频率f_p处的谱值，f_p为F_sc和a中在测量带宽f_bd以内最大谱峰对应的同频频率，其为力传感器动支撑实验中阶跃激励或冲击激励下的谐振频率f_ni或周期振动激励下的振动频率f_os。

4.如权利要求1所述的一种动支撑情况下力传感器的组合式动态补偿方法，其特征在于：力传感器组合式动态补偿，即为根据所述力传感器动态补偿器设计中设计的动态补偿器C(z)、所述力传感器支撑端惯性系数标定中获得的惯性系数k和实际应用中力传感器支撑端的加速度a实现对力传感器实际测量输出F_sd进行先自身动态特性校正、再支撑端惯性补偿的组合式动态补偿，以降低其动态测量误差；其流程为：数据获取→数据预处理→力传感器输出动态补偿→支撑端惯性补偿；

数据获取：即为在力传感器的实际动态测试中获取力传感器的测量输出F_sd和力传感器的支撑端加速度a；其中，力传感器的测量输出F_sd直接通过对力传感器的输出进行数据采集获得；力传感器的支撑端加速度a可由安装在力传感器支撑端的加速度传感器测量并通过数据采集获得，亦可在力传感器支撑端受控运动情况下根据支撑端的受控运动参数直接计算获得；

数据预处理：即采用相同的滤波器分别对获取的力传感器测量输出F_sd和力传感器的支撑端加速度a进行滤波处理，以去除所述力传感器动态补偿器设计中设计的动态补偿器C(z)级联至力传感器之后的测量带宽f_bd以外的信号，分别获得F_sd的滤波结果F_l和加速度a的滤波结果a_l；

力传感器输出动态补偿：即为采用所述力传感器动态补偿器设计中设计的动态补偿器C(z)对力传感器测量输出的滤波结果F_l进行动态补偿，获得动态补偿结果F_sdc，即，z域补偿式为F_sdc(z)＝F_l(z)·C(z)，F_l(z)和F_sdc(z)分别为F_l和F_sdc的z变换；

支撑端惯性补偿：即为根据支撑端加速度信号的滤波结果a_l和所述力传感器支撑端惯性系数标定中获得的惯性系数k对力传感器输出动态补偿中的动态补偿结果F_sdc进行惯性补偿获得最终的组合式动态补偿结果F_sci，即F_sci＝F_sdc+k·a_l。

Images