[发明专利]一种多分量力及力矩的测量方法及系统

说明书

本发明公开一种多分量力及力矩的测量方法及系统。该方法通过获取加速度传感器测量值；根据所述加速度传感器测量值、所述加速度传感器的固有频率和阻尼比，获取第一加速度值；根据所述第一加速度向量确定惯性力向量；获取力传感器施加于刚体的力向量；根据所述惯性力向量和所述力传感器施加于刚体的力向量，确定所述刚体受到的多分量力及力矩值，所述多分量力及力矩值为所述刚体的除力传感器施加的力以外的力向量。采用本发明的方法及系统，将加速度传感器的阻尼计算在内，考虑了阻尼造成的输出偏差问题，显著提高了测量的精度，降低了相应的人力、物力成本。

技术领域

本发明涉及力学测量领域，特别是涉及一种多分量力及力矩的测量方法及系统。

背景技术

某些科学研究或生产活动中，如风洞实验中的大迎角俯仰动态气动特性实验、快速拉起气动特性实验、摇滚特性实验、风洞启动冲击载荷实验等，都有测量快速变化的多分量力及力矩的需求。某些类型的力传感器测量过程需要测量端相对固定端产生一定的位移或角位移，而测量端存在跟随运动的大惯性部件，且传感器阻尼较小，导致系统固有频率低、阻尼比小，无法对快速变化的力或力矩产生准确输出。

以目前高速和低速风洞动态实验中使用最广泛的测力传感器应变天平为例，天平测量原理是力引起力传感器元件应变，进而引起组成惠斯通电桥的电阻应变计阻值变化，最终引起电桥输出电压变化。测量过程需要测量端相对固定端产生一定的位移或角位移，且测量端安装有质量、惯量是测量端自身质量、惯量数倍至数千倍以上的实验模型，导致系统固有频率和阻尼比相对未装模型时大幅度降低。在0.6米至2米量级风洞中，系统固有频率中的最低固有频率一般在4～40Hz范围内，阻尼比一般小于0.1，低固有频率和小阻尼比造成系统输出需要较长的调整时间，存在过大的超调和较长时间的振荡。为了使测量系统能够尽可能精确反映快速变化的输入，系统应当具有较高的最低固有频率，或者具有合适的阻尼比(工程上常取0.707)，或者二者同时具备。为保证工程上可接受的灵敏度，天平元件必须产生足够的应变，这限制了力传感器的刚度，使系统难以获得较高的固有频率。此外，天平结构本身难以设置阻尼机构，造成系统阻尼比过低。因此，依赖天平测量系统本身难以精确测量快速变化的力及力矩输入。

发明内容

本发明的目的是提供一种多分量力及力矩的测量方法及系统，通过综合力传感器和加速度传感器输出，且考虑加速度传感器阻尼造成的输出偏差问题，从而提高多分量力及力矩的测量精度。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种多分量力及力矩的测量方法，所述方法包括：

获取n个加速度传感器的测量值；

根据所述n个加速度传感器测量值、所述加速度传感器的固有频率和阻尼比，确定第一加速度向量；

根据所述第一加速度向量确定惯性力向量；

获取力传感器施加于刚体的力向量；所述力传感器施加于刚体的力向量为力传感器输出值向量的负值；

根据所述惯性力向量和所述力传感器施加于刚体的力向量，利用公式F_e＝-F_I-F_b确定所述刚体受到的多分量力及力矩值，所述多分量力及力矩值为所述刚体受到的除力传感器施加的力以外的力向量，其中F_I为惯性力向量；F_b为力传感器施加于刚体的力向量，为所述力传感器输出的测量值的负值。

可选的，所述根据所述加速度传感器测量值、所述加速度传感器的固有频率和阻尼比，确定第一加速度向量，具体包括：