CN1563922A - 脉冲力的测量方法 - Google Patents

Abstract

一种脉冲力测量方法。属于精密测量领域。本方法依据的测量原理是牛顿第二定律，令待测力F推动一个质量为m的滑块，测量出滑块的质量m和滑块的加速度α，再由牛顿第二定律公式算出相应的力。加速度α的测量是通过测量滑块的位移X随时间t的变化关系X(t)，再经过对时间的两次求导而得到的。若滑块的质量m事先已知，则在求得加速度α后，直接代入牛顿第二定律公式即可求得力F，否则采取给滑块增加已准确知道质量的附加砝码的方法，重复几次测量即可在数据处理时消除滑块质量未知的影响。

Description

脉冲力的测量方法

技术领域：

本发明涉及脉冲力的一种测量方法，属精密测量领域。

背景技术：

脉冲力是科学研究或工业工程中常见的一种施力方式，有时侯需要精密测量出它的具体微观形式，即测量出力随时间或空间的分布。本发明就是为满足这一要求而研制成功的。目前有关脉冲力测量的文献不多，已发表的测量方法如图1所示，它采用压电元件1作为敏感元件，压电元件的电极2上的电压与其受到的力F成正比，测量出压电元件电极2上的电压便测得了力F。但压电元件上电压讯号的引出靠的是在压电片上蒸发的金属镀层电极2，有了电极就必然存在着电容，而电容的存在限制了测量的速度。在脉冲力随时间变化很快而需要快速测量时，若采用压电元件进行测量，必将出现失真和滞后，或者根本无法进行测量。

发明内容：

本发明属精密测量领域，涉及脉冲力的一种测量方法。它可应用于迅变的脉冲力的精密测量的场合。其关键技术要点如下：

本脉冲力的测量方法依据的测量原理是牛顿第二定律： $\stackrel{\→}{F}=m\stackrel{\→}{a}$

令待测力F推动一个滑块m，测量出滑块的质量m和滑块的加速度a，即可得到力力F。

加速度a的测量是通过测量滑块的位移X随时间t的变化关系，再经过对时间t的两

$\stackrel{\→}{a}=\frac{d^2\stackrel{\→}{X}\left(t\right)}{d{t}^2}$

次求导而得到的。即：若已测得X(t)，则

位移X随时间t的变化关系X(t)的精密测量的步骤如下。用高精密位移传感器测量滑块的位移，用高精度石英晶体振荡器测量时间。当滑块在待测力F的推动下运动时，由微机控制读取滑块行程中许多个分离点处的位移及相应的时间，这些数据组成许多个数据对[X_i，t_i]，对这些数据对作最小二乘法多项式曲线拟合，便可以准确地得到X(t)的具体表达式。具体步骤如下：令待求的位移X随时间t的变化关系为

               X₀(t)＝a₀+a₁t+a₂t²+……+a_ntⁿ

式中t的各次幂的系数若能够求得，则拟合结果也就知道了。求诸系数的方法就是所谓最小二乘法，即求使 $H=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{[X\left(t_i\right)-X_i]}^2$ 为最小值时的各系数a_i。具体算法是求H对各系数a_i的导数且令它们均为零，这样便得到了n+1个方程，其中包含待求的n+1个未知数a_i。解此方程组即可得到诸系数a_i。实践表明，n＝9-11时的结果较好。

若滑块的质量m事先已知，则在求得加速度a后直接代入牛顿第二定律公式即可求得力F，否则采取给滑块增加已准确知道质量的附加砝码，重复几次测量即可在数据处理时消除未知质量的影响。具体方法如下。设在力程上的某一点X处，第一次测出滑块在没加附加砝码时的加速度为a₀，第二次测出加上附加砝码Δm₁后的加速度为a₁，第三次测出加上附加砝码Δm₂后的加速度为a₂，设摩擦系数为μ，则可根据牛顿第二定律列出方程如下：

F-mgμ＝ma₀

F-(m+Δm₁)μg＝(m+Δm₁)a₁

F-(m+Δm₂)μg＝(m+Δm₂)a₂

这是关于F、m、μ的方程组，三个未知数三个方程，力F可容易地被解出来。

附图说明

图1为压电式脉冲力测试装置的原理图。

图2为依据本测试方法研制的测试装置的具体结构示意图。

图3为图2中导轨滑块横截面的AA剖视图。

图4为本发明测试方法的测试程序框图。

具体实施方式：

参照附图说明实施例如下。依据本方法制作的测量装置的总体结构如图2所示，它主要由测试台、微机3和打印机4三大部分组成。测试台主要由滑块14、导轨15以及附加砝码8组成。导轨15固定在基座10上，滑块14可沿导轨15滑动；精密位移传感器(光栅尺)的定尺6固定在基座10上，动尺5固定在滑块14上，精密位移传感器测量得到滑块14的位移X，它的读数由电缆7传入微机3。微机3中设置有数据采集卡，控制程序框图如图4所示，时间测量所需要的石英晶体振荡器直接装在数据采集卡上，在滑块14受脉冲力推动而运动时，数据采集卡负责采集并指令微机存储数据。微机3按规定的程序完成数据处理并指令打印机4打印出测量结果。由于滑块14和位移传感器动尺5固定在一起，不能拆卸，故滑块质量m无法事先精确知道，为消除滑块质量m未知的影响，特设置了一组质量已准确知道的附加砝码8(质量为100.0克200.0克和300.0克)，在滑块上增加附加砝码进行重复测量可通过数据处理消除滑块质量未知的影响。滑块14沿导轨15滑动时必然会受到摩擦阻力的作用，数据处理程序通过对重复测量的数据进行分析可求出摩擦系数进而求出阻力并把它扣除。测量时，启动测量程序，激活数据采集卡使它出于准备状态，把待测脉冲力的施力装置12固定在元件座9上，让滑块14刚好接触施力装置12的推杆13，按照程序界面窗口的提示，更换可拧在滑块14上的附加砝码8，开启待测脉冲力的施力装置12的启动开关11，即可完成测量；欲打印结果时按窗口的提示进行操作即可进行打印。实际测量时间在0.6秒左右，力程约40.0mm左右，采集数据对的数目约3000-5000个。

Claims (1)

1、一种脉冲力的测量方法，其特征是依据牛顿第二定律： $\stackrel{\→}{F}=m\stackrel{\→}{a}$

令待测力F推动一个滑块m，测量出滑块的质量m和滑块的加速度a，即可得到力力F。加速度a的测量是通过测量滑块的位移X随时间t的变化关系，再经过对时间t的两次求导而得到的。若滑块的质量m事先已知，则在求得加速度a后直接代入牛顿第二定律公式即可求得力F，否则采取给滑块增加已准确知道质量的附加砝码，重复几次测量即可在数据处理时消除未知质量的影响。

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