[发明专利]一种基于MonteCarlo模拟的力传感器动态校准方法

说明书

技术领域

本发明属于机械量计量技术领域，涉及到一种基于Monte Carlo模拟的力传感器动态校准方法，适用于不同型号力传感器的动态校准。

背景技术

力传感器作为机械量信号的测量手段之一，广泛地应用于航空航天、车辆工程、武器装备、机器人等前沿领域。在航空发动机推力监测、汽车零部件性能检测、武器杀伤力评估、材料性能测试等高精度测量方面，更加依赖于力传感器的准确测量。力传感器的良好性能是高精度测力的保证。动态校准的目的是实现力传感器性能参数的精确估计，任何关键参数的校准失误，都将导致力传感器示值与真实载荷之间的偏离。因此，设计合理的力传感器校准方法是提高测力精度的有效途径。

力传感器动态校准的现有方法主要有两种。第一种为基于测量数据的校准方法。通过建立力传感器灵敏度与敏感面输出之间的模型来实现校准。由于动态激振过程的灵敏度偏移，利用未修正的静态灵敏度往往会引起较大的精度损失；另外，微小的重力和信号干扰还会引起较大的校准误差。第二种为基于外加配重的校准方法。该方法规避了动态灵敏度对测量精度的影响。其校准过程为：分别测量力传感器在空载激振和配重激振下的输出，再利用比较法消去模型中的动态灵敏度，从而实现力传感器的校准。但是，由于空载输出时的灵敏度往往因噪声干扰而产生非线性畸变，造成较大的模型误差，不利于力传感器的高精度动态校准。

发明内容

本发明一种基于Monte Carlo模拟的力传感器动态校准方法，具体包括以下步骤：

步骤一：被校准力传感器初始参数的设置

将力传感器初始灵敏度设置为出厂时的静态灵敏度；设置初始惯性质量设置Monte Carlo模拟的样本量N，设置样本的最大配重质量M；设置力传感器灵敏度的允许最大偏差δ；设置加速度和电压的测量不确定度σ；

步骤二：被校准力传感器输出电压U_i(t)的测量

将被校准力传感器安装在正弦激振台的输出端，通过二维精密微动平台调整双频激光干涉仪的位置和方向，使激光输出轴对准被校准力传感器的输出端的中心；将不同质量的外加配重M_i安装在传感器的输出端，其中1≤i≤N；启动正弦激振台以一定的频率起振；利用双频激光干涉仪实时测量配重质量的激振加速度a_i(t)，同时测控平台通过数据采集卡记录被校准力传感器的输出电压U_i(t)；

步骤三：动态校准的Monte Carlo模型的建立

根据牛顿第二定律，对力传感器进行重复外加配重，建立惯性质量与传感器输出之间的关系，即

(m_e+M_i)a_i(t)＝U_i(t)/S_d(t) (1)

其中，M_i为第i次外加配重的质量；a_i(t)为t时刻的加速度；U_i(t)为对应t时刻力传感器的输出电压；S_d(t)为力传感器在动态测量过程中的灵敏度；

令传递系数k_i(t)＝U_i(t)/a_i(t)，则配重模型可以简化为

k_i(t)＝(m_e+M_i)S_d(t) (2)

在测量过程中，配重质量M_i和传递系数k_i(t)均为惯性质量m_e的随机变量；其中配重质量服从区间为(0,M)的均匀分布；传递系数k_i(t)作为加速度a(t)和电压U(t)的测量结果，服从标准正态分布；二者的概率密度函数分别为

对式(3)进行离散逆变换，分别抽样出配重质量M_i和传递系数k_i(t)的样本，即

根据式(4)，将配重模型进一步变换为

其中，R₁、R₂和R₃分别为区间(0,1)内的随机数；

步骤四：有效模拟值的区间判断

从随机变量{M_i,k_i(t)}的样本量N中，分别对R₁、R₂和R₃进行伪随机数生成，当模拟值满足区间判断准则