CN116593043A - 一种用于力传感器数据采集系统频率响应装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于力传感器数据采集系统频率响应装置及测量方法，包括力传感器和与力传感器输出端电连接的数据采集系统，所述数据采集系统通过传输电路还分别连接有用于输出交流标准电压信号的标准源、用于记录数据采集系统频率和电压信号的频率表以及数字多用表，力传感器包括力敏弹性体和套设在所述力敏弹性体上的信号输出部，力敏弹性体的周围上贴装有多个用于检测力敏弹性体应变的应变片，多个应变片通过信号输出部上的信号线与数据采集系统电连接，力敏弹性体的顶部固定有加荷平台；利用该频响测试系统可以更为准确的获得力传感器数据采集系统的频率响应，消除了由于频响分析仪的内部电压源、最大允许误差的影响因素。

Description

一种用于力传感器数据采集系统频率响应装置及测量方法

技术领域

本发明涉及力传感器测量装置技术领域，特别是一种用于力传感器数据采集系统频率响应的装置及测量方法。

背景技术

力传感器的数据采集系统，连接于力传感器的输出端，用于采集并显示力传感器的输出电压、频率等信号，并对信号的幅度、相位等特性进行评估。数据采集系统既可用于静态力输出信号的测量，可也以用于评估动态力。在力传感器输出信号的测量过程中，一项非常重要的指标就是要评估在工作频率范围内频响变化量，以确定力传感器的动静态特性是否符合要求。根据JJG 556-2011《轴向加力疲劳试验机检定规程》的要求，在力传感器的测量过程中，要求在工作频率范围内，频率响应的变化不超过±0.1dB。如果力传感器输出信号的频率响应达不到技术要求，会导致测量误差较大，无法准确评估不同频率下动态及静态力的输出特性。

现行轴向加力疲劳试验机检定规程中仅有对频率响应允许变化量的简单描述，而并未叙述如何测得其频率响应并对其进行评估，按JJG 623-2005《电阻应变仪检定规程》中对于动态电阻应变仪中频率响应的测量方法中规定，频率响应可通过频响测量仪测得。用频响测量仪测量频率响应的方法，是把数据采集系统的输出信号和频响仪相连接，设置某一频率为参考频率点(如20Hz)，不断改变输出信号的频率，测量各个频率点对于参考频率的变化量。测量原理是把从数据采集系统输出的信号经频响仪内部的信号源、调制器、dB变换器，把运算完成的dB值在频响仪上显示出来。

利用上述方法，虽然在理论上能够测出数据采集系统的频率响应，但在实际测量过程中存在多方面的影响：

1)频响测量仪是以1V为输出电压标准，测量的是1V左右的信号，通过改变输出电压的频率来测量输出电压的变化。而力传感器输出到数据采集系统的信号为mV级信号(通常为0.1mV～20mV)。如果用频响测试仪来测量，测量的信号与其内部配置的标准信号并不匹配，会导致测量准确度偏低或测量不确定度偏大；

2)频响测量仪的分辨力为0.1dB，且在10Hz～100kHz范围内的误差为±0.1dB。而规程要求被测量的允差为±0.1dB，即标准器和被检设备为同一级别，用频响测量仪无法对力传感器数据采集系统的频响值实现测量。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种用于力传感器数据采集系统频率响应的装置及测量方法，以解决上述背景技术中所提出的技术问题。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种用于力传感器数据采集系统频率响应装置，包括力传感器和与力传感器输出端电连接的数据采集系统，所述数据采集系统通过传输电路还分别连接有用于输出交流标准电压信号的标准源、用于记录数据采集系统频率的频率表以及用于记录数据采集系统交流电压的数字多用表；

所述力传感器包括力敏弹性体和套设在所述力敏弹性体上的信号输出部，力敏弹性体的周围上贴装有多个用于检测力敏弹性体应变的应变片，所述多个应变片通过信号输出部上的信号线与数据采集系统电连接，力敏弹性体的顶部固定有加荷平台。

上述发明内容中，进一步的，所述力敏弹性体的底部设有用于固定力传感器的固定平台，所述固定平台上设有多个螺纹安装孔，通过螺纹安装孔和固定螺栓将力传感器固定在工作设备上。

上述发明内容中，进一步的，所述力敏弹性体外设有保护壳，所述保护壳包括分别固定在加荷平台下表面的壳体一和固定在固定平台上表面的壳体二，所述壳体一与壳体二之间滑动连接。

上述发明内容中，进一步的，所述壳体一的内侧固定有滑杆，所述壳体二上开设有滑槽，所述滑杆在滑槽沿滑槽的长度方向滑动。

上述发明内容中，进一步的，所述壳体二上还设有供信号线通过的通孔。

上述发明内容中，进一步的，包括以下步骤：

S1、将力传感器的输出端与数据采集系统连接，数据采集系统采集并显示力传感器的输出电压、频率信号；

S2、将标准源、频率表与数字多用表电连接，用标准源输出一个幅值为20mV,频率为60Hz的交流标准电压信号，记录此时数字多用表测得的电压的显示值U0；

S3、不改变信号幅值，调整信号频率为f1，记录此时数字多用表交流电压的显示值U；

S4、计算当频率为f1时，输出信号的频率响应，计算公式如下：

其中，A—输出信号的频率响应(dB)；

U—其它频率下的电压实际值(V)；

U0—基准频率下的电压实际值(V)。

本发明的有益效果是：

通过改变不同输入电压及输入频率的对比验证，组建的频率响应测试系统所得的结果具有良好的一致性，利用该频响测试系统可以更为准确的获得力传感器数据采集系统的频率响应，消除了由于频响分析仪的内部电压源、最大允许误差的影响因素，提高了力传感器数据采集系统频率响应的测量不确定度，其测量不确定度可以优于0.2％(k＝2)。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明力传感器的结构示意图。

图中，1-力传感器，2-数据采集系统，3-标准源，4-频率表，5-数字多用表，6-力敏弹性体，7-应变片，8-信号输出部，9-固定平台，10-加荷平台，11-保护壳，111-壳体一，112-壳体二。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例：

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具备特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

请参阅附图1-附图2所示，一种用于力传感器数据采集系统2频率响应装置，包括力传感器1和与力传感器1输出端电连接的数据采集系统2，所述的数据采集系统2用于采集并显示力传感器1的输出电压、频率等信号，并对信号的幅度、相位等特性进行评估，既可用于静态力输出信号的测量，可也以用于评估动态力。数据采集系统2通过传输电路还分别连接有用于输出交流标准电压信号的标准源3、用于记录数据采集系统2频率的频率表4以及用于记录数据采集系统2交流电压的数字多用表5，频率表4和数字多用表5可以更加精确地测得调整后的频率和电压值；

所述力传感器1包括力敏弹性体6和套设在所述力敏弹性体6上的信号输出部8，力敏弹性体6的周围上贴装有多个用于检测力敏弹性体6应变的应变片7，所述多个应变片7通过信号输出部8上的信号线与数据采集系统2电连接，力敏弹性体6的顶部固定有加荷平台10。具体地，所述的加荷平台10就是力传感器1的受力部，为了保证力传感器1受力均匀，加荷平台10可以是长方体，可以是半球形状，且半圆球头的在受到正向力或压力时，会使得受力准确，且对于施加的物体具有一定的保护作用，光滑的表面不会划伤人体或者磨损物品。当加荷平台10受到外部施加的压力时，会使得力敏弹性体6产生形变，贴附在力敏弹性体6上的应变片7感应到力敏弹性体6的形变后会将力敏弹性体6的形变转换成应变片7电阻的变化，再通过测量电路将电阻的变化转换成电压或电流的变化，进而在通过信号输出部8将变化的信号输出得到变化的数值，得到压力的大小，并由数据采集系统2读取、采集并显示力传感器1的输出电压、频率等信号。

上述实施例中，优选的，所述力敏弹性体6的底部设有用于固定力传感器1的固定平台9，所述固定平台9上设有多个螺纹安装孔，通过螺纹安装孔和固定螺栓将力传感器1固定在工作设备上，增加力传感器1的稳定性。

上述实施例中，优选的，请参阅附图2所示，为了避免力敏弹性和应变片7在使用过程中受到其它设备碰撞而产生形变，进而影响数据采集系统2不能采集到的准确的频率和电压值，因此，在所述力敏弹性体6外设有保护壳11，保护力敏弹性体6和应变片7不受其它因素影响，提高数据测量的准确性。所述保护壳11包括分别固定在加荷平台10下表面的壳体一111和固定在固定平台9上表面的壳体二112，所述壳体一111与壳体二112之间滑动连接。

上述实施例中，优选的，所述壳体一111的内侧固定有滑杆，所述壳体二112上开设有滑槽，所述滑杆在滑槽沿滑槽的长度方向滑动。具体地，当加荷平台10受到外部施加的压力时，壳体一111受力使滑杆沿着壳体二112上的滑槽移动，进而壳体一111与壳体二112之间滑动连接，力敏弹性体6在保护壳11内压缩并产生产生形变。

上述实施例中，优选的，所述壳体二112上还设有供信号线穿过的通孔。

在测量力传感器数据采集系统2的频率响应的过程中，具体包括以下步骤：

S1、首先将力传感器1通过固定平台9固定好后，将力传感器1的输出端与数据采集系统2连接，使加荷平台10受力，应变片7将力敏弹性体6产生的形变转化成频率和电压信号并通过信号输出部8输出，数据采集系统2用于采集并显示力传感器1的输出电压、频率信号；

S2、为了精确测得数据采集系统2的数据是否准确，还需要通过测量其频率响应检测数据采集系统2的输出的电压信号是否达到要求，因此，将标准源3、频率表4与以及数字多用表5与数据采集系统2电连接，用标准源3输出一个幅值为20mV,频率为60Hz的交流标准电压信号，记录此时数字多用表5测得的电压的显示值U0；

S3、不改变信号幅值，调整信号频率为f1，记录此时数字多用表5交流电压的显示值U；在测量中，参考频率时的电压值U0及调整频率后的电压值U可通过数字多用表5测得，参考频率及调整后的频率可通过频率表4测得。

S4、计算当频率为f1时，输出信号的频率响应，计算公式如下：

其中，A—输出信号的频率响应(dB)；

U—其它频率下的电压实际值(V)；

U0—基准频率下的电压实际值(V)。

通过上述公式则可算得力传感器1数据采集系统2的输出频响值，上述实施例中所用的标准器具在实验室中较为常见且准确度高，交流电压的标准器准确度等级一般不大于0.1级，频率表4的准确度等级不大于0.01级，整个测量的过程简单，且与传统用频响测量仪测量数据采集系统2的方法相比，本实施例从输出电压范围及准确度等方面更易于实现，不存在频响测量仪与数据采集系统2的信号单位不等同进而造成的误差较大的问题。

通过改变不同输入电压及输入频率的对比验证，组建的频率响应测试系统所得的结果具有良好的一致性，利用该频响测试方法可以更为准确的获得力传感器1数据采集系统2的频率响应，消除了由于频响分析仪的内部电压源、最大允许误差的影响因素，提高了力传感器1数据采集系统2频率响应的测量不确定度，其测量不确定度可以优于0.2％(k＝2)。

本方法不仅可以用于测量力传感器1数据采集系统2的频率响应，同时也能测量其它应变系统的频率响应，如条件允许，也可用于测量其他电子系统的频率响应，具有较高的应用价值。

以上所述实施例仅表达了本发明的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种用于力传感器数据采集系统频率响应装置，其特征在于，包括力传感器和与力传感器输出端电连接的数据采集系统，所述数据采集系统通过传输电路还分别连接有用于输出交流标准电压信号的标准源、用于记录数据采集系统频率的频率表以及用于记录数据采集系统交流电压的数字多用表；

所述力传感器包括力敏弹性体和套设在所述力敏弹性体上的信号输出部，力敏弹性体的周围上贴装有多个用于检测力敏弹性体应变的应变片，所述多个应变片通过信号输出部上的信号线与数据采集系统电连接，力敏弹性体的顶部固定有加荷平台。

2.根据权利要求1所述的用于力传感器数据采集系统频率响应装置，其特征在于，所述力敏弹性体的底部设有用于固定力传感器的固定平台，所述固定平台上设有多个螺纹安装孔，通过螺纹安装孔和固定螺栓将力传感器固定在工作设备上。

3.根据权利要求2所述的用于力传感器数据采集系统频率响应装置，其特征在于，所述力敏弹性体外设有保护壳，所述保护壳包括分别固定在加荷平台下表面的壳体一和固定在固定平台上表面的壳体二，所述壳体一与壳体二之间滑动连接。

4.根据权利要求3所述的用于力传感器数据采集系统频率响应装置，其特征在于，所述壳体一的内侧固定有滑杆，所述壳体二上开设有滑槽，所述滑杆在滑槽沿滑槽的长度方向滑动。

5.根据权利要求4所述的用于力传感器数据采集系统频率响应装置，其特征在于，所述壳体二上还设有供信号线通过的通孔。

6.一种基于权要求5所述的用于力传感器数据采集系统频率响应装置的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、将力传感器的输出端与数据采集系统连接，数据采集系统采集并显示力传感器的输出电压、频率信号；

S2、将标准源、频率表以及数字多用表与数据采集系统电连接，用标准源输出一个幅值为20mV,频率为60Hz的交流标准电压信号，记录此时数字多用表测得的电压的显示值U₀；

S3、不改变信号幅值，调整信号频率为f₁，记录此时数字多用表交流电压的显示值U；

S4、计算当频率为f₁时，输出信号的频率响应，计算公式如下：

其中，A—输出信号的频率响应(dB)；

U—其它频率下的电压实际值(V)；

U₀—基准频率下的电压实际值(V)。