CN116337321B - 用于超重力环境下传感器轴向压力标定系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种用于超重力环境下传感器轴向压力标定系统及方法，标定系统包括离心机、承载模块、监测单元、动力单元、数据采集单元以及数据分析单元；承载模块设置在离心机的一侧吊篮内，通过离心机模拟超重力环境，动力单元包括液压油缸、液压油泵、控制系统和电力系统；实现在超重力环境下传感器轴向压力标定功能，能够反映出传感器在超重力环境下的真实的压力数值及电信号的大小，同时建立一套完整的轴向压力传感器标定试验方法，以反映传感器在超重力环境下的真实的压力数值及电信号的大小，完善超重力环境下承受冲击荷载的传感器的标定技术，为航空航天事业以及超重力离心模拟与实验等重大科技基础设施项目等提供稳定可靠技术支持。
Description
技术领域
本发明属于高端装备制造领域，具体涉及一种用于超重力环境下传感器轴向压力标定系统及方法。
背景技术
常重力是指物体由于地球的吸引而受到的力，数值大小近似为9.81N/s2，用1g(重力单位)来表示，大于1g的环境称之为超重力。真实的超重力环境常见于太空探索，超音速飞机的研制以及国防事业中；实验室模拟的超重力环境可以增大多相介质体积力与相间相对运动的驱动力，是研究岩土体大尺度演变和灾变、地下环境长历时污染必不可少的实验手段，也是研究材料相分离效应的极端物理条件。围绕超重力离心模拟实验再现岩土体大尺度演变和深地灾变及加速材料相分离的科学目标。
以上的研究均离不开传感器的布置。传感器作为获取信息的主要途径，也是电子产业的核心元件之一，传感器可以捕捉位移、温度和压力等信息，已经被广泛应用于工业生产、海洋勘探、环境保护、资源调查和智慧医疗等领域。然而，航空航天事业的研究大多需要处于超重力环境下，例如歼击机、神州运载火箭和探月飞行器的测试研究，当传感器处于超重力环境时，高g值超重力环境下会引起传感器敏感元件变形，或增大元件间的相互作用，进而影响器件力电响应，最终引起测量误差。传感器读数失误可能造成被测量物理量产生偏差，严重时会发生爆炸等重大安全事故。因此，急需一套装置和方法对传感器在超重力环境下进行数值标定，明确超重力环境下传感器的真实受力和电信号反馈情况至关重要，能够有效的为航空航天事业及其他涉及的超重力环境下的领域提供参数进行指导，降低在超重力环境下因传感器获取信息产生的误差造成不必要的风险。
目前我国仅在2016年7月1日实施的一项中国国家标准GB/T 15478-2015《压力传感器性能试验方法》明确传感器的标定方法，但此方法仅适用常重力环境下，即1g环境。目前尚没有关于传感器在超重力环境下的标定方法，因此需要建立一套适用于超重力环境下的传感器轴向压力标定装置并设计一套完整的标定试验方案，以此反映出传感器在超重力环境下的真实的压力数值及电信号的大小。
发明内容
本发明针对现有传感器标定存在的缺陷，提出一种用于超重力环境下传感器轴向压力标定系统及标定方法以反映传感器在超重力环境下的真实的压力数值及电信号的大小，完善超重力环境下承受冲击荷载的传感器的标定技术。
本发明是采用以下的技术方案实现的：一种用于超重力环境下传感器轴向压力标定系统，包括离心机、承载模块、监测单元、动力单元、数据采集单元以及数据分析单元，待标定传感器安装在承载模块上，承载模块设置在离心机的一侧吊篮内，通过离心机模拟超重力环境；所述动力单元包括液压油缸、液压油泵、控制系统和电力系统，液压油缸固定设置在承载模块上，用以为待标定传感器提供轴向压力动力来源；所述数据分析单元用以分析待标定传感器的数值；
所述承载模块包括从上至下依次设置的顶板、压板和底板，顶板与压板和底板之间贯穿设置有多根拉力钢柱；液压油缸的压杆伸出并穿过顶板，通过球头基座固定，底板上设置多个环向围压桶和一个对比底座，环向围压桶内部承载待标定传感器的承载底座，压板的下底面上还设置有多个压头，压头与围压桶上下相对设置，通过压头对围压桶施加压力，压头负责将集中轴向荷载分配到多个待标定传感器上方；
所述监测单元包括小轮辐式压力传感器，大轮辐式压力传感器，薄膜式柔性压力传感器，振动加速度传感器，分布式光纤光栅条形传感器，应变片和拉线位移传感器；分布式光纤光栅条形传感器用于测量离心机在运行过程中机器自身振动的频率与峰值；应变片用于监测液压油缸在运行过程中的多根拉力钢柱的应变情况；拉线位移传感器用于监测压板的位移；振动加速度传感器用于监测承载模块在离心机高速运行过程中的振动情况以及离心机转臂的振动情况；大轮辐式压力传感器用于监测液压油缸在运行过程中的总压力；小轮辐式压力传感器用于监测每个环向围压桶上方的压力；薄膜式柔性压力传感器用于监测环向围压桶内部压头作用在承载底座上方的瞬间冲击荷载。
进一步的，所述小轮辐式压力传感器安装在对比底座上方以及压头与压板之间；安装在对比底座上的小轮辐式压力传感器仅承受超重力的作用；压头和压板之间的小轮辐式压力传感器用于监测超重力压力状态下的待标定传感器的真实受力情况；
所述大轮辐式压力传感器安装在球头基座与拉力钢柱之间，用于监测液压油缸的动作推出的力的大小；
所述薄膜式柔性压力传感器安装在承载底座上以及对比底座上方的小轮辐式压力传感器上方，安装在承载底座上的薄膜式柔性压力传感器用于监测动态荷载，安装在对比底座上的薄膜式柔性压力传感器仅用于对比分析；
所述振动加速度传感器安装在底板的四个侧边的边缘上、吊篮以及离心机转臂的侧面上，用于共同监测振动在不同构件上的情况用于评判振动对整个标定过程中的影响；
所述分布式光纤光栅条形传感器安装在离心机的转臂上；
所述应变片安装在顶板与压板以及压板与底板之间的拉力钢柱上，并在同一高度上，用于监测运行过程中拉力钢柱上的拉力变化；
所述拉线位移传感器安装在顶板与压板之间，用于监测压板的位移变化。
进一步的，所述顶板采用挤压方式制作，从上至下依次包括第一顶板、第二顶板、第三顶板，第一顶板和第三顶板上设置有相互配合的凹凸结构，第一顶板和第三顶板均采用Q690D高强钢板，第二顶板为采用聚二甲基硅氧烷制作的柔性平面板。
进一步的，所述底板采用挤压方式制作，从上至下依次包括第一底板、第二底板、第三底板，第一底板和第三底板上设置为相互配合的齿状结构，第一底板和第三底板均采用40Gr高强钢板，第二底板为采用聚二甲基硅氧烷制作的柔性平面板。
进一步的，所述环向围压桶包括筒体和底托板，筒体设置在底托板上，沿筒体的周向竖直设置有加筋挡板，承载底座安装在筒体内。
进一步的，所述筒体的尺寸设计原理如下：
设待标定传感器的直径为D1，厚度为H1，筒体内部直径D2，外径为D3，高度为H2；加筋挡板的数量为Q，与筒体贴合的高度为H3，与底托板贴合的长度为H4，加筋挡板的厚度为H5；底托板厚度H6，所进行测试的超重力极限环境的数值为N，进行的压力测试极限大小为P，则有：
D2＝k7×N×D1
H2＝k8×D2
H4＝k9×H3＝k10×H2
其中，k7、k8、k9、k10为调节系数，加筋挡板厚度H5、底托板厚度H6的取值与待标定传感器的直径D1保持一致；
加筋挡板数量Q取值范围如下：N≤50，Q≥2；N≤100，Q≥4；N≤200，Q≥6。
进一步的，所述数据分析单元用以分析待标定传感器的数值，包括常规数据分析模块、干扰数据分析模块和标定数据分析模块；
(1)常规数据分析模块用以将大、小轮辐式压力传感器压力数值、薄膜式柔性压力传感器数值、油压数值、应变片拉力数值、拉线位移传感器数值进行分析，求解作用在待标定传感器上方真实力的数值大小：
其中，油压数值与拉线位移传感器数值的走向趋势一致；拉线位移传感器仅为了确定压板上升和下降的高度，数值不进行压力大小的数值计算；
油压数值的大小通过油泵供油压力和大轮辐式压力传感器以及应变片的拉力数值进行计算，计算公式：
其中，FBi，j,FAi，j为安装在四根拉力钢柱两个相同平面内的应变片反馈的拉力数值的大小，i表示拉力钢柱数量，j表示同根拉力钢柱同一平面内对应的应变片数量，和为安装位置处的拉力调节系数，数值大小由安装在拉力钢柱高度确定；FC为大轮辐式压力传感器测量的数值大小；R为液压缸内径；p为油泵供油压力的大小；F压板为真实作用在压板上方的集中力的数值大小；
压板下方的多个小轮辐式压力传感器数值FDl、中心未受力的小轮辐式压力传感器数值FE、与压板上方的大轮辐式压力传感器捕获的集中力Fc的数值关系满足如下关系：
k12(FDl-FE)＝FC-4FF
其中，FDl表示多个小轮辐式压力传感器数值，l表示不同区域小轮辐式压力传感器数量，FE表示对比底座上方的未受力的小轮辐式压力传感器在超重力环境下的数值，FF表示直线滚珠轴承在运行过程中产生的阻力，k12为小轮辐式压力传感器调节系数，分别单独计算多个环向围压桶内真实的受力情况，获得的数据需要与薄膜式柔性压力传感器进行比对，得到最终数值；
(2)干扰数据分析模块是以不平衡离心力和振动频率为激励，将大功率交流同步电机-转轴系统通过数值方法进行离散后，在以转臂和转轴建立的横纵坐标系下的运行过程中振动控制方程：
式中，M为质量矩阵；k为刚度矩阵；为位移向量；G为陀螺矩阵；C为阻尼矩阵；F激振为电机运行过程中广义的激振力，包含对转子的直接作用力和间接导致的轴承特性变化影响矩阵；F振动为不平衡质量造成的非常规离心力矩阵，F风阻(转臂)为高速旋转下风阻碍转臂运行造成的阻力矩阵，F风阻(吊篮)为高速旋转下风阻碍吊篮运行造成的阻力矩阵；
(3)标定数据分析模块采用平行对比的方法，将计算产生的待标定传感器在不同重力环境下的真实受力大小数据横向平行对比，剔除数据错误的点。
进一步的，所述数据采集单元包括第一数采系统和第二数采系统，第一数采系统为采集待标定传感器产生的数据，第二数采系统用以采集监测单元传感器产生的数据。
进一步的，所述标定系统还包括漏电保护开关、声光提醒装置及急停装置；且在压板底部对角线位置安装超短焦全景摄像机，负责监测超重力环境下的实时运行状态。
本发明另外还提出一种用于超重力环境下传感器轴向压力标定系统的标定方法，包括以下步骤：
步骤A、实验准备：将轴向压力承载模块吊入离心机吊篮一侧并进行固定，完成油路、电路、通讯的连接与固定；在常重力下调试通讯与液压单元，安装防溅挡板；常重力下数采设备数值统一归零；根据需要向围压桶内装入一定厚度土样或者液体；
步骤B、常重力下标定工作：在常重力下启动液压油泵，调整其达到预设压力数值后，在常重力下根据传感器量程及超重力环境下的实际需求调整油压进行若干组的标定工作，从极小值到极大值的加载测试工作；
步骤C、超重力下标定工作：调整液压油泵压力到超重力环境下第一组既定压力数值大小或将液压油泵压力归零后调整压头不伸出环向围压桶后，启动离心机到初始g值后依次调整液压油泵的压力完成一组标定工作，此顺序与常重力标定工作下的加载顺序一致，调整离心机g值将其更改到下一组g值后重复完成既定压力的标定工作后，重复进行多组，关闭离心机；
步骤D、常重力下完成极大值、极小值压力标定工作，完成本组实验数据处理；在常重力下完成一组传感器极大值和极小值的标定工作后，结束标定工作，进行后续的试验数据处理工作
与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：
本方案通过在离心机产生的超重力离心模拟的环境下设计承载模块、监测单元、动力单元和数据分析单元等模块，实现超重力环境下传感器轴向压力标定，能够反映出传感器在超重力环境下的真实的压力数值及电信号的大小，填补了超重力环境下传感器标定的空白，以此为航空航天事业以及超重力离心模拟与实验装置国家重大科技基础设施项目等提供稳定可靠的技术支持。
附图说明
图1为本发明实施例所述超重力环境下轴向压力标定系统整体示意图；
图2为本发明实施例所述超重力环境下标定方法的流程示意图；
图3为本发明实施例超重力环境下数据标定分析流程示意图；
图4为本发明实施例承载模块的立体结构示意图；
图5为承载模块的侧视结构示意图；
图6为承载模块的剖视结构示意图；
图7为本发明实施例传感器承载底座和环向围压桶的安装过程示意图；
图8为本发明实施例标定平台底部结构示意图；
图9为本发明实施例顶板的制作过程示意图；
图10为本发明实施例底板的制作过程示意图；
图11为本发明实施例部分超重力环境下的传感器试验数据；
图12为本发明实施例同种压力50g值与常重力下的传感器力电信号比较示意图。
具体实施方式
为了能够更加清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明并不限于下面公开的具体实施例。
本发明方案构建了一套适用于超重力环境下的传感器轴向压力(冲击压力)标定系统，同时建立一套完整的轴向压力传感器标定试验方法，能够反映出传感器在超重力环境下的真实的压力数值及电信号的大小。
实施例1、本实施例公开一种用于超重力环境下传感器轴向压力标定系统，如图1所示，包括离心机、承载模块、监测单元、动力单元、数据采集单元以及数据分析单元16；承载模块设置在离心机的一侧吊篮34内，通过离心机模拟超重力环境，动力单元包括液压油缸29、液压油泵1、控制系统2和电力系统3，承载模块设置在离心机的吊篮。
如图4-6所示，所述承载模块包括从上至下依次设置的顶板4、压板5和底板6，顶板4与压板5和底板6之间贯穿设置有多根拉力钢柱7(拉力钢柱7的表面还安装有多个应变片21)，具体安装时，先将四根拉力钢柱7高强螺栓固定在底板6预留的四个螺栓孔的位置上，将直线滚珠轴承8嵌入压板5的四个预留孔中，并使用螺栓将其固定，将嵌入滚珠轴承的压板5嵌套在四根拉力钢柱7上，并将其缓慢推到底部，最后用高强螺栓将顶板4固定在四根拉力钢柱7的顶端，承载模块的四周还设置有亚克力防溅挡板10。
该承载模块具备足够的强度、刚度及稳定性，可以确保在100t的拉力作用下和150g的超重力环境下不产生任何形变。
参考图6-图8，在底板6上设置五个钢制环向围压桶11和一个对比底座30，压板5的下底面上还设置有多个压头12，压头12与围压桶11相对设置，通过压头12对围压桶11施加压力，压头12负责将集中轴向荷载分配到多个待标定传感器上方，围压桶11通过螺栓固定在底板6上，确保围压桶11与压头12的轴线对齐，五个钢制环向围压桶11内部承载待标定传感器承载底座13，对比底座30按照既定孔洞固定在底板中心，(对比底座30的上方设置有一个小轮辐式压力传感器17，结合5个压头上的小轮辐式压力传感器，共计6个)，对比底座30上的小轮辐式压力传感器上方无任荷载，作用是用于在超重力环境下测试其不承受荷载情况下的信号输出情况，用于消除其余5个小轮辐式压力传感器的误差数值。
所述液压油缸29固定设置在承载模块上，用以提供轴向压力的动力来源，与液压油泵1通过胶皮管道连接，液压油泵1用以提供不低于35Mpa的油源，为液压油缸29提供充足的动力保障，液压油泵1与控制系统2相连，通过控制系统2控制液压油泵1为液压油缸29提供压力同时可以单独控制液压油缸29的位移，例如前进和后退的动作；液压油泵1与电力系统3相连，电力系统3为液压油泵1提供稳定的380V三项四线动力交流电源保障液压油泵安全可靠平稳运行；电力系统3同时也为传感器及其他弱电装置提供稳定的24V、12V直流电源并确保低压直流电具有稳定的频率；
所述监测单元包括小轮辐式压力传感器17，大轮辐式压力传感器28，薄膜式柔性压力传感器18，振动加速度传感器19，分布式光纤光栅条形传感器20，应变片21和拉线位移传感器22；监测单元通过无线485通讯模块发射端23、无线485通讯模块接收端31将数据信号由超重力环境传输到常重力环境中；
关于传感器的数量等可以根据实际需要进行安装设置，本实施例中，以6个小轮辐式压力传感器17，1个大轮辐式压力传感器28，21个薄膜式柔性压力传感器18、8个振动加速度传感器19，2组分布式光纤光栅条形传感器20、32个应变片21和4个拉线位移传感器22为例进行说明，其中：
6个小轮辐式压力传感器17，量程为1.2P/5。其中1个安装在对比底座30上方，在超重力试验过程中不承受任何压力，仅承受超重力的作用，用于监测处于超重力环境下不受压力状态的传感器的力电响应变化；剩余5个分别安装在压头12与压板5之间，用于监测超重力压力状态下的待标定传感器的真实承受压力大小的情况。
21个薄膜式柔性压力传感器，其中20个是安装在待标定传感器承载底座13上方(4*5)，安装方式为表面贴敷，每个待标定传感器底座上贴敷4个，共计20个，用于监测动态荷载，产生方式为液压油泵在动作过程中产生的动态荷载；剩余一个贴附在对比底座30上方的小轮辐式压力传感器17上方，其并不承受任何冲击荷载，目的是用于对比分析。
大轮辐式压力传感器28是安装在球头基座9与压板5之间，量程为1.5倍的P用于监测液压油缸的动作推出的力。
8个振动加速度传感器19，其中四个安装在底板6的四个侧边的边缘上，另外四个安装在吊篮34的四个侧面上，另外，还可以在离心机转臂35的1/3和2/3位置处安装同样的振动加速度传感器。吊篮34上和底板6上的四个加速度传感器在各自的方向上需要在相同的轴线上，用于共同监测振动对整个标定过程中的影响。
2组分布式光纤光栅条形传感器20安装在离心机的转臂35上，安装方式为侧面表贴，两侧相对。
32个应变片21分为8组，每组4个，分别安装在顶板4与压板5以及压板5与底板6之间的拉力钢柱7上，安装方式为同组4个应变片彼此之间呈90度角布置，并在同一高度上，用于监测运行过程中拉力钢柱上的拉力变化。
1个拉线位移传感器安装在顶板4与压板5之间，用于监测压板5的位移变化，避免其在超重力作用下产生的数值不准确的情况。
本实施例中，关于考虑到适配超重力环境，对于顶板4和底板6的均需要做结构上的特殊设计，具体的：
如图9所示，所述顶板4包括第一顶板401、第二顶板402、第三顶板403，所述第一顶板和第三顶板均采用Q690D特制高强钢板，表面凹凸结构使用激光切割进行制作；所述第二顶板是使用聚二甲基硅氧烷制作的柔性平面板，表面形成凹凸不平的结构，目的是和第一顶板和第三顶板更好的结合到一起，通过“三明治挤压方式”SPS形成一块完整的顶板。使用SPS制作(SPS是指在结构中使用多层异质结构组合后进行挤压形成一个新的结构，目的是单一的结构性质并不能满足需求，需要将其从宏观角度将其组合后形成一个新的结构以此满足苛刻的结构性质)的顶板目的是使振动逐级衰减，以此减少其对液压和数采系统的影响。
如图10所示，所述底板6包括第一底板601、第二底板602、第三底板603，所述第一底板和第三底板均采用40Gr特制高强钢板，表面凹凸结构使用激光切割成尖锐表面；所述第二底板是使用聚二甲基硅氧烷制作的柔性平面板，表面为平整的结构，目的是在压缩过程中和第一底板和第二底板更好的结合到一起，通过“三明治挤压方式”SPS形成一块完整的底板6。使用SPS方式制作的底板目的是使抑制离心机在运行过程中的振动，以此减少其对待标定传感器的影响。
另外，在本实施例中，继续参考图7和图8，所述钢制环向围压桶11包括特制筒体101、特制加筋挡板103和底托板102，钢制环向围压桶11内安装待标定传感器承载底座13，将待标定传感器嵌入待标定传感器承载底座13后，在其环向表面贴上柔性薄膜压力传感器18后将其按照既定卡槽放入环向围压桶11内，线缆通过环向围压桶预留的走线通道进行引出。待标定传感器承载底座13为可替换模具，尺寸依据不同待标定传感器尺寸改变而改变；具体设计时，依据以下原理：
设待标定传感器13的直径(以圆形截面传感器为例)为D1，厚度为H1，特制筒体101内部直径D2，外径为D3，高度为H2，高度计算方式为从底托板102到特制筒体101上沿高度。特制加筋挡板103的数量为Q，与特制筒体101贴合的高度为H3，与底托板102贴合的长度为H4，厚度为H5，底托板厚度H6。所进行测试的超重力极限环境的数值为N，(例测试极限数值为100g即定义N为100)进行的压力测试极限大小为P。
特制筒体101内部直径D2的计算方式为：
D2＝k7×N×D1
其中，k7为经验调节系数，针对40Gr常取值为0.76-0.83。
特制筒体高度H2的计算方式为
H2＝k8×D2
其中，k8为经验调节系数，针对40Gr常取值为1.15-1.24。
特制加筋挡板厚度H5、底托板厚度H6的取值与待标定传感器的直径D1应当保持一致；特制加筋挡板数量Q取值范围如下：N≤50，Q≥2；N≤100，Q≥4；N≤200，Q≥6。
特制加筋挡板与特制筒体贴合的高度为H3，与底托板贴合的长度为H4的计算方法为：
H4＝k9×H3＝k10×H2
其中，k9、k10为经验调节系数，针对40Gr常取值范围为0.77-0.81和0.83-0.92，以上经验系数均为超重力离心模拟试验中长期实践得到的经验参数。
待标定传感器承载底座13为承载待标定传感器的特制模具，其表面设置与待标定传感器直径厚度一致的卡槽(以圆形传感器为例)。边缘设置传感器线缆出线孔，其底部设置有卡槽，目的是与钢制环向围压桶底部的卡槽贴合，以确保其在超重力离心模拟环境下不会自行旋转，有效的避免因自转导致传感器传输数据线缆被剪断。待标定传感器承载底座13的上部贴有四个薄膜式柔性压力传感器18，用于监测液压油泵在动作模式下产生的冲击荷载。
钢制环向围压桶的数值计算方法如下，定义钢制环向围压桶的数量为s，定义超重力极限环境的数值为N，(例测试极限数值为100g即定义N为100)进行的压力测试极限大小为P(本案例中为75t)，针对ZJU-400离心机，液压平台在超重力100g的情况下。离心半径L在4.5m情况下，液压动作P值等于75吨推力的时候必须满足机械运行安全系数不低于2.1的数值下，才可以确保安全，其整体需要满足的布置规律为：
当L恒定在4.5，P恒定在75t的情况下，N小于等于200时，极限个数是5个，N小于等于300时，极限个数是3个，N小于等于400时，极限个数是1个，超过400时，目前的试验条件暂无可以获得的经验数据。
另外，考虑到本系统装置在高g值环境下使用，存在一定的风险，为确保操作人员的人身安全，所述标定系统还包括漏电保护开关24、声光提醒装置25及急停装置26；且在压板6底部对角线位置安装两部超短焦全景摄像机27，负责监测超重力环境下的实时运行状态，视频无线发射设备32负责传输无线视频信号。
本实施例所述数据采集单元包括第一数采系统14和第二数采系统15，第一数采系统14为采集待标定传感器产生的数据，可提供共计16路的通道；第二数采系统15用以采集监测单元传感器产生的数据，可提供共计128通道。
如图3所示，所述数据分析单元16用以自主分析待标定传感器的数值，包括常规数据分析模块、干扰数据分析模块和标定数据分析模块；
(1)常规数据分析模块是将大、小轮辐式压力传感器压力数值、柔性压力传感器数值、油压数值、应变片压力数值、拉线位移传感器数值进行分析，求解作用在待标定传感器上方真实力的数值大小：
其中，油压数值与拉线位移传感器数值的走向趋势应当一致；拉线位移传感器仅为了确定压板上升和下降的高度，数值不进行压力大小的数值计算；
油压数值的大小通过油泵供油压力和大轮辐式压力传感器以及应变片的拉力数值进行计算，计算公式：
FBi，j FAi，j(i，j＝1～4)为安装在四根拉力钢柱两个相同平面内的应变片反馈的拉力数值的大小，k5和k6为安装位置处的拉力调节系数，数值大小由安装在拉力钢柱高度确定，取值范围应当控制在(0.4-1.3之间)；FC为大轮辐式压力传感器测量的数值大小；R为液压缸内径；p为油泵供油压力的大小；F压板为真实作用在压板上方的集中力的数值大小。
压板下方的五个小轮辐式压力传感器数值、中心未受力小轮辐式压力传感器数值和薄膜式柔性压力传感器数值、与压板上方的集中力关系应当满足如下关系，由于该装置设置的薄膜式柔性压力传感器为动态荷载传感器，仅在压力瞬间突变的时刻会产生急促的力电信号响应，待其压力稳步增长后其不会产生任何力电信号，因此薄膜式柔性压力传感器仅用于监测力突变环境下的测试工作：
k12(FDl-FE)＝FC-4FF
求得FC后带入可分别求得五个标定桶内真实的受力情况，其中，FDl表示多个小轮辐式压力传感器数值，l表示不同区域小轮辐式压力传感器数量，FE表示对比底座30上方的未受力的小轮辐式压力传感器在超重力环境下的数值，FF表示直线滚珠轴承8在运行过程中产生的阻力，k12表示小轮辐式压力传感器调节系数，在100g的环境下取值范围应当控制在0.98-0.94之间，分别单独计算多个环向围压桶内真实的受力情况，获得的数据需要与薄膜式柔性压力传感器进行比对，得到最终数值；
另外，为了提高标定的精度，在此环节五个围压桶内的真实数据应当单独计算，不应进行平均求解。
(2)干扰数据分析模块是以不平衡离心力和振动频率为激励，将大功率交流同步电机-转轴系统通过数值方法进行离散后，在以转臂和转轴建立的横纵坐标系下的运行过程中振动控制方程为：
式中，M为质量矩阵；k为刚度矩阵；为位移向量；G为陀螺矩阵；C为阻尼矩阵；F激振为电机运行过程中广义的激振力，包含对转子的直接作用力和间接导致的轴承特性变化影响矩阵；F振动为不平衡质量造成的非常规离心力矩阵，F风阻(转臂)为高速旋转下风阻碍转臂运行造成的阻力矩阵，F风阻(吊篮)为高速旋转下风阻碍吊篮运行造成的阻力矩阵。
上述数值及参数通过振动加速度传感器及分布式光纤光栅测得，同时相关数据需要对其进行快速傅里叶变换求得相应简化数值。
(3)标定数据分析模块采用平行对比的方法，将产生的数据横向平行对比，剔除数据错误的点。
实施例2、基于实施例1所提出的标定系统，本实施例提出一种对应的标定方法，如图2所示，具体包括以下步骤：
步骤A、实验准备：将轴向压力承载模块吊入离心机吊篮一侧并进行固定，完成油路、电路、通讯的连接与固定；在常重力下调试通讯与液压单元，安装防溅挡板；常重力下数采设备数值统一归零；根据需要向围压桶内装入一定厚度土样或者液体；
具体的，将搭载液压油缸的承载模块通过吊车吊装的方式调入离心机转臂吊篮的一侧，采用螺栓将其固定在离心机的吊篮内，安装连接相应的辅助设备，对侧吊篮使用配重块将其重量调平(条件允许的情况下，也可以在离心机的两侧吊篮内均固定承载模块进行标定工作)。将油缸系统的油路、电路和信号与离心机滑环所预留的接口连接，调整无线通讯设备，确保通讯不出现故障，各个电子通讯模块内部需要灌胶处理，避免离心机振动对其电路内部的影响，调试完成后安装亚克力防溅挡板。连接液压缸油路与离心机预留油口连接，进行液压油缸的动作测试，确保其运行正常，安装待标定传感器后测试并调整数据系统，确保数采系统设备归零处理，若需要测试土压或液体压力，此时可在环向围压桶内加入一定量的土或液体，目的是模拟超重力环境下的土压与水压对传感器的影响。
完成上述操作后，所有操作人员需要全部撤离离心机机舱到设备控制室内，通过监控画面和传感器反馈数据及控制系统的相关参数进行后续操作。
步骤B、常重力下标定工作：在常重力下启动液压油泵，调整其达到预设压力数值后，在常重力下根据传感器量程及超重力环境下的实际需求调整油压进行若干组的标定工作，完成从极小值到极大值的加载测试工作。
具体如图2所示，在常重力下压头压入环向围压桶内；然后依次在常重力下调整液压油泵油压使其达到预设压力；通过设备传感器数值合理监控调整油压；按照超重力计划依次调整压力数值；完成常重力下一组压力标定工作后，进行若干组重复标定，进而在常重力下完成超重力下既定压力的标定工作；此步骤的目的是对传感器在常重力下的力-电信号进行比对测试，为后续超重力环境下的力-电信号比对进行进一步的对比工作。
步骤C、超重力下标定工作：调整液压油泵压力到超重力环境下第一组既定压力数值大小或将液压油泵压力归零后调整压头不伸出环向围压桶后，启动离心机到初始g值后依次调整液压油泵的压力完成一组标定工作，此顺序与常重力标定工作下的加载顺序一致，调整离心机g值将其更改到下一组g值后重复完成既定压力的标定工作后，重复进行多组，关闭离心机；
具体的，在常重力下调整压力到超重力下第一组压力大小；常重力下压力归零，压头不伸出环向围压桶；然后启动离心机，超重力下达到初始重力数值；超重力下一次调整逐步增大压力数值；观察油压数值和设备传感器反馈数值；调整油压数值直至设备传感器达到既定压力数值；进而在超重力下完成一组压力标定后调整重力数值；然后依次调整逐步减小压力数值；超重力下完成一组压力标定后调整重力数值；关闭离心机。
步骤D、常重力下完成极大值、极小值压力标定工作，完成本组实验数据处理；
在常重力下完成一组传感器极大值和极小值的标定工作后，结束标定工作，进行后续的试验数据处理工作。此目的是测试超重力环境下是否破坏了传感器内部结构，进而造成传感器的力电响应出现了问题。
具体应用时，比如，飞机起落架作为飞机的核心构件，大量的空难和迫降都是由于起落架的故障，特别的是起落架传感器测量的压力数值不能够正确的反馈给飞机驾驶舱的飞行员，最终导致空难的惨案发生，其根本原因是压力传感器在高g值的情况下和高速冲击荷载的作用下出现读数异常的情况。而采用本发明方案，标定过的传感器可用于飞行器中的冲击荷载测量，可用于替换飞机起落架处的冲击荷载传感器，可以确保安装在飞机起落架的压力传感器反馈的读数大大提高，有效的保证了人民生命安全，其应用领域比较广泛，在此不做一一阐述。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (10)
1.用于超重力环境下传感器轴向压力标定系统，其特征在于，包括离心机、承载模块、监测单元、动力单元、数据采集单元以及数据分析单元(16)，待标定传感器安装在承载模块上，承载模块设置在离心机的一侧吊篮(34)内，通过离心机模拟超重力环境；所述动力单元包括液压油缸(29)、液压油泵(1)、控制系统(2)和电力系统(3)，液压油缸(29)固定设置在承载模块上，用以为待标定传感器提供轴向压力动力来源；所述数据分析单元(16)用以分析待标定传感器的数值；
所述承载模块包括从上至下依次设置的顶板(4)、压板(5)和底板(6)，顶板(4)与压板(5)和底板(6)之间贯穿设置有多根拉力钢柱(7)，压板(5)与拉力钢柱(7)之间通过直线滚珠轴承(8)连接；液压油缸(29)的压杆伸出并穿过顶板(4)，通过球头基座(9)固定，底板(6)上设置多个环向围压桶(11)和一个对比底座(30)，环向围压桶(11)内部安装待标定传感器的承载底座(13)，压板(5)的下底面上还设置有多个压头(12)，压头(12)与围压桶(11)上下相对设置，通过压头(12)对围压桶(11)施加压力，压头(12)负责将集中轴向荷载分配到多个待标定传感器上方；
所述监测单元包括小轮辐式压力传感器(17)，大轮辐式压力传感器(28)，薄膜式柔性压力传感器(18)，振动加速度传感器(19)，分布式光纤光栅条形传感器(20)，应变片(21)和拉线位移传感器(22)；分布式光纤光栅条形传感器(20)用于测量离心机在运行过程中机器自身振动的频率与峰值；应变片(21)用于监测液压油缸(29)在运行过程中的多根拉力钢柱的应变情况；拉线位移传感器(22)用于监测压板(5)的位移；振动加速度传感器(19)用于监测承载模块在离心机高速运行过程中的振动情况以及离心机转臂的振动情况；大轮辐式压力传感器(28)用于监测液压油缸(29)在运行过程中的总压力；小轮辐式压力传感器(17)用于监测每个环向围压桶(11)上方的压力；薄膜式柔性压力传感器(18)用于监测环向围压桶(11)内部压头(12)作用在承载底座(13)上方的瞬间冲击荷载。
2.根据权利要求1所述的用于超重力环境下传感器轴向压力标定系统，其特征在于：所述小轮辐式压力传感器(17)安装在对比底座(30)上方以及压头(12)与压板(5)之间；安装在对比底座(30)上的小轮辐式压力传感器(17)仅承受超重力的作用；压头(12)和压板(5)之间的小轮辐式压力传感器(17)用于监测超重力压力状态下的待标定传感器的真实受力情况；
所述大轮辐式压力传感器(28)安装在球头基座(9)与压板(5)之间，用于监测液压油缸的动作推出的力的大小；
所述薄膜式柔性压力传感器(18)安装在承载底座(13)上以及对比底座(30)上方的小轮辐式压力传感器(17)上方，安装在承载底座(13)上的薄膜式柔性压力传感器(18)用于监测动态荷载，安装在对比底座(30)上的薄膜式柔性压力传感器(18)仅用于对比分析；
所述振动加速度传感器(19)安装在底板(6)的四个侧边的边缘上、吊篮(34)以及离心机转臂(35)的侧面上，用于共同监测振动在不同构件上的情况以此用于评判振动对整个标定过程中的影响；
所述分布式光纤光栅条形传感器(20)安装在离心机的的转臂(35)上；
所述应变片(21)安装在顶板(4)与压板(5)以及压板(5)与底板(6)之间的拉力钢柱(7)上，并在同一高度上，用于监测运行过程中拉力钢柱(7)上的拉力变化；
所述拉线位移传感器(22)安装在顶板(4)与压板(5)之间，用于监测压板(5)的位移变化。
3.根据权利要求1所述的用于超重力环境下传感器轴向压力标定系统，其特征在于：所述顶板(4)采用挤压方式制作，从上至下依次包括第一顶板(401)、第二顶板(402)、第三顶板(403)，第一顶板(401)和第三顶板(403)上设置有相互配合的凹凸结构，第一顶板(401)和第三顶板(403)均采用Q690D高强钢板，第二顶板(402)为采用聚二甲基硅氧烷制作的柔性平面板。
4.根据权利要求1所述的用于超重力环境下传感器轴向压力标定系统，其特征在于：所述底板(6)采用挤压方式制作，从上至下依次包括第一底板(601)、第二底板(602)、第三底板(603)，第一底板(601)和第三底板(603)上设置为相互配合的齿状结构，第一底板(601)和第三底板(603)均采用40Gr高强钢板，第二顶板(602)为采用聚二甲基硅氧烷制作的柔性平面板。
5.根据权利要求1所述的用于超重力环境下传感器轴向压力标定系统，其特征在于：所述环向围压桶(11)包括筒体(101)和底托板(102)，筒体(101)设置在底托板(102)上，沿筒体(101)的周向竖直设置有加筋挡板(103)，承载底座(13)安装在筒体(101)内。
6.根据权利要求5所述的用于超重力环境下传感器轴向压力标定系统，其特征在于：所述筒体(101)的尺寸设计原理如下：
设待标定传感器(13)的直径为D1，厚度为H1，筒体(101)内部直径D2，外径为D3，高度为H2；加筋挡板(103)的数量为Q，与筒体(101)贴合的高度为H3，与底托板(102)贴合的长度为H4，加筋挡板(103)的厚度为H5；底托板厚度H6，所进行测试的超重力极限环境的数值为N，进行的压力测试极限大小为P，则有：
D2＝k7×N×D1
H2＝k8×D2
H4＝k9×H3＝k10×H2
其中，k7、k8、k9、k10为调节系数，加筋挡板厚度H5、底托板厚度H6的取值与待标定传感器的直径D1保持一致；
加筋挡板数量Q取值范围如下：N≤50，Q≥2；N≤100，Q≥4；N≤200，Q≥6。
7.根据权利要求2所述的用于超重力环境下传感器轴向压力标定系统，其特征在于：所述数据分析单元用以分析待标定传感器的数值，包括常规数据分析模块、干扰数据分析模块和标定数据分析模块；
(1)常规数据分析模块用以将大、小轮辐式压力传感器压力数值、薄膜式柔性压力传感器数值、油压数值、应变片压力数值、拉线位移传感器数值进行分析，求解作用在待标定传感器上方真实力的数值大小：
其中，油压数值与拉线位移传感器数值的走向趋势一致；拉线位移传感器仅为了确定压板上升和下降的高度，数值不进行压力大小的数值计算；
油压数值的大小通过油泵供油压力和大轮辐式压力传感器以及应变片的拉力数值进行计算，计算公式：
其中，FBi，j，FAi，j为安装在四根拉力钢柱两个相同平面内的应变片反馈的拉力数值的大小，i表示拉力钢柱个数，j表示同根拉力钢柱同一平面内对应的应变片个数，k5和k6为安装位置处的拉力调节系数，数值大小由安装在拉力钢柱高度确定；FC为大轮辐式压力传感器测量的数值大小；R为液压缸内径；p为油泵供油压力的大小；F压板为真实作用在压板上方的集中力的数值大小；
压板下方的多个小轮辐式压力传感器数值FDl、中心未受力的小轮辐式压力传感器数值FE、与压板上方的大轮辐式压力传感器捕获的集中力的数值FC关系满足如下关系：
k12(FDl-FE)＝FC-4FF
其中，FF表示直线滚珠轴承在运行过程中产生的阻力，l表示不同区域小轮辐式压力传感器数量，FE表示对比底座上方的未受力的小轮辐式压力传感器在超重力环境下的数值，k12为小轮辐式压力传感器调节系数，分别单独计算多个环向围压桶内真实的受力情况，获得的数据需要与薄膜式柔性压力传感器进行比对，得到最终数值；
(2)干扰数据分析模块是以不平衡离心力和振动频率为激励，将大功率交流同步电机-转轴系统通过数值方法进行离散后，在以转臂和转轴建立的横纵坐标系下的运行过程中振动控制方程：
式中，M为质量矩阵；k为刚度矩阵；为位移向量；G为陀螺矩阵；C为阻尼矩阵；F激振为电机运行过程中广义的激振力，包含对转子的直接作用力和间接导致的轴承特性变化影响矩阵；F振动为不平衡质量造成的非常规离心力矩阵，F风阻(转臂)为高速旋转下风阻碍转臂运行造成的阻力矩阵，F风阻(吊篮)为高速旋转下风阻碍吊篮运行造成的阻力矩阵；
(3)标定数据分析模块采用平行对比的方法，将计算产生的待标定传感器在不同重力环境下的真实受力大小数据横向平行对比，剔除数据错误的点。
8.根据权利要求1所述的用于超重力环境下传感器轴向压力标定系统，其特征在于：所述数据采集单元包括第一数采系统(14)和第二数采系统(15)，第一数采系统(14)为采集待标定传感器产生的数据，第二数采系统(15)用以采集监测单元传感器产生的数据。
9.根据权利要求8所述的用于超重力环境下传感器轴向压力标定系统的标定方法，其特征在于：所述标定系统还包括漏电保护开关(24)、声光提醒装置(25)及急停装置(26)；且在压板(6)底部对角线位置安装超短焦全景摄像机(27)，负责监测超重力环境下的实时运行状态。
10.基于权利要求1所述的用于超重力环境下传感器轴向压力标定系统的标定方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤A、实验准备：将轴向压力承载模块吊入离心机吊篮一侧并进行固定，完成油路、电路、通讯的连接与固定；在常重力下调试通讯与液压单元，安装防溅挡板；常重力下数采设备数值统一归零；根据需要向围压桶内装入一定厚度土样或者液体；
步骤B、常重力下标定工作：在常重力下启动液压油泵，调整其达到预设压力数值后，在常重力下根据传感器量程及超重力环境下的实际需求调整油压进行若干组的标定工作，完成从极小值到极大值的加载测试工作；
步骤C、超重力下标定工作：调整液压油泵压力到超重力环境下第一组既定压力数值大小或将液压油泵压力归零后调整压头不伸出环向围压桶后，启动离心机到初始g值后依次调整液压油泵的压力完成一组标定工作，此顺序与常重力下标定工作的加载顺序一致，调整离心机g值将其更改到下一组g值后重复完成既定压力的标定工作后，重复进行多组，关闭离心机；
步骤D、常重力下完成极大值、极小值压力标定工作，完成本组实验数据处理。
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