CN115824492A - 一种用于高频响三维冲击力传感器的同步标定方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于高频响三维冲击力传感器的同步标定装置，主要包括空气压缩机、气管、开关阀、气瓶、气压表、快放阀、底座、炮筒支撑架、炮筒、子弹、标定杆支撑架、动态数据采集系统、标定杆、承载件、传感器支撑架、转接底板、工字梁、应变片、信号线。还涉及一种用于高频响三维冲击力传感器的同步标定方法，包括安装待标定三维冲击力传感器、气瓶充气、子弹冲击、采集数据、求取输入载荷、求取输入矩阵和输出矩阵、求取灵敏度系数的步骤。本发明装置，实现了三维冲击力传感器各敏感轴的高幅值、窄脉宽同步冲击加载。本发明方法，实现了三维冲击力传感器主灵敏度系数及轴间耦合灵敏度系数的标定。

Description

一种用于高频响三维冲击力传感器的同步标定方法及装置

技术领域

本发明属于传感器标定技术领域，具体涉及一种用于高频响三维冲击力传感器的同步标定方法及装置。

背景技术

随着航空航天、兵器科技等领域的发展，各型装备在其服役期间面临的载荷环境越来越严酷，高幅值、窄脉宽冲击力载荷成为威胁系统结构安全的重要因素。在对承载结构进行可靠性设计和强度校核时，获悉结构在服役过程中所需面临的冲击力载荷至关重要。实际工程中，通常采用冲击力传感器对真实工况或模拟真实工况下冲击力载荷进行测量。尤其是三维冲击力传感器，因其可同时沿空间三个坐标轴方向测量冲击力载荷，而具有更高的实用价值与更广的发展前景。

三维冲击力传感器在投入使用之前，为保证测量的准确性和有效性，需先对其灵敏度系数进行标定。三维冲击力传感器的标定相对单轴冲击力传感器和三维静态力传感器都更加困难，因为在对三维冲击力传感器进行标定时，需要沿空间三个坐标轴方向激励能够被准确计量的冲击力载荷，且沿不同方向激励的冲击力载荷要在时间上保持同步。对于脉宽仅为毫秒、甚至微秒量级的冲击力脉冲而言，要实现其三轴同步激励有一定的技术难度，尤其当脉冲的幅值要求较高时。而对于量程大、频响高的三维冲击力传感器而言，要实现其准确、有效的标定，高幅值、窄脉宽三轴同步冲击力载荷是必需的：一方面，冲击力载荷的幅值范围需能包含传感器的量程范围；另一方面，冲击力载荷的频带带宽需能包含传感器的频响范围，而频带带宽越宽，所述冲击力脉冲的脉宽越窄。

现有动态(包含冲击)力传感器标定装置和方法大多针对单轴动态力传感器。例如，专利CN106092437A公开了一种可实现单轴压电型动态力传感器标定的小型标定机构，专利CN106595952A公开了一种基于振动激励的单轴动态力传感器标定装置和方法，专利CN108680301A公开了一种利用交变电场和压电叠堆实现单轴动态力传感器冲击加载和标定的装置。然而，单轴动态力传感器标定装置无法实现三轴同步动态载荷的激励，因此无法实现三轴动态力传感器的标定。三轴动态力传感器的标定装置和方法相对单轴动态力传感器研究较少，且现有三轴动态力传感器标定装置的载荷激励能力有限。例如，专利CN111174969A公开了一种基于负阶跃加载的多维动态力传感器标定设备，专利CN205981543U公开了一种基于伺服驱动加载的三维动态力传感器标定装置。受限于阶跃激励装置和伺服驱动装置加载率及加载幅值的限制，上述三维或多维动态力传感器标定装置难以满足大量程、高频响三维冲击力传感器的标定需求。

综上，现有动态力传感器标定装置难以实现大量程、高频响三维冲击力传感器的标定，其根本原因在于现有装置存在无法沿空间三个坐标轴方向激励高幅值、窄脉宽同步冲击力载荷，从而无法实现三维冲击力传感器同步冲击加载和标定的技术问题和不足。因此，开发一种工程上能够实现的高幅值、窄脉宽三轴冲击力载荷同步激励装置，实现大量程、高频响三维冲击力传感器的标定，具有重要的现实意义和工程实用价值。

发明内容

为了克服现有力传感器标定装置无法沿三个坐标轴方向激励高幅值、宽频带同步冲击载荷，从而无法实现大量程、高频响三维冲击力传感器同步标定的不足，本发明提出了一种用于高频响三维冲击力传感器的同步标定方法及装置。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：

一种用于高频响三维冲击力传感器的同步标定装置，主要包括空气压缩机、气管、开关阀、气瓶、气压表、快放阀、底座、炮筒支撑架、炮筒、子弹、标定杆支撑架、动态数据采集系统、标定杆、承载件、传感器支撑架、转接底板、工字梁、应变片、信号线。

所述底座共设置4个，4个底座沿直线排开，固定于水平地面上。所述工字梁水平放置，位于所述底座上，与所述底座固定连接。

所述快放阀位于所述工字梁端部的上侧，与所述工字梁固定连接，所述快放阀底面一半与所述工字梁上表面相接，底面的另一半悬空。所述气瓶位于快放阀悬空部位的下侧，与所述快放阀固定连接。所述气压表与所述气瓶连通，用于测量所述气瓶的气压。所述空气压缩机、所述气管、所述开关阀、所述气管、所述气瓶依次相连，所述空气压缩机用于给所述气瓶注入压缩空气。

所述炮筒水平放置，通过所述炮筒支撑架固定在所述工字梁上侧。所述炮筒的一端与所述快放阀固定连接。所述炮管9设置消音孔，所述消音孔位于远离所述快放阀的一端，即所述子弹射出的一端。

所述标定杆水平放置，通过所述标定杆支撑架固定在所述工字梁上侧。标定杆轴线与炮筒轴线为同一轴线。所述标定杆与所述炮筒不相接。所述应变片粘贴于所述标定杆外表面，位于所述标定杆的长度方向的中点，应变片敏感栅轴线与标定杆轴向平行。

所述子弹与所述炮筒相匹配，标定试验前，所述子弹位于所述炮筒内近所述快放阀的一端；标定试验时，所述快放阀打开，压缩空气进入所述炮筒，推动所述子弹运动，所述子弹从所述炮筒内射出，冲击所述标定杆。

待标定三维冲击力传感器水平放置，通过所述传感器支撑架、所述转接底板安装在所述工字梁上侧。待标定三维冲击力传感器轴线与标定杆轴线在水平面上为呈一定夹角，夹角为(-90°，90°)，即在-90°至90°范围内可调，所述夹角按标定试验要求确定。所述转接底板与所述工字梁固定连接，所述传感器支撑架可在所述转接底板上旋转并定位，所述待标定三维冲击力传感器安装在所述传感器支撑架上。

所述承载件与所述待标定三维冲击力传感器的承载端固定连接，即在远离传感器支撑架的一端与所述待标定三维冲击力传感器固定连接。所述承载件位于所述标定杆与所述待标定三维冲击力传感器之间，一端与待标定三维冲击力传感器的承载端固定连接，另一端与标定杆的远离炮筒的一端匹配接触，即所述承载件的承载端面21与所述标定杆的杆端面平行相接。

所述动态数据采集系统与所述应变片、所述待标定三维冲击力传感器分别通过所述信号线相连，采集所述应变片、所述待标定三维冲击力传感器的信号。

上述的同步标定装置，所述快放阀为手动阀，所述开关阀为手动球型气阀。

上述的同步标定装置，所述气瓶的容量不小于炮筒容积的5倍。

上述的同步标定装置，所述标定杆的材料为7075铝合金，包含杆主体、杆端垫片，所述杆端垫片粘接在所述杆主体近炮筒的一端。所述杆主体为长方体，横截面为正方形；所述杆端垫片为正方形板，横截面与杆主体相同且对应，厚度为横截面边长的1/3，用于牺牲保护所述杆主体，避免子弹对所述杆主体冲击造成的损伤。

上述的同步标定装置，在所述传感器支撑架为L型支架，整体结构，可分为水平面板、竖直面板，所述水平面板与所述竖直面板相互垂直，在所述水平面板与所述竖直面板的连接处设置圆弧过渡，以增加抗弯折强度。所述水平面板和所述垂直面板均为正方形板，其边长与所述工字梁上表面宽度相等。所述水平面板设置销钉孔，与所述转接底板上的销钉孔通过销钉配合，可调整所述传感器支撑架的位向，所述传感器支撑架可固定在所述转接底板上。所述待标定三维冲击力传感器安装于所述竖直面板上。

上述的同步标定装置，所述承载件材质为45号钢，整体结构，为长方体切除一边的剩余部分，切除面为承载端面21。所述承载端面21的法线方向与承载件轴向方向呈一定夹角，角度大小与标定杆轴线和待标定三维冲击力传感器轴线之间的夹角相等。

上述的同步标定装置，所述子弹的材质为45号钢。

一种用于高频响三维冲击力传感器的同步标定方法，具体步骤如下：

步骤1，安装待标定三维冲击力传感器

将所述待标定三维冲击力传感器安装于所述用于高频响三维冲击力传感器的同步标定装置上。

所述承载件固定在所述待标定三维冲击力传感器上，所述待标定三维冲击力传感器与所述连接动态数据采集系统相连接。

以安装后待标定三维冲击力传感器的敏感轴为坐标轴建立三维笛卡尔坐标系。

步骤2，气瓶充气

关闭所述快放阀，打开所述开关阀。

启动所述空气压缩机，向所述气瓶充气，所述气压表显示的气压值达到预定值后，关闭所述开关阀、所述空气压缩机。

步骤3，子弹冲击

打开所述快放阀，在所述气瓶内的压缩空气驱动下，所述子弹沿所述炮筒向所述标定杆方向运动，直至所述子弹与所述标定杆撞击。

步骤4，采集数据

在步骤3打开快放阀的同时，启动动态数据采集系统，动态数据采集系统实时采集应变片、待标定三维冲击力传感器的输出信号。

应变片的输出信号为子弹在标定杆中激励的应力波信号，包含入射波和反射波，入射波记为ε_i、反射波记为ε_r。

待标定三维冲击力传感器的输出信号为X轴、Y轴、Z轴的输出信号，分别记为U_x、U_y、U_z。选用U_x的峰值U_px，U_y的峰值U_py，U_z的峰值U_pz。

步骤5，求取输入载荷

输入载荷，即待标定三维冲击力传感器的输入载荷，包括待标定三维冲击力传感器在X轴、Y轴、Z轴的输入载荷。

标定杆在承载端面21上激励的冲击力载荷F的计算式如下：

F＝AE(ε_i+ε_r) (1)

式(1)中，A为标定杆的横截面面积，E为标定杆材质的弹性模量。

待标定三维冲击力传感器在X轴、Y轴、Z轴的输入载荷，即冲击力载荷F沿X轴、Y轴、Z轴的分量F_x、F_y、F_z计算式如下：

式(2)中，α为待标定三轴冲击力传感器15轴线与标定杆轴线的夹角，β为待标定三轴冲击力传感器15的X轴与标定杆轴线的夹角。

在式(2)中，F_x的峰值为F_px，F_y的峰值为F_py，F_z的峰值为F_pz。

步骤6，求取输入矩阵和输出矩阵

输入矩阵、输出矩阵是指，待标定三维冲击力传感器的输入矩阵F、输出矩阵U。

调整气瓶压缩气体的压力，重复步骤2-5，重复次数为n，n为大于等于3的自然数。

每次子弹冲击，得到一组冲击力载荷F的峰值。由数组冲击力载荷F的峰值构成输入矩阵F，如下式：

式(3)中，矩阵元素下标中的数字为重复步骤2-5的次数i，i＝1，2，…，n，矩阵的每一列分别表示第i次的X轴、Y轴、Z轴输入载荷的峰值F_pxi、F_pyi、F_pzi；矩阵的第一行表示n次的X轴输入载荷的峰值F_px1，F_px2，…，F_pxn，矩阵的第二行表示n次的Y轴输入载荷的峰值F_py1，F_py2，…，F_pyn，矩阵的第三行表示n次的Z轴输入载荷的峰值F_pz1，F_pz2，…，F_pzn。

待标定三轴冲击力传感器15的输出矩阵U按下式计算：

式(4)中，矩阵元素下标中的数字表示重复步骤2-5的次数i，i＝1，2，…，n，矩阵的每一列分别表示第i次重复步骤2-5动态数据采集系统采集得到的待标定三维冲击力传感器的X轴、Y轴、Z轴输出信号的峰值U_pxi、U_pyi、U_pzi；矩阵的第一行表示n次的X轴输出信号的峰值U_px1，U_px2，…，U_pxn，矩阵的第二行表示n次的Y轴输出信号的峰值U_py1，U_py2，…，U_pyn，矩阵的第三行表示n次的Z轴输出信号的峰值U_pz1，U_pz2，…，U_pzn。

步骤7，求取灵敏度系数

灵敏度系数即待标定三维冲击力传感器的灵敏度系数，包含各敏感轴的主灵敏度系数以及各敏感轴之间的耦合灵敏度系数。

待标定三维冲击力传感器的灵敏度矩阵S的计算如下：

S＝UF^T(FF^T)^-1 (5)

式(5)中，T为矩阵关系符号，表示矩阵的转置。

灵敏度矩阵S的分量形式如下：

式(6)中，等号右边矩阵的主对角元素S_xx、S_yy、S_zz分别表示待标定三维冲击力传感器的X轴、Y轴、Z轴的主灵敏度系数；非主对角元素S_xy、S_xz、S_yx、S_yz、S_zx、S_zy分别表示各敏感轴之间的耦合灵敏度系数，第一个下标表示信号输出轴，第二个下标表示载荷输入轴。

至此，得到待标定三维冲击力传感器的灵敏度系数。

本发明的有益效果是：

一种三维冲击力传感器同步标定装置。将Hopkinson杆中激励的一维弹性应力波基于矢量分解原理分解到空间三个坐标轴方向，可实现三维冲击力传感器各敏感轴的高幅值、窄脉宽同步冲击加载。而且，同步冲击载荷的幅值和脉宽可通过改变子弹的长度、加载端锥度、冲击速度等实现灵活的调节。本发明装置能够实现的最大加载幅值可达到10⁶N量级，甚至突破10⁷量级，同时，加载的脉宽可低至10^-2ms及以下。

一种三维冲击力传感器同步标定方法，考虑三维冲击力传感器各敏感轴主灵敏度系数的同时，考虑了各敏感轴之间的耦合灵敏度系数。将主灵敏度系数作为主对角元素，轴间耦合灵敏度系数作为非主对角元素，以矩阵的形式表示三维冲击力传感器的灵敏度。采用本发明中的三维冲击力传感器同步标定装置对三维冲击力传感器进行同步冲击加载，对传感器的输入、输出数据进行处理后，通过简单的矩阵线性运算即可实现三维冲击力传感器主灵敏度系数及轴间耦合灵敏度系数的标定。

本发明的推广和应用将进一步提升我国在传感器标定技术领域的水平。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1为本发明装置的正视图；

图2为本发明装置的俯视图；

图3为本发明装置的立体视图；

图4为待标定三维冲击力传感器在本发明装置上的装配图；

图5为本发明装置对待标定三维冲击力传感器进行同步加载的原理示意图。

图中：1.空气压缩机；2.气管；3.开关阀；4.气瓶；5.气压表；6.快放阀；7.底座；8.炮筒支撑架；9.炮筒；10.子弹；11.标定杆支撑架；12.动态数据采集系统；13.标定杆；14.承载件；15.待标定三维冲击力传感器；16.传感器支撑架；17.转接底板；18.工字梁；19.应变片；20.信号线；21.承载端面；22.地脚螺栓孔。

具体实施方式

实施例1

一种用于高频响三维冲击力传感器的同步标定装置，如图1-4所示，主要包括：空气压缩机1、气管2、开关阀3、气瓶4、气压表5、快放阀6、底座7、炮筒支撑架8、炮筒9、子弹10、标定杆支撑架11、动态数据采集系统12、标定杆13、承载件14、传感器支撑架16、转接底板17、工字梁18、应变片19、信号线20。

底座7共设置四个，四个底座7沿直线排开，固定于水平面上。

工字梁18横跨在四个底座7上，下表面与底座7上表面固定连接，固定后的工字梁18上表面水平。

快放阀6固定连接于工字梁18一端的上表面。快放阀6底面一半与工字梁18上表面相接，一半悬空。

气瓶4上端固定连接于快放阀6下表面悬空区域的中心处。

气压表5固定连接于气瓶4，与气瓶4内腔连通。

空气压缩机1位于底座7一侧。

开关阀3一端通过气管2与空气压缩机1连接，一端通过气管2与气瓶4内腔连接。

炮筒9一端固定连接于快放阀6朝向工字梁18一端的侧面，另一端悬空，炮筒9轴线与工字梁18轴线平行。

炮筒9由炮筒支撑架8支撑，炮筒支撑架8共设置两个，两个炮筒支撑架8沿工字梁18分布，与工字梁18上表面固定连接，并与工字梁18上表面垂直。炮筒9外表面和炮筒支架8内表面相接。

标定杆13与炮筒9同轴，位于炮筒9一侧，与炮筒9悬空的一端相邻。

标定杆13由标定杆支撑架11支撑，标定杆支撑架11共设置三个，三个标定杆支撑架11沿工字梁18分布，与工字梁18上表面固定连接，并与工字梁18上表面垂直。标定杆支撑架11内表面与标定杆13外表面相接。

转接底板17位于标定杆13远离炮筒9的一端下方，并与工字梁18上表面固定连接。

传感器支撑架16固定连接于转接底板17的上表面。

待标定三维冲击力传感器15固定连接于传感器支撑架16的竖直面板上。

承载件14固定连接于待标定三维冲击力传感器15的承载端，承载件14的承载端面21与标定杆13的杆端面平行相接。过承载端面21中心的法线与标定杆13轴线重合，待标定三维冲击力传感器15的轴线与标定杆13轴线或过承载端面21中心的法线呈一定夹角。

子弹10与炮筒9和标定杆13同轴，冲击前，子弹10外表面与炮筒9内表面相接，位于炮筒9与快放阀6的连接处；冲击后，子弹10发射出炮筒9，与标定杆13靠近炮筒9一端的端面共轴撞击。

应变片19粘贴于标定杆13中点附近的外表面，应变片19敏感栅轴线与标定杆13轴向平行。

动态数据采集系统12位于底座7一侧，应变片19、待标定三维冲击力传感器15分别通过信号线20与动态数据采集系统12相连，由动态数据采集系统12对冲击过程中应变片19和待标定三维冲击力传感器15产生的信号进行采集和记录。

所述底座7包含一块底板、一块顶板和两块侧板，底板、顶板、侧板均为长方形板结构，材质均为45#高强钢，各板之间固定连接，顶板、底板相互平行，两侧板相互平行。底板短边对应的两侧开有地脚螺栓孔22，用于底座7的固定。

所述工字梁18为结构钢梁，截面呈中心对称“工”字型，上、下表面平面且相互平行。

所述快放阀6为手动阀，可通过手动控制快速实现进气口与出气口之间的连通与隔断。快放阀6的进气口位于底面，出气口位于侧面，开关手柄位于与出气口相对的侧面。

所述气瓶4，容量不小于炮筒9内积的5倍，额定工作气压不低于空气压缩机1最大输出压力的1.2倍。

所述气压表5为机械式气压表，量程可覆盖气瓶4的安全压力范围。

所述空气压缩机1为市售工业用空气压缩机。

所述开关阀3为手动球型气阀。

所述炮筒9为内壁光滑的管结构，材质为45#高强钢，炮管9子弹10射出的一端开有消音孔。

所述标定杆13包含杆主体和杆端垫片，杆主体为截面为正方形的长直7075铝合金杆。杆端垫片材料和截面尺寸均与杆主体相同，长度为杆截面边长的1/3，杆端垫片可视为标定杆13杆端沿截面切割得到的薄片。杆端垫片通过二硫化钼粘附于标定杆13与炮筒9相邻的杆端，用于保护杆主体免受子弹10冲击造成的端面损伤。

所述转接底板17可分为三段，中间段为半圆形板，两侧段为长方形板。两侧长方形板的宽度、中间半圆板的半径均与所述工字梁18上表面的宽度相同。中间半圆板的圆心处开有销钉孔。

所述传感器支撑架16为L型支架，可分为相互垂直的水平面板和竖直面板。水平面板与竖直面板的连接处设置有圆弧过渡，以增加抗弯折强度。水平面板和垂直面板均为正方形板结构，其边长均与所述工字梁18上表面宽度相等。水平面板上开有销钉孔，与所述转接底板17上的销钉孔通过销钉配合，使得传感器支撑架16可在转接底板17上旋转。旋转到位后，传感器支撑架16可固定在转接底板17上。待标定三维冲击力传感器15安装于传感器支撑架的16竖直面板上。

所述承载件14材质为45#高强钢，其上加工有一承载端面21。承载端面21法线方向与承载件14轴向方向呈一定夹角，角度大小与标定杆13轴线和待标定三维冲击力传感器15轴线之间的夹角相等。使得承载件14一端可与待标定三维冲击力传感器15同轴固定连接，同时承载端面21与标定杆杆端平行接触。

所述子弹10为一端带有一定锥度的实心圆柱体弹丸，材质为45#钢，子弹10带有锥度的一端朝向标定杆13。

所述应变片19灵敏度系数为已知量。

所述动态数据采集系统12包括桥盒、超动态应变仪、高速数据采集卡、计算机。应变片19、待标定三维冲击力传感器15分别与桥盒相连，桥盒和超动态应变仪相连，超动态应变仪和高速数据采集卡相连，高速数据采集卡和计算机相连。

一种用于高频响三维冲击力传感器的同步标定方法，具体步骤如下：

步骤1，安装待标定三维冲击力传感器15

将待标定三维冲击力传感器15固定安装于本发明的三维冲击力传感器同步标定装置上，与传感器支撑架16的竖直面板固定连接，并通过信号线20与动态数据采集系统12连接。以安装后待标定三维冲击力传感器15的轴线为中心建立三维坐标系，如图5所示，X、Y、Z分别表示待标定三维冲击力传感器15的敏感轴及方向，Z轴与待标定三维冲击力传感器15的轴线重合。F为标定杆13在承载端面21上激励的冲击力载荷，F的方向沿承载端面21的中心法线方向或标定杆13的轴线方向。根据矢量分解原理，F可分解为沿待标定三轴冲击力传感器15轴线的法向分量F_n和沿待标定三维冲击力传感器15端面的切向分量F_t，F_n和F_t均位于水平面。F_t又可进一步分解为沿待标定三维冲击力传感器15X轴的分量F_x和沿Y轴的分量F_y，而沿待标定三维冲击力传感器15Z轴的分量与F沿待标定三轴冲击力传感器15轴线的法向分量F_n相等。α为待标定三维冲击力传感器15Z轴或待标定三轴冲击力传感器15轴线相对标定杆13轴线的偏转角度，β为待标定三轴冲击力传感器15X轴相对水平面的偏转角度。

步骤2，气瓶4充气

关闭快放阀6，打开开关阀3，启动空气压缩机1。空气压缩机1向气瓶4充气，气压表5实时显示气瓶4内的气压值，到气压值达到预定值后，关闭开关阀3，关闭空气压缩机1，气瓶4中储存了预定压力的高压空气。

步骤3，子弹10冲击

打开快放阀6，气瓶4与炮筒9迅速连通，气瓶4中的高压空气驱动位于炮筒9内与快放阀连接处的子弹10加速沿炮筒9运动，直至子弹10与标定杆13杆端垫片共轴撞击后结束。

步骤4，数据采集

从步骤3打开快放阀6开始，动态数据采集系统12启动并对开始对应变片19和待标定三维冲击力传感器15X轴、Y轴、Z轴的输出信号进行采集。应变片19的输出信号为子弹10在标定杆13中激励的应力波信号，包含入射波和反射波，入射波记为ε_i、反射波记为ε_r。待标定三维冲击力传感器15X轴、Y轴、Z轴的输出信号，分别记为U_x、U_y、U_z。选用U_x的峰值U_px，U_y的峰值U_py，U_z的峰值U_pz。

步骤5，求取待标定三维冲击力传感器15各轴的输入载荷

根据一维弹性应力波理论，标定杆13在承载端面21上激励的冲击力载荷的计算式如下：

F＝AE(ε_i+ε_r) (1)

式(1)中，A为标定杆13的截面积，E为标定杆13材质的弹性模量。根据矢量分解原理，如图5，待标定三维冲击力传感器15X轴、Y轴、Z轴的输入载荷，即F沿X轴、Y轴、Z轴的分量F_x、F_y、F_z计算式如下：

选用F_x的峰值F_px，F_y的峰值F_py，F_z的峰值F_pz。

步骤6，求取待标定三维冲击力传感器15的输入矩阵F和输出矩阵U

改变气瓶4的预定压力，重复步骤2-5，重复次数为n，重复次数至少为3次，即n为大于等于3的自然数。

得到待标定三轴冲击力传感器15的输入矩阵，记为F，F按下式计算：

式(3)中，矩阵元素下标中的数字表示重复步骤2-5的次数i，i＝1,2,…,n，矩阵的每一列分别表示第i次重复步骤2-5得到的待标定三维冲击力传感器15X轴、Y轴、Z轴输入载荷的峰值F_pxi、F_pyi、F_pzi；矩阵的第一行表示n次重复步骤2-5得到的待标定三维冲击力传感器15X轴输入载荷的峰值F_px1～F_pxn，矩阵的第二行表示n次重复步骤2-5得到的待标定三维冲击力传感器15Y轴输入载荷的峰值F_py1～F_pyn，矩阵的第三行表示n次重复步骤2-5得到的待标定三维冲击力传感器15Z轴输入载荷的峰值F_pz1～F_pzn。

得到待标定三轴冲击力传感器15的输出矩阵，记为U，U按下式计算：

式(4)中，矩阵元素下标中的数字表示重复步骤2-5的次数i，i＝1,2,…,n，矩阵的每一列分别表示第i次重复步骤2-5得到的待标定三维冲击力传感器15X轴、Y轴、Z轴输出信号的峰值U_pxi、U_pyi、U_pzi；矩阵的第一行表示n次重复步骤2-5得到的待标定三维冲击力传感器15X轴输出信号的峰值U_px1～U_pxn，矩阵的第二行表示n次重复步骤2-5得到的待标定三维冲击力传感器15Y轴输出信号的峰值U_py1～U_pyn，矩阵的第三行表示n次重复步骤2-5得到的待标定三维冲击力传感器15Z轴输出信号的峰值U_pz1～U_pzn。

步骤7，求取待标定三维冲击力传感器15的灵敏度矩阵S

多维冲击力传感器的灵敏度系数包含各敏感轴的主灵敏度系数以及各敏感轴之间的耦合灵敏度系数。待标定三维冲击力传感器15的灵敏度矩阵记为S，S的计算式如下：

S＝UF^T(FF^T)^-1 (5)

式(5)中，T为矩阵关系符号，表示矩阵的转置。

灵敏度矩阵S的分量形式如下：

式(6)中，矩阵主对角元素S_xx、S_yy、S_zz分别表示待标定三维冲击力传感器15X轴、Y轴、Z轴的主灵敏度系数；非主对角元素S_xy、S_xz、S_yx、S_yz、S_zx、S_zy分别表示各敏感轴之间的耦合灵敏度系数，其中，第一个下标表示信号输出轴，第二个下标表示载荷输入轴；T为矩阵关系符号，表示矩阵的转置。

至此，得到了待标定三维冲击力传感器15的灵敏度系数。

Claims (8)

1.一种用于高频响三维冲击力传感器的同步标定装置，其特征在于主要包括空气压缩机(1)、气管(2)、开关阀(3)、气瓶(4)、气压表(5)、快放阀(6)、底座(7)、炮筒支撑架(8)、炮筒(9)、子弹(10)、标定杆支撑架(11)、动态数据采集系统(12)、标定杆(13)、承载件(14)、传感器支撑架(16)、转接底板(17)、工字梁(18)、应变片(19)、信号线(20)；

所述底座(7)共设置4个，4个底座(7)沿直线排开，固定于水平地面上；所述工字梁(18)水平放置，位于所述底座(7)上，与所述底座(7)固定连接；

所述快放阀(6)位于所述工字梁(18)端部的上侧，与所述工字梁(18)固定连接，所述快放阀(6)底面一半与所述工字梁(18)上表面相接，底面的另一半悬空；所述气瓶(4)位于快放阀(6)悬空部位的下侧，与所述快放阀(6)固定连接；所述气压表(5)与所述气瓶(4)连通，用于测量所述气瓶(4)的气压；所述空气压缩机(1)、所述气管(2)、所述开关阀(3)、所述气管(2)、所述气瓶(4)依次相连，所述空气压缩机(1)用于给所述气瓶(4)注入压缩空气；

所述炮筒(9)水平放置，通过所述炮筒支撑架(8)固定在所述工字梁(18)上侧；所述炮筒(9)的一端与所述快放阀(6)固定连接；所述炮管9设置消音孔，所述消音孔位于远离所述快放阀(6)的一端，即所述子弹(10)射出的一端；

所述标定杆(13)水平放置，通过所述标定杆支撑架(11)固定在所述工字梁(18)上侧；标定杆(13)轴线与炮筒(9)轴线为同一轴线；所述标定杆(13)与所述炮筒(9)不相接；所述应变片(19)粘贴于所述标定杆(13)外表面，位于所述标定杆(13)的长度方向的中点，应变片(19)敏感栅轴线与标定杆(13)轴向平行；

所述子弹(10)与所述炮筒(9)相匹配，标定试验前，所述子弹(10)位于所述炮筒(9)内近所述快放阀(6)的一端；标定试验时，所述快放阀(6)打开，压缩空气进入所述炮筒(9)，推动所述子弹(10)运动，所述子弹(10)从所述炮筒(9)内射出，冲击所述标定杆(13)；

待标定三维冲击力传感器(15)水平放置，通过所述传感器支撑架(16)、所述转接底板(17)安装在所述工字梁(18)上侧；待标定三维冲击力传感器(15)轴线与标定杆(13)轴线在水平面上为呈一定夹角，夹角为(-90°，90°)，即在-90°至90°范围内可调，所述夹角按标定试验要求确定；所述转接底板(17)与所述工字梁(18)固定连接，所述传感器支撑架(16)可在所述转接底板(17)上旋转并定位，所述待标定三维冲击力传感器(15)安装在所述传感器支撑架(16)上；

所述承载件(14)与所述待标定三维冲击力传感器(15)的承载端固定连接，即在远离传感器支撑架(16)的一端与所述待标定三维冲击力传感器(15)固定连接；所述承载件(14)位于所述标定杆(13)与所述待标定三维冲击力传感器(15)之间，一端与待标定三维冲击力传感器(15)的承载端固定连接，另一端与标定杆(13)的远离炮筒(9)的一端匹配接触，即所述承载件(14)的承载端面21与所述标定杆(13)的杆端面平行相接；

所述动态数据采集系统(12)与所述应变片(19)、所述待标定三维冲击力传感器(15)分别通过所述信号线(20)相连，采集所述应变片(19)、所述待标定三维冲击力传感器(15)的信号。

2.如权利要求1所述的用于高频响三维冲击力传感器的同步标定装置，其特征在于，所述快放阀(6)为手动阀，所述开关阀(3)为手动球型气阀。

3.如权利要求1所述的用于高频响三维冲击力传感器的同步标定装置，其特征在于，所述气瓶(4)的容量不小于炮筒(9)容积的5倍。

4.如权利要求1所述的用于高频响三维冲击力传感器的同步标定装置，其特征在于，所述标定杆(13)的材料为7075铝合金，包含杆主体、杆端垫片，所述杆端垫片粘接在所述杆主体近炮筒(9)的一端；所述杆主体为长方体，横截面为正方形；所述杆端垫片为正方形板，横截面与杆主体相同且对应，厚度为横截面边长的1/3，用于牺牲保护所述杆主体，避免子弹(10)对所述杆主体冲击造成的损伤。

5.如权利要求1所述的用于高频响三维冲击力传感器的同步标定装置，其特征在于，所述传感器支撑架(16)为L型支架，整体结构，可分为水平面板、竖直面板，所述水平面板与所述竖直面板相互垂直，在所述水平面板与所述竖直面板的连接处设置圆弧过渡，以增加抗弯折强度；所述水平面板和所述垂直面板均为正方形板，其边长与所述工字梁(18)上表面宽度相等；所述水平面板设置销钉孔，与所述转接底板(17)上的销钉孔通过销钉配合，可调整所述传感器支撑架(16)的位向，所述传感器支撑架(16)可固定在所述转接底板(17)上；所述待标定三维冲击力传感器(15)安装于所述竖直面板上。

6.如权利要求1所述的用于高频响三维冲击力传感器的同步标定装置，其特征在于，所述承载件(14)材质为45号钢，整体结构，为长方体切除一边的剩余部分，切除面为承载端面21；所述承载端面21的法线方向与承载件(14)轴向方向呈一定夹角，角度大小与标定杆(13)轴线和待标定三维冲击力传感器(15)轴线之间的夹角相等。

7.如权利要求1所述的用于高频响三维冲击力传感器的同步标定装置，其特征在于，所述子弹(10)的材质为45号钢。

8.一种使用如权利要求1至7中任一项所述的用于高频响三维冲击力传感器的同步标定装置实施同步标定的方法，其特征在于，具体步骤如下：

步骤1，安装待标定三维冲击力传感器(15)

将所述待标定三维冲击力传感器(15)安装于所述用于高频响三维冲击力传感器的同步标定装置上；

所述承载件(14)固定在所述待标定三维冲击力传感器(15)上，所述待标定三维冲击力传感器(15)与所述连接动态数据采集系统(12)相连接；

以安装后待标定三维冲击力传感器(15)的敏感轴为坐标轴建立三维笛卡尔坐标系；

步骤2，气瓶(4)充气

关闭所述快放阀(6)，打开所述开关阀(3)；

启动所述空气压缩机(1)，向所述气瓶(4)充气，所述气压表(5)显示的气压值达到预定值后，关闭所述开关阀(3)、所述空气压缩机(1)；

步骤3，子弹(10)冲击

打开所述快放阀(6)，在所述气瓶(4)内的压缩空气驱动下，所述子弹(10)沿所述炮筒(9)向所述标定杆(13)方向运动，直至所述子弹(10)与所述标定杆(13)撞击；

步骤4，采集数据

在步骤3打开快放阀(6)的同时，启动动态数据采集系统(12)，动态数据采集系统(12)实时采集应变片(19)、待标定三维冲击力传感器(15)的输出信号；应变片(19)的输出信号为子弹(10)在标定杆(13)中激励的应力波信号，包含入射波和反射波，入射波记为ε_i、反射波记为ε_r；

待标定三维冲击力传感器(15)的输出信号为X轴、Y轴、Z轴的输出信号，分别记为U_x、U_y、U_z；选用U_x的峰值U_px，U_y的峰值U_py，U_z的峰值U_pz；

步骤5，求取输入载荷

输入载荷，即待标定三维冲击力传感器(15)的输入载荷，包括待标定三维冲击力传感器(15)在X轴、Y轴、Z轴的输入载荷；

标定杆(13)在承载端面21上激励的冲击力载荷F的计算式如下：

F＝AE(ε_i+ε_r) (1)

式(1)中，A为标定杆(13)的横截面面积，E为标定杆(13)材质的弹性模量；

待标定三维冲击力传感器(15)在X轴、Y轴、Z轴的输入载荷，即冲击力载荷F沿X轴、Y轴、Z轴的分量F_x、F_y、F_z计算式如下：

式(2)中，α为待标定三轴冲击力传感器15轴线与标定杆(13)轴线的夹角，β为待标定三轴冲击力传感器15的X轴与标定杆(13)轴线的夹角；

在式(2)中，F_x的峰值为F_px，F_y的峰值为F_py，F_z的峰值为F_pz；

步骤6，求取输入矩阵和输出矩阵

输入矩阵、输出矩阵是指，待标定三维冲击力传感器(15)的输入矩阵F、输出矩阵U；

调整气瓶(4)压缩气体的压力，重复步骤2-5，重复次数为n，n为大于等于3的自然数；

每次子弹(10)冲击，得到一组冲击力载荷F的峰值；由数组冲击力载荷F的峰值构成输入矩阵F，如下式：

式(3)中，矩阵元素下标中的数字为重复步骤2-5的次数i，i＝1，2，…，n，矩阵的每一列分别表示第i次的X轴、Y轴、Z轴输入载荷的峰值F_pxi、F_pyi、F_pzi；矩阵的第一行表示n次的X轴输入载荷的峰值F_px1，F_px2，…，F_pxn，矩阵的第二行表示n次的Y轴输入载荷的峰值F_py1，F_py2，…，F_pyn，矩阵的第^三行表示n次的Z轴输入载荷的峰值F_pz1，F_pz2，…，F_pzn；

待标定三轴冲击力传感器15的输出矩阵U按下式计算：

式(4)中，矩阵元素下标中的数字表示重复步骤2-5的次数i，i＝1，2，…，n，矩阵的每一列分别表示第i次重复步骤2-5动态数据采集系统(12)采集得到的待标定三维冲击力传感器(15)的X轴、Y轴、Z轴输出信号的峰值U_pxi、U_pyi、U_pzi；矩阵的第一行表示n次的X轴输出信号的峰值U_px1，U_px2，…，U_pxn，矩阵的第二行表示n次的Y轴输出信号的峰值U_py1，U_py2，…，U_pyn，矩阵的第三行表示n次的Z轴输出信号的峰值U_pz1，U_pz2，…，U_pzn；

步骤7，求取灵敏度系数

灵敏度系数即待标定三维冲击力传感器(15)的灵敏度系数，包含各敏感轴的主灵敏度系数以及各敏感轴之间的耦合灵敏度系数；

待标定三维冲击力传感器(15)的灵敏度矩阵S的计算如下：

S＝UF^T(FF^T)^-1 (5)

式(5)中，T为矩阵关系符号，表示矩阵的转置；

灵敏度矩阵S的分量形式如下：

式(6)中，等号右边矩阵的主对角元素S_xx、S_yy、S_zz分别表示待标定三维冲击力传感器(15)的X轴、Y轴、Z轴的主灵敏度系数；非主对角元素S_xy、S_xz、S_yx、S_yz、S_zx、S_zy分别表示各敏感轴之间的耦合灵敏度系数，第一个下标表示信号输出轴，第二个下标表示载荷输入轴；

至此，得到待标定三维冲击力传感器(15)的灵敏度系数。

Images