CN115979508A - 一种多轴动态力传感器同步冲击校准方法与装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种多轴动态力传感器同步冲击校准方法及装置，本发明装置主要包括：导向柱、滑轮、气缸、加速度计、钢丝绳、提升块、压头、底座、承载工装、安装座、刹车机构、挡块、拉线式编码器、落锤、固定桩、空气压缩机、动态数据采集系统。本发明方法包括安装待标定多轴动态力传感器、安装承载工装、提升落锤、跌落冲击、采集数据、求取各敏感轴的输入冲击力载荷、求取输入矩阵和输出矩阵、计算待标定多轴动态力传感器的灵敏度系数的步骤。本发明装置可以在较宽范围内实现对不同量程、不同频响多轴动态力传感器的同步冲击校准；本发明方法实现了对多轴动态力传感器主灵敏度系数及轴间耦合灵敏度系数的同步冲击校准。
Description
技术领域
本发明属于传感器校准技术领域，具体是一种多轴动态力传感器同步冲击校准方法与装置。
背景技术
承载结构在服役过程中所承受的动态载荷是对其进行可靠性设计与强度校核的重要参考和依据。实际工程中，通常采用动态力传感器对结构的动态载荷进行测量。特别是对于三轴动态力传感器，因其可沿三个坐标轴方向同时测量动态载荷而具有相对更大的应用价值和需求。
在应用三轴动态力传感器测量空间三维动态载荷之前，须先对其灵敏度系数进行校准。三轴动态力传感器的校准相对单轴动态力传感器以及三轴静态力传感器更加困难，主要体现在三轴动态力传感器校准所需要的载荷对同步性有要求，即要求校准所需要的载荷不仅为可被准确计量的动态载荷，还要求沿不同轴向的动态载荷在时间上保持同步。对于脉宽仅为毫秒或亚秒级的冲击载荷而言，要实现其三轴同步激励具有一定的技术难度。
目前，能够实现力传感器三轴或多轴同步校准的方法和装置主要是针对静态力传感器。例如，专利CN202133503U公开了一种基于砝码静力加载的微型三维力传感器校准装置，而且该装置只能对三轴力传感器的各敏感轴进行依次校准，而无法进行同步校准。专利CN106153248A公开了一种基于砝码静力加载的高精度三轴力传感器校准装置，相对专利CN202133503U，专利CN106153248A的改进之处在于可实现三轴力传感器的同步校准。专利CN114088289A、专利CN114279631A分别公开了一种基于矢量分解原理的三轴静态力传感器同步校准装置，不同的是专利CN114088289A公开的校准装置中静态载荷由推力计施加，而专利CN114279631A公开的装置中静态载荷由砝码施加。上述三轴力传感器校准装置只能适用于静态力传感器，而无法适用于动态力传感器，主要原因为上述装置只能激励同步的静态载荷，对于动态力传感器校准所需的同步动态载荷则无法激励。
事实上，实现动态力传感器校准的理想载荷应为冲击载荷。一方面，动态力传感器多为压电型传感器，其本身无法对静态载荷进行有效感知和测量；另一方面，冲击载荷脉宽较窄，所覆盖的频带较宽，当冲击载荷的频带范围包含传感器的频响范围时，即可实现动态力传感器全频域范围内的校准。专利CN205981543U公开了一种基于伺服驱动加载的三轴力传感器动态响应校准装置。专利CN108645562B公开了一种基于三轴Hopkinson杆的三轴动态力传感器的校准装置。然而，受制于伺服驱动能力的限制，专利CN205981543U公开的装置无法激励高频的动态载荷，因此很难实现动态力传感器全频域范围内的校准。专利CN108645562B公开的装置则要求待校准三轴动态力传感器的各敏感轴均与一弹性基座的内表面连接，这与目前广泛采用的三轴动态力传感器的封装方式与使用模式并不适配，因此很难在实际工程中得以应用。
综上，现有多轴力传感器校准方法和装置难以实现多轴动态力传感器准确、有效的校准，尤其是对于频响较高的多轴动态力传感器。造成这一技术问题或不足的主要原因是现有方法和装置无法沿多个坐标轴方向激励同步的宽频带冲击载荷，从而无法实现多轴动态力传感器的同步加载和和同步冲击标定。
发明内容
为了克服现有力传感器校准方法和装置存在的无法沿多个坐标轴方向激励同步冲击载荷进而无法实现多轴动态力传感器同步冲击加载和同步冲击标定的技术问题和不足，本发明基于落锤和矢量分解原理提出了一种可实现多轴动态力传感器同步冲击加载和同步冲击标定的方法和装置。
本发明解决其技术问题采用的技术方案是：
一种多轴动态力传感器同步冲击校准装置，主要包括：导向柱、滑轮、气缸、加速度计、钢丝绳、提升块、压头、底座、承载工装、安装座、刹车机构、挡块、拉线式编码器、落锤、固定桩、空气压缩机、动态数据采集系统。
所述底座水平安装，上表面水平，固定于水平地面上，为校准装置的基础。
所述导向柱位于所述底座上侧，竖直放置，长度方向与所述底座上表面垂直，与所述底座固定连接。所述导向柱设置2根。
所述气缸位于所述底座上侧，竖直放置，长度方向与所述底座上表面垂直，与所述底座固定连接。所述气缸有2个，对称设置于所述导向柱的外侧。
所述固定桩位于所述底座上侧，与所述底座固定连接，所述固定桩有2个，对称设置于所述气缸的外侧。所述滑轮位于所述气缸的上端，与所述气缸固定连接，对称设置。
所述刹车机构与所述落锤固定连接，位于所述导向柱与所述落锤之间，所述刹车机构的内表面与所述导向柱的外表面相接触，可以形成摩擦阻力，用于定位所述落锤的位置、或者限制所述落锤沿所述导向柱的自由度。所述落锤位于2根导向柱之间。所述挡块与所述刹车机构固定连接。
所述钢丝绳的一端与所述提升块连接，另一端与所述固定桩连接。所述钢丝绳自固定桩一端，绕过所述滑轮，穿过所述挡块的中心孔至所述提升块。当所述气缸推动所述滑轮向上移动时，在所述钢丝绳的作用下，所述提升块向上移动，可带动所述挡块、所述刹车机构、所述落锤一起向上移动。
所述拉线式编码器位于所述底座上侧、所述提升块上侧，与所述底座固定连接，所述拉线式编码器的编码器拉伸线与所述提升块相连。当所述编码器拉伸线处于拉伸状态时，编码器拉伸线中心线与所述滑轮至所述提升块之间的钢丝绳的中心线重合。
所述加速度计位于所述落锤上侧中心处，与所述落锤胶粘连接。所述压头位于所述落锤下侧中心处，与所述落锤固定连接，所述压头表面为半球面，材质为硅橡胶。所述安装座位于所述底座上侧、所述落锤下侧，与所述底座固定连接。
校准时，待标定多轴动态力传感器安装在所述安装座的安装座斜面上。
所述承载工装固定于待标定多轴动态力传感器的载荷接收端，所述承载工装的承载端面为水平面，所述承载工装的承载端面的中心点位于压头中心点的重垂线上。
所述空气压缩机与所述气缸、所述刹车机构相接，用于给所述气缸、所述刹车机构提供压力。所述动态数据采集系统通过信号线与所述加速度计连接。
上述的多轴动态力传感器同步冲击校准装置，所述刹车机构为气压碟刹刹车机构。
上述的多轴动态力传感器同步冲击校准装置，所述拉线式编码器包含编码器拉伸线、转子、数字式显示表。编码器拉伸线一端缠绕于转子，一端固定于所述提升块的下表面中心处。转子连接于数字式显示表，数字式显示表可显示编码器拉伸线向外拉伸的长度值，拉线式编码器的量程不小于导向柱的长度。
上述的多轴动态力传感器同步冲击校准装置，所述动态数据采集系统至少包含4个通道。
一种多轴动态力传感器同步冲击校准方法，具体步骤如下：
步骤1，安装待标定多轴动态力传感器
将待标定多轴动态力传感器安装于安装座斜面中心处，以待标定多轴动态力传感器的敏感轴为坐标轴，建立坐标系。将待标定多轴动态力传感器的敏感轴信号输出通道与动态数据采集系统连接。
步骤2，安装承载工装
将承载工装固定于待标定多轴动态力传感器的载荷接收端，并使承载端面为水平面。
步骤3，提升落锤
刹车机构与空气压缩机之间断开，刹车机构处于非刹车状态。正向接通气缸与空气压缩机，由空气压缩机对气缸正向充气。气缸带动提升块向上提升落锤，落锤的上升高度由拉线式编码器测量并显示。当落锤上升至预定高度处时，将刹车机构与空气压缩机接通，刹车机构刹车，将落锤抱死在导向柱的预定高度处。
步骤4，跌落冲击
由正向接通气缸与空气压缩机，切换为反向接通气缸与空气压缩机，由空气压缩机对气缸反向充气，直至提升块回落至底面与底座上端面接触。断开刹车机构与空气压缩机之间的连接，刹车机构松开，落锤连同加速度计、压头、刹车机构、挡块一起沿导向柱自由滑落，直至压头与承载工装之间发生碰撞，跌落冲击结束。
步骤5，采集数据
自步骤3断开刹车机构与空气压缩机之间的连接，刹车机构松开开始，动态数据采集系统采集加速度计和待标定多轴动态力传感器敏感轴的输出信号，直至跌落冲击结束为止。
选用采集的加速度计的输出信号的峰值为Ua、待标定多轴动态力传感器敏感轴的输出信号的峰值。
步骤6，求取待标定多轴动态力传感器各敏感轴的输入冲击力载荷
落锤的质量记为m1、压头的质量记为m2、加速度计的质量记为m3、刹车机构的质量记为m4、挡块的质量记为m5，加速度计的灵敏度系数记为Sa，落锤施加于承载端面上的冲击力载荷为F，冲击力载荷计算式如下：
F＝UaSam1+m2+m3+m4+m5(1)
待标定多轴动态力传感器各敏感轴的输出冲击力载荷即为敏感轴的输入冲击力载荷。
步骤7，求取待标定多轴动态力传感器的输入矩阵和输出矩阵
重复步骤3-6，每次均得到待标定多轴动态力传感器敏感轴的输出信号峰值，以及冲击力载荷。
待标定多轴动态力传感器记录的敏感轴对应的冲击力载荷组成输入矩阵，加速度计记录的敏感轴对应的输出信号峰值组成输出矩阵。
步骤8，计算待标定多轴动态力传感器的灵敏度系数
灵敏度系数包含主灵敏度系数和轴间耦合灵敏度系数。
待标定多轴动态力传感器的灵敏度系数矩阵由待标定多轴动态力传感器的输入矩阵和输出矩阵计算得出。
至此，得到待标定多轴动态力传感器的灵敏度系数。
上述的多轴动态力传感器同步冲击校准方法，当所述待标定多轴动态力传感器为双轴动态力传感器时，进一步包括：
步骤1，安装待标定多轴动态力传感器
以待标定多轴动态力传感器的敏感轴X、Y作为坐标轴，建立X-Y平面坐标系，敏感轴Y垂直于安装座斜面，敏感轴X平行于安装座斜面，敏感轴Y相对竖直方向的夹角为α，即安装座斜面相对水平面的夹角为α。将待标定多轴动态力传感器的敏感轴X、敏感轴Y信号输出通道与动态数据采集系统连接。
步骤5，采集数据
选用动态数据采集系统采集到的加速度计的输出信号的峰值、待标定多轴动态力传感器敏感轴X和敏感轴Y的输出信号的峰值。将加速度计输出信号的峰值记为Ua，待标定多轴动态力传感器敏感轴X、敏感轴Y输出信号的峰值分别记为Ux、Uy。
步骤6，求取待标定多轴动态力传感器各敏感轴的输入冲击力载荷
待标定多轴动态力传感器各敏感轴的输出冲击力载荷即为敏感轴X、敏感轴Y的输入冲击力载荷，分别记为Fx、Fy，计算式如下：
步骤7，求取待标定多轴动态力传感器的输入矩阵和输出矩阵
重复次数为n，n大于或等于2次，得到n组待标定多轴动态力传感器敏感轴X、敏感轴Y的输出信号峰值，以及n组敏感轴X、敏感轴Y的输入冲击力载荷。
待标定多轴动态力传感器的输入矩阵M，按下式计算：
式(3)中，输入冲击力载荷下标中数字表示第n次重复步骤3-6，输入矩阵M的第n列为待标定多轴动态力传感器敏感轴X、敏感轴Y第n次的输入冲击力载荷，第一行、第二行分别为待校准动态力传感器敏感轴X、敏感轴Y的输入冲击力载荷。
待校准多轴动态力传感器3的输出矩阵U，按下式计算：
式(4)中，输出信号的峰值的下标中数字表示第n次重复步骤3-6，输出矩阵U的第n列为待标定多轴动态力传感器敏感轴X、敏感轴Y第n次的输出信号的峰值，第一行、第二行分别为待校准动态力传感器敏感轴X、敏感轴Y的输出信号的峰值。
步骤8，计算待标定多轴动态力传感器的灵敏度系数：
待标定多轴动态力传感器的灵敏度系数矩阵为记为S2，S2的计算公式如下：
S2＝UMT(MMT)-1 (5)
式(5)中，T为矩阵关系符号，表示矩阵转置。
由式(5)得到灵敏度系数矩阵S2，灵敏度系数矩阵S2主对角线上的元素为待标定多轴动态力传感器的主灵敏度系数，其余元素为待标定多轴动态力传感器的轴间耦合灵敏度系数。
上述的多轴动态力传感器同步冲击校准方法，当所述待标定多轴动态力传感器为三轴动态力传感器时，进一步包括：
步骤1，安装待标定多轴动态力传感器
以待标定多轴动态力传感器的敏感轴x、敏感轴y、敏感轴z作为坐标轴建立三维坐标系，敏感轴z垂直于安装座斜面，敏感轴x、敏感轴y平行于安装座斜面，安装座斜面相对水平面的夹角为α，即敏感轴z相对竖直方向的夹角为α，敏感轴x相对安装座斜面纵向中心线的夹角为β。
步骤5，采集数据
选用动态数据采集系统采集到的加速度计的输出信号的峰值、待标定多轴动态力传感器敏感轴x、敏感轴y、敏感轴z的输出信号的峰值。将加速度计输出信号的峰值记为Ua，待标定多轴动态力传感器敏感轴x、敏感轴y、敏感轴z输出信号的峰值分别记为Qx、Qy、Qz。
步骤6，求取待标定多轴动态力传感器各敏感轴的输入冲击力载荷
待标定多轴动态力传感器各敏感轴的输出冲击力载荷，即敏感轴x、敏感轴y、敏感轴z的输入冲击力载荷，分别记为Lx、Ly、Lz，计算式如下：
步骤7，求取待标定多轴动态力传感器的输入矩阵和输出矩阵
重复步骤3-6，重复次数为m，m大于或等于3次，得到m组待标定多轴动态力传感器敏感轴x、敏感轴y、敏感轴z的输出信号的峰值，以及m组敏感轴x、敏感轴y、敏感轴z的输入冲击力载荷。
待标定多轴动态力传感器的输入矩阵N，按下式计算：
式(3)中，输入冲击力载荷下标中数字表示第m次重复步骤3-6，输入矩阵N的第m列为待标定多轴动态力传感器敏感轴x、敏感轴y、敏感轴z第m次的输入冲击力载荷，第一行、第二行、第三行分别为待标定多轴动态力传感器敏感轴x、敏感轴y、敏感轴z的输入冲击力载荷。
待校准多轴动态力传感器3的输出矩阵Q，按下式计算：
式(8)中，输出信号的峰值的下标中数字表示第m次重复步骤3-6，输出矩阵Q的第m列为待标定多轴动态力传感器敏感轴x、敏感轴y、敏感轴z第m次的输出信号的峰值，第一行、第二行、第三行分别为待标定多轴动态力传感器敏感轴x、敏感轴y、敏感轴z的输出信号的峰值。
步骤8，计算待标定多轴动态力传感器的灵敏度系数
待标定多轴动态力传感器的灵敏度系数矩阵为记为S3，S3的计算公式如下：
S3＝QNT(NNT)-1 (9)
式(9)中，T为矩阵关系符号，表示矩阵转置。
由式(9)得到灵敏度系数矩阵S3，灵敏度系数矩阵S3主对角线上的元素为待标定多轴动态力传感器的主灵敏度系数，其余元素为待标定多轴动态力传感器的轴间耦合灵敏度系数。
本发明的有益效果是：
一种多轴动态力传感器同步冲击校准方法，考虑多轴动态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。以主灵敏度系数作为主对角元素，以轴间耦合灵敏度系数作为非主对角元素，将多轴动态力传感器的灵敏度表示为矩阵形式。借助本发明中多轴动态力传感器同步冲击标定装置，该方法可在多轴动态力传感器各敏感轴受同步冲击载荷的作用下实现对多轴动态力传感器主灵敏度系数及轴间耦合灵敏度系数的同步冲击校准。
一种多轴动态力传感器同步冲击校准装置。采用落锤和矢量分解原理将沿竖直方向激励的单轴冲击载荷分解到空间多个坐标轴方向上，实现了多轴冲击载荷的同步激励。此外，通过改变落锤质量、跌落高度、压头材料等简单操作，本发明装置可灵活地实现同步冲击载荷脉宽和幅值的调节。因此，本发明装置可以在较宽范围内实现对不同量程、不同频响多轴动态力传感器的同步冲击校准。
本发明的推广和使用将进一步提升我国在传感器校准技术领域的水平。
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为本发明校准装置正视图；
图2为本发明校准装置左视图；
图3为本发明校准装置立体图；
图4为双轴动态力传感器同步校准原理图；
图5为三轴动态力传感器同步校准原理图。
图中：1.导向柱；2.滑轮；3.气缸；4.加速度计；5.钢丝绳；6.提升块；7.压头；8.底座；9.承载工装；10.安装座；11.刹车机构；12.挡块；13.待标定多轴动态力传感器；14.编码器拉伸线；15.拉线式编码器；16.落锤；17.固定桩；18.空气压缩机；19.动态数据采集系统；20.承载端面；21.地脚螺栓孔；22.安装座通孔；23.安装座斜面。
X/Y-待校准双轴动态力传感器的敏感轴、x/y/z-待校准三轴动态力传感器的敏感轴、α-安装座斜面相对水平面的倾斜角、β-待校准三轴动态力传感器的敏感轴x相对安装座斜面纵向中心线的偏转角度、F-落锤跌落施加于承载端面上的冲击力载荷、Fx/Fy-F分别沿X/Y方向的分量、Fn-F沿垂直于安装座斜面的法向分量、Ft-F沿平行于安装座斜面的切向分量、Lx/Ly/Lz-F分别沿x/y/z方向的分量。
具体实施方式
实施例1
一种多轴动态力传感器同步冲击校准装置，如图1、图2、图3所示，主要包括：导向柱1、滑轮2、气缸3、加速度计4、钢丝绳5、提升块6、压头7、底座8、承载工装9、安装座10、刹车机构11、挡块12、拉线式编码器15、落锤16、固定桩17、空气压缩机18、动态数据采集系统19。
如图1、图2、图3所示，底座8水平安装，底座8通过地脚螺栓孔21配合地脚螺栓固定于水平面上。
导向柱1采用过盈装配方式固支于底座8中，长度方向与底座8上表面垂直。
气缸3采用螺栓固支于底座8上表面，长度方向与底座8上表面垂直。
滑轮2采用螺纹连接固定于气缸3的活塞杆端部。
刹车机构11采用螺栓固定连接于落锤16侧面，刹车机构11的内表面与导向柱1的外表面相接触。
落锤16的自由度受刹车机构11和导向柱1接触配合的限制，而只能沿导向柱1上下移动。
挡块12采用螺栓固定连接与刹车机构11的侧面，挡块12在竖直方向上开有中心通孔。
钢丝绳5一端穿过挡块12沿竖直方向的中心通孔通过吊环连接于提升块6上表面中心处，另一端绕过滑轮后通过吊环连接于固定桩17的上表面中心处。钢丝绳5处于拉伸状态时，垂直于底座8上表面，平行于导向柱1、气缸3。
固定桩17采用螺栓固定于底座8上表面。
拉线式编码器15采用螺栓固定于底座8上表面，编码器拉伸线14前端通过吊环连接于提升块6上表面中心处。拉伸状态下，编码器拉伸线14中心线与钢丝绳5中心线重合。
提升块6和挡块12在竖直方向上同轴，轴线与拉伸状态下的钢丝绳5重合或平行。
加速度计4采用环氧胶粘贴于落锤16上表面中心处。
压头7采用螺纹连接固定于落锤16下表面中心处。
承载工装9采用螺纹连接固定于待标定多轴动态力传感器13的载荷接收端。
安装座10采用螺栓固定于底座8上表面，安装座10的位置使得承载工装9的承载端面20中心位于压头7的中心轴线上。
空气压缩机18位于底座8一侧，通过气管和管接头与气缸3、刹车机构11连接。
动态数据采集系统19位于底座8一侧，通过信号线与加速度计4连接。
导向柱1为表面光滑的高加工精度不锈钢柱。
气缸3为有杆气缸，包括活塞杆和缸体，以空气压缩机18为气源，双向可控，正向充气时活塞杆外伸，反向充气时活塞杆回缩。单个气缸3的最大推力不小于落锤16的重力。
底座8为实心结构，材质为45#高强钢。底座8可分为底座主体和底座基底两部分，底座主体在上，底座基底在下。底座主体为六面体结构，底座基底为正方形板结构，底座基底沿四周开有地脚螺栓孔21。
滑轮2包括转轮、转轴和U型支撑架，U型支撑架固定于气缸3的活塞杆端部，转轴固定于U型支架，转轮可绕转轴旋转，转轮和转轴可承受径向载荷。
刹车机构11为气压碟刹刹车机构，气源为空气压缩机18。当与空气压缩机18接通时刹车机构11刹车，当与空气压缩机18断开时刹车机构11松开。刹车机构11刹车时可将落锤16抱死在导向柱1上，刹车机构11松开时落锤16可沿导向柱1自由跌落。
落锤16为实心结构，材质为45#高强钢，上、下表面与水平面平行。
钢丝绳5为软钢丝绳，所能承受的极限拉力不小于落锤16的重力。
拉线式编码器15包含编码器拉伸线14、转子、数字式显示表。编码器拉伸线14一端缠绕于转子，一端固定于提升块6下表面中心处。转子连接于数字式显示表，数字式显示表可显示编码器拉伸线14向外拉伸的长度值。拉线式编码器15的量程不小于导向柱1的长度。
挡块12为正方体结构，材质为45#高强钢，沿竖直方向开有中心通孔，中心通孔孔径略大于钢丝绳5的外径。
提升块6为实心圆柱体机构，材质为45#高强钢，提升块6的外径等于挡块12的底面边长。
加速度计4灵敏度系数已知。
压头7底面为半球面，材质为硅橡胶。
承载工装9为实心结构，材质为45#高强钢，其上加工有承载端面20。工作状态下，承载工装9固定于待标定多轴动态力传感器13的载荷接收端，并使得承载端面20与水平面平行。
安装座10为实心结构，材质为45#高强钢。安装座10可分为安装座主体和安装座基底两部分，安装座主体在上，安装座基底在下。安装座主体的特征为拉伸实体结构，拉伸参考的截面为竖直方向上包含四条直角边和一条斜边的五边形，拉伸方向为水平方向。安装座基底为正方形板结构，沿四周开有通孔。
空气压缩机18为市售工业用空气压缩机，额定工作压力不低于0.8MPa。
动态数据采集系统19至少包含4个通道，采样速率不低于200KHz。
一种双轴同步校准动态力传感器的方法，具体步骤如下：
步骤1，安装待校准双轴动态力传感器13
将待校准双轴动态力传感器13固定于安装座斜面23中心处，如图4所示，以待校准双轴动态力传感器13的敏感轴X、Y作为坐标轴建立二维坐标系，敏感轴Y垂直于安装座斜面23，敏感轴X平行于安装座斜面23，敏感轴Y相对竖直方向的夹角为α，即安装座斜面23相对水平面的夹角为α。将待校准双轴动态力传感器13的敏感轴X、敏感轴Y信号输出通道与动态数据采集系统19连接。
步骤2，安装承载工装9
将承载工装9固定于待校准双轴动态力传感器13的载荷接收端，并使得承载端面20水平。
步骤3，提升落锤16
刹车机构11与空气压缩机18之间断开，刹车机构11处于非刹车状态。正向接通气缸3与空气压缩机18，由空气压缩机18对气缸3正向充气。气缸3带动提升块6向上提升落锤16，落锤16的上升高度由拉线式编码器15测量并显示。当落锤16上升至预定高度处时，将刹车机构11与空气压缩机18接通，刹车机构11刹车，将落锤16抱死在导向柱1的预定高度处。
步骤4，跌落冲击
由正向接通气缸3与空气压缩机18，切换为反向接通气缸3与空气压缩机18，由空气压缩机18对气缸3反向充气，直至提升块6回落至底面与底座8上端面接触。断开刹车机构11与空气压缩机18之间的连接，刹车机构11松开，落锤16连同加速度计4、压头7、刹车机构11、挡块12一起沿导向柱1自由滑落，直至压头7与承载工装9之间发生碰撞，跌落冲击结束。
步骤5，采集数据
自步骤3断开刹车机构11与空气压缩机18之间的连接，刹车机构11松开开始，动态数据采集系统19记录加速度计4和待校准双轴动态力传感器13敏感轴X和敏感轴Y的输出信号，直至跌落冲击结束为止。
选用动态数据采集系统19采集到的加速度计4的输出信号的峰值、待校准双轴动态力传感器13敏感轴X和敏感轴Y的输出信号的峰值。将加速度计4输出信号的峰值记为Ua，待校准双轴动态力传感器13敏感轴X、敏感轴Y输出信号的峰值分别记为Ux、Uy。
步骤6，求取待校准双轴动态力传感器13各敏感轴的输入冲击力载荷
落锤16的质量记为m1、压头7的质量记为m2、加速度计4的质量记为m3、刹车机构11的质量记为m4、挡块12的质量记为m5，m1、m2、m3、m4、m5为已知量，加速度计4的灵敏度系数记为Sa，Sa为已知量，落锤16施加于承载端面20上的冲击力载荷F计算式如下：
F＝UaSam1+m2+m3+m4+m5(1)
待校准双轴动态力传感器13各敏感轴的输出冲击力载荷即为敏感轴X、敏感轴Y的输入冲击力载荷，分别记为Fx、Fy，计算式如下：
步骤7，求取待校准双轴动态力传感器13的输入矩阵M和输出矩阵U
重复步骤3-6，重复次数为n，n大于或等于2次，得到n组待校准双轴动态力传感器13敏感轴X、敏感轴Y的输出信号峰值，以及n组敏感轴X、敏感轴Y的输入冲击力载荷。
待校准双轴动态力传感器13的输入矩阵M，按下式计算：
式(3)中，输入冲击力载荷下标中数字表示第n次重复步骤3-6，输入矩阵M的第n列为待校准双轴动态力传感器13敏感轴X、敏感轴Y第n次的输入冲击力载荷，第一行、第二行分别为待校准动态力传感器敏感轴X、敏感轴Y的输入冲击力载荷。
待校准双轴动态力传感器3的输出矩阵U，按下式计算：
式(4)中，输出信号的峰值的下标中数字表示第n次重复步骤3-6，输出矩阵U的第n列为待校准双轴动态力传感器13敏感轴X、敏感轴Y第n次的输出信号的峰值，第一行、第二行分别为待校准动态力传感器敏感轴X、敏感轴Y的输出信号的峰值。
步骤8，计算待校准双轴动态力传感器13的灵敏度系数
对于多轴动态力传感器而言，灵敏度系数包含主灵敏度系数和轴间耦合灵敏度系数。待校准双轴动态力传感器13的灵敏度系数矩阵为记为S2，S2的计算公式如下：
S2＝UMT(MMT)-1 (5)
式(5)中，T为矩阵关系符号，表示矩阵转置。
由式(5)得到灵敏度系数矩阵S2，灵敏度系数矩阵S2主对角线上的元素为待校准双轴动态力传感器13的主灵敏度系数，其余元素为待校准双轴动态力传感器13的轴间耦合灵敏度系数。
至此，得到待校准双轴动态力传感器13的灵敏度系数。
实施例2
采用实施例1的多轴动态力传感器同步冲击校准装置，以三轴动态力传感器为校准对象，对三轴动态力传感器实施同步冲击校准的方法，即三轴动态力传感器同步冲击校准的方法，具体步骤如下：
步骤1，安装待校准三轴动态力传感器13
将待校准三轴动态力传感器13固定于安装座斜面23中心处，如图5所示，以待校准三轴动态力传感器13的敏感轴x、敏感轴y、敏感轴z作为坐标轴建立三维坐标系，敏感轴z垂直于安装座斜面23，敏感轴x、敏感轴y平行于安装座斜面23，安装座斜面23相对水平面的夹角为α，即敏感轴z相对竖直方向的夹角为α，敏感轴x相对安装座斜面23纵向中心线的夹角为β。将待校准三轴动态力传感器13的敏感轴x、敏感轴y、敏感轴z信号输出通道与动态数据采集系统19连接。
步骤2，安装承载工装9
将承载工装9固定于待校准三轴动态力传感器13的载荷接收端，并使得承载端面20水平。
步骤3，提升落锤16
刹车机构11与空气压缩机18之间断开，刹车机构11处于非刹车状态，接通气缸3与空气压缩机18，由空气压缩机18对气缸3正向充气，气缸3带动提升块6向上提升落锤16，落锤16的上升高度由拉线式编码器15测量并显示，当落锤16上升至预定高度处时，将刹车机构11与空气压缩机18接通，刹车机构11刹车，将落锤16抱死在导向柱1的预定高度处。
步骤4，跌落冲击
由正向接通气缸3与空气压缩机18，切换为反向接通气缸3与空气压缩机18，由空气压缩机18对气缸3反向充气，直至提升块6回落至底面与底座8上端面接触。断开刹车机构11与空气压缩机18之间的连接，刹车机构11松开，落锤16连同加速度计4、压头7、刹车机构11、挡块12一起沿导向柱1自由滑落，直至压头7与承载工装9之间发生碰撞，跌落冲击结束。
步骤5，采集数据
自步骤3断开刹车机构11与空气压缩机18之间的连接，刹车机构11松开开始，动态数据采集系统19记录加速度计4和待校准三轴动态力传感器13敏感轴x、敏感轴y、敏感轴z的输出信号，直至跌落冲击结束为止。
选用动态数据采集系统19采集到的加速度计4的输出信号的峰值、待校准三轴动态力传感器13敏感轴x、敏感轴y、敏感轴z的输出信号的峰值。将加速度计4输出信号的峰值记为Ua，待校准三轴动态力传感器13敏感轴x、敏感轴y、敏感轴z输出信号的峰值分别记为Qx、Qy、Qz。
步骤6，求取待校准三轴动态力传感器13各敏感轴的输入冲击力载荷
落锤16的质量记为m1、压头7的质量记为m2、加速度计4的质量记为m3、刹车机构11的质量记为m4、挡块12的质量记为m5，m1、m2、m3、m4、m5为已知量，加速度计4的灵敏度系数记为Sa，Sa为已知量，落锤16施加于承载端面20上的冲击力载荷F计算式如下：
F＝UaSam1+m2+m3+m4+m5(1)
待校准三轴动态力传感器13各敏感轴的输出冲击力载荷即为敏感轴x、敏感轴y、敏感轴z的输入冲击力载荷，分别记为Lx、Ly、Lz，计算式如下：
步骤7，求取待校准三轴动态力传感器13的输入矩阵N和输出矩阵Q
重复步骤3-6，重复次数为m，m大于或等于3次，得到m组待校准三轴动态力传感器13敏感轴x、敏感轴y、敏感轴z的输出信号的峰值，以及m组敏感轴x、敏感轴y、敏感轴z的输入冲击力载荷。
待校准三轴动态力传感器13的输入矩阵N，按下式计算：
式(7)中，输入冲击力载荷下标中数字表示第m次重复步骤3-6，输入矩阵N的第m列为待校准三轴动态力传感器13敏感轴x、敏感轴y、敏感轴z第m次的输入冲击力载荷，第一行、第二行、第三行分别为待校准三轴动态力传感器13敏感轴x、敏感轴y、敏感轴z的输入冲击力载荷。
待校准三轴动态力传感器3的输出矩阵Q，按下式计算：
式(8)中，输出信号的峰值的下标中数字表示第m次重复步骤3-6，输出矩阵Q的第m列为待校准三轴动态力传感器13敏感轴x、敏感轴y、敏感轴z第m次的输出信号的峰值，第一行、第二行、第三行分别为待校准三轴动态力传感器13敏感轴x、敏感轴y、敏感轴z的输出信号的峰值。
步骤8，计算待校准三轴动态力传感器13的灵敏度系数
对于多轴动态力传感器而言，灵敏度系数包含主灵敏度系数和轴间耦合灵敏度系数。待校准三轴动态力传感器13的灵敏度系数矩阵为记为S3，S3的计算公式如下：
S3＝QNT(NNT)-1 (9)
式(9)中，T为矩阵关系符号，表示矩阵转置。
由式(9)得到灵敏度系数矩阵S3，灵敏度系数矩阵S3主对角线上的元素为待校准三轴动态力传感器13的主灵敏度系数，其余元素为待校准三轴动态力传感器13的轴间耦合灵敏度系数。
至此，得到待校准三轴动态力传感器13的灵敏度系数。
Claims (7)
1.一种多轴动态力传感器同步冲击校准装置，其特征在于，主要包括：导向柱(1)、滑轮(2)、气缸(3)、加速度计(4)、钢丝绳(5)、提升块(6)、压头(7)、底座(8)、承载工装(9)、安装座(10)、刹车机构(11)、挡块(12)、拉线式编码器(15)、落锤(16)、固定桩(17)、空气压缩机(18)、动态数据采集系统(19)；所述底座(8)水平安装，上表面水平，固定于水平地面上，为校准装置的基础；所述导向柱(1)位于所述底座(8)上侧，竖直放置，长度方向与所述底座(8)上表面垂直，与所述底座(8)固定连接；所述导向柱(1)设置2根；
所述气缸(3)位于所述底座(8)上侧，竖直放置，长度方向与所述底座(8)上表面垂直，与所述底座(8)固定连接；所述气缸(3)有2个，对称设置于所述导向柱(1)的外侧；
所述固定桩(17)位于所述底座(8)上侧，与所述底座(8)固定连接，所述固定桩(17)有2个，对称设置于所述气缸(3)的外侧；所述滑轮(2)位于所述气缸(3)的上端，与所述气缸(3)固定连接，对称设置；
所述刹车机构(11)与所述落锤(16)固定连接，位于所述导向柱(1)与所述落锤(16)之间，所述刹车机构(11)的内表面与所述导向柱(1)的外表面相接触，可以形成摩擦阻力，用于定位所述落锤(16)的位置、或者限制所述落锤(16)沿所述导向柱(1)的自由度；所述落锤(16)位于2根导向柱(1)之间；所述挡块(12)与所述刹车机构(11)固定连接；
所述钢丝绳(5)的一端与所述提升块(6)连接，另一端与所述固定桩(17)连接；所述钢丝绳(5)自固定桩(17)一端，绕过所述滑轮(2)，穿过所述挡块(12)的中心孔至所述提升块(6)；当所述气缸(3)推动所述滑轮(2)向上移动时，在所述钢丝绳(5)的作用下，所述提升块(6)向上移动，可带动所述挡块(12)、所述刹车机构(11)、所述落锤(16)一起向上移动；
所述拉线式编码器(15)位于所述底座(8)上侧、所述提升块(6)上侧，与所述底座(8)固定连接，所述拉线式编码器(15)的编码器拉伸线(14)与所述提升块(6)相连；当所述编码器拉伸线(14)处于拉伸状态时，编码器拉伸线(14)中心线与所述滑轮(2)至所述提升块(6)之间的钢丝绳(5)的中心线重合；所述加速度计(4)位于所述落锤(16)上侧中心处，与所述落锤(16)胶粘连接；
所述压头(7)位于所述落锤(16)下侧中心处，与所述落锤(16)固定连接，所述压头(7)表面为半球面，材质为硅橡胶；所述安装座(10)位于所述底座(8)上侧、所述落锤(16)下侧，与所述底座(8)固定连接；
校准时，待标定多轴动态力传感器(13)安装在所述安装座(10)的安装座斜面(23)上；
所述承载工装(9)固定于待标定多轴动态力传感器(13)的载荷接收端，所述承载工装(9)的承载端面(20)为水平面，所述承载工装(9)的承载端面(20)的中心点位于压头(7)中心点的重垂线上；
所述空气压缩机(18)与所述气缸(3)、所述刹车机构(11)相接，用于给所述气缸(3)、所述刹车机构(11)提供压力；所述动态数据采集系统(19)通过信号线与所述加速度计(4)连接。
2.根据权利要求1所述的多轴动态力传感器同步冲击校准装置，其特征在于，所述刹车机构(11)为气压碟刹刹车机构。
3.根据权利要求1所述的多轴动态力传感器同步冲击校准装置，其特征在于，所述拉线式编码器(15)包含编码器拉伸线(14)、转子、数字式显示表；编码器拉伸线(14)一端缠绕于转子，一端固定于所述提升块(6)的下表面中心处；转子连接于数字式显示表，数字式显示表可显示编码器拉伸线(14)向外拉伸的长度值，拉线式编码器(15)的量程不小于导向柱(1)的长度。
4.根据权利要求1所述的多轴动态力传感器同步冲击校准装置，其特征在于，所述动态数据采集系统(19)至少包含4个通道。
5.使用根据权利要求1至4中任一项所述的多轴动态力传感器同步冲击校准装置实施同步冲击校准的方法，其特征在于，具体步骤如下：
步骤1，安装待标定多轴动态力传感器(13)：
将待标定多轴动态力传感器(13)安装于安装座斜面(23)中心处，以待标定多轴动态力传感器(13)的敏感轴为坐标轴，建立坐标系；将待标定多轴动态力传感器(13)的敏感轴信号输出通道与动态数据采集系统(19)连接；
步骤2，安装承载工装(9)：
将承载工装(9)固定于待标定多轴动态力传感器(13)的载荷接收端，并使承载端面(20)为水平面；
步骤3，提升落锤(16)：
刹车机构(11)与空气压缩机(18)之间断开，刹车机构(11)处于非刹车状态；正向接通气缸(3)与空气压缩机(18)，由空气压缩机(18)对气缸(3)正向充气；气缸(3)带动提升块(6)向上提升落锤(16)，落锤(16)的上升高度由拉线式编码器(15)测量并显示；当落锤(16)上升至预定高度处时，将刹车机构(11)与空气压缩机(18)接通，刹车机构(11)刹车，将落锤(16)抱死在导向柱(1)的预定高度处；
步骤4，跌落冲击：
由正向接通气缸(3)与空气压缩机(18)，切换为反向接通气缸(3)与空气压缩机(18)，由空气压缩机(18)对气缸(3)反向充气，直至提升块(6)回落至底面与底座(8)上端面接触；断开刹车机构(11)与空气压缩机(18)之间的连接，刹车机构(11)松开，落锤(16)连同加速度计(4)、压头(7)、刹车机构(11)、挡块(12)一起沿导向柱(1)自由滑落，直至压头(7)与承载工装(9)之间发生碰撞，跌落冲击结束；
步骤5，采集数据：
自步骤3断开刹车机构(11)与空气压缩机(18)之间的连接，刹车机构(11)松开开始，动态数据采集系统(19)采集加速度计(4)和待标定多轴动态力传感器(13)敏感轴的输出信号，直至跌落冲击结束为止；
选用采集的加速度计(4)的输出信号的峰值为Ua、待标定多轴动态力传感器(13)敏感轴的输出信号的峰值；
步骤6，求取待标定多轴动态力传感器(13)各敏感轴的输入冲击力载荷：
落锤(16)的质量记为m1、压头(7)的质量记为m2、加速度计(4)的质量记为m3、刹车机构(11)的质量记为m4、挡块(12)的质量记为m5，加速度计(4)的灵敏度系数记为Sa，落锤(16)施加于承载端面(20)上的冲击力载荷为F，冲击力载荷计算式如下：
F＝UaSa(m1+m2+m3+m4+m5) (1)
待标定多轴动态力传感器(13)各敏感轴的输出冲击力载荷即为敏感轴的输入冲击力载荷；
步骤7，求取待标定多轴动态力传感器(13)的输入矩阵和输出矩阵：
重复步骤3-6，每次均得到待标定多轴动态力传感器(13)敏感轴的输出信号峰值，以及冲击力载荷；
待标定多轴动态力传感器(13)记录的敏感轴对应的冲击力载荷组成输入矩阵，
加速度计(4)记录的敏感轴对应的输出信号峰值组成输出矩阵；
步骤8，计算待标定多轴动态力传感器(13)的灵敏度系数：
灵敏度系数包含主灵敏度系数和轴间耦合灵敏度系数；
待标定多轴动态力传感器(13)的灵敏度系数矩阵由待标定多轴动态力传感器(13)的输入矩阵和输出矩阵计算得出；
至此，得到待标定多轴动态力传感器(13)的灵敏度系数。
6.根据权利要求5所述的多轴动态力传感器同步冲击校准方法，其特征在于，当所述待标定多轴动态力传感器为双轴动态力传感器时，进一步包括：
步骤1，安装待标定多轴动态力传感器(13)：
以待标定多轴动态力传感器(13)的敏感轴X、Y作为坐标轴，建立X-Y平面坐标系，敏感轴Y垂直于安装座斜面(23)，敏感轴X平行于安装座斜面(23)，敏感轴Y相对竖直方向的夹角为α，即安装座斜面(23)相对水平面的夹角为α；将待标定多轴动态力传感器(13)的敏感轴X、敏感轴Y信号输出通道与动态数据采集系统(19)连接；
步骤5，采集数据：
选用动态数据采集系统(19)采集到的加速度计(4)的输出信号的峰值、待标定多轴动态力传感器(13)敏感轴X和敏感轴Y的输出信号的峰值；将加速度计(4)输出信号的峰值记为Ua，待标定多轴动态力传感器(13)敏感轴X、敏感轴Y输出信号的峰值分别记为Ux、Uy；
步骤6，求取待标定多轴动态力传感器(13)各敏感轴的输入冲击力载荷：
待标定多轴动态力传感器(13)各敏感轴的输出冲击力载荷即为敏感轴X、敏感轴Y的输入冲击力载荷，分别记为Fx、Fy，计算式如下：
步骤7，求取待标定多轴动态力传感器(13)的输入矩阵和输出矩阵：
重复次数为n，n大于或等于2次，得到n组待标定多轴动态力传感器(13)敏感轴X、敏感轴Y的输出信号峰值，以及n组敏感轴X、敏感轴Y的输入冲击力载荷；
待标定多轴动态力传感器(13)的输入矩阵M，按下式计算：
式(3)中，输入冲击力载荷下标中数字表示第n次重复步骤3-6，输入矩阵M的第n列为待标定多轴动态力传感器(13)敏感轴X、敏感轴Y第n次的输入冲击力载荷，第一行、第二行分别为待校准动态力传感器敏感轴X、敏感轴Y的输入冲击力载荷；
待校准多轴动态力传感器3的输出矩阵U，按下式计算：
式(4)中，输出信号的峰值的下标中数字表示第n次重复步骤3-6，输出矩阵U的第n列为待标定多轴动态力传感器(13)敏感轴X、敏感轴Y第n次的输出信号的峰值，第一行、第二行分别为待校准动态力传感器敏感轴X、敏感轴Y的输出信号的峰值；
步骤8，计算待标定多轴动态力传感器(13)的灵敏度系数：
待标定多轴动态力传感器(13)的灵敏度系数矩阵为记为S2，S2的计算公式如下：
S2＝UMT(MMT)-1 (5)
式(5)中，T为矩阵关系符号，表示矩阵转置；
由式(5)得到灵敏度系数矩阵S2，灵敏度系数矩阵S2主对角线上的元素为待标定多轴动态力传感器(13)的主灵敏度系数，其余元素为待标定多轴动态力传感器(13)的轴间耦合灵敏度系数。
7.根据权利要求5所述的多轴动态力传感器同步冲击校准方法，其特征在于，当所述待标定多轴动态力传感器为三轴动态力传感器时，进一步包括：
步骤1，安装待标定多轴动态力传感器(13)：
以待标定多轴动态力传感器(13)的敏感轴x、敏感轴y、敏感轴z作为坐标轴建立三维坐标系，敏感轴z垂直于安装座斜面(23)，敏感轴x、敏感轴y平行于安装座斜面(23)，安装座斜面(23)相对水平面的夹角为α，即敏感轴z相对竖直方向的夹角为α，敏感轴x相对安装座斜面(23)纵向中心线的夹角为β；
步骤5，采集数据：
选用动态数据采集系统(19)采集到的加速度计(4)的输出信号的峰值、待标定多轴动态力传感器(13)敏感轴x、敏感轴y、敏感轴z的输出信号的峰值；将加速度计(4)输出信号的峰值记为Ua，待标定多轴动态力传感器(13)敏感轴x、敏感轴y、敏感轴z输出信号的峰值分别记为Qx、Qy、Qz；
步骤6，求取待标定多轴动态力传感器(13)各敏感轴的输入冲击力载荷：
待标定多轴动态力传感器(13)各敏感轴的输出冲击力载荷，即敏感轴x、敏感轴y、敏感轴z的输入冲击力载荷，分别记为Lx、Ly、Lz，计算式如下：
步骤7，求取待标定多轴动态力传感器(13)的输入矩阵和输出矩阵：
重复步骤3-6，重复次数为m，m大于或等于3次，得到m组待标定多轴动态力传感器(13)敏感轴x、敏感轴y、敏感轴z的输出信号的峰值，以及m组敏感轴x、敏感轴y、敏感轴z的输入冲击力载荷；
待标定多轴动态力传感器(13)的输入矩阵N，按下式计算：
式(3)中，输入冲击力载荷下标中数字表示第m次重复步骤3-6，输入矩阵N的第m列为待标定多轴动态力传感器(13)敏感轴x、敏感轴y、敏感轴z第m次的输入冲击力载荷，第一行、第二行、第三行分别为待标定多轴动态力传感器(13)敏感轴x、敏感轴y、敏感轴z的输入冲击力载荷；
待校准多轴动态力传感器3的输出矩阵Q，按下式计算：
式(8)中，输出信号的峰值的下标中数字表示第m次重复步骤3-6，输出矩阵Q的第m列为待标定多轴动态力传感器(13)敏感轴x、敏感轴y、敏感轴z第m次的输出信号的峰值，第一行、第二行、第三行分别为待标定多轴动态力传感器(13)敏感轴x、敏感轴y、敏感轴z的输出信号的峰值；
步骤8，计算待标定多轴动态力传感器(13)的灵敏度系数：
待标定多轴动态力传感器(13)的灵敏度系数矩阵为记为S3，S3的计算公式如下：
S3＝QNT(NNT)-1 (9)
式(9)中，T为矩阵关系符号，表示矩阵转置；
由式(9)得到灵敏度系数矩阵S3，灵敏度系数矩阵S3主对角线上的元素为待标定多轴动态力传感器(13)的主灵敏度系数，其余元素为待标定多轴动态力传感器(13)的轴间耦合灵敏度系数。
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2022
- 2022-12-05 CN CN202211552562.8A patent/CN115979508B/zh active Active
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Also Published As
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