[发明专利]一种基于传感器灵敏度差异测力仪的标定方法

说明书

本发明提供了一种基于传感器灵敏度差异测力仪的标定方法，采用可平移的主向力加载机构，保证主向加载力力线与压电测力单元的轴线重合；通过阶梯加载满量程的主向力，重复多次并记录输出电压；对数据进行处理，计算得到每个压电力传感器的力电转换系数及其偏差；对测力仪进行中心点标定实验，利用测力仪中心点的实际输出与理论输出计算得到其稳定输出的修正系数，再结合测力单元力电转换系数及其偏差，将主向的输出分解为稳定输出和波动输出两部分；最后引入测力仪主向加载的力学分配公式，建立测力仪主向输入与输出的关系式，完成测力仪的标定。本方法解决了之前对变加载点矢量力测试精度较低的问题，提高了矢量力测试装置的测试精度。

技术领域

本发明属于压电测力技术领域，涉及一种基于传感器灵敏度差异测力仪的标定方法，可得到多加载点力输入与测力仪输出的高精度映射关系，有效提高多加载点力的标定精度。

背景技术

测力仪作为工程测试中的核心部件，可测量笛卡尔坐标系下的力F_x、F_y和F_z以及力矩M_x、M_y、M_z，被广泛应用于力测量领域。标定作为测试前的重要环节，决定测试时灵敏度系数的大小，直接影响测试精度。标定测力仪时的加载方法主要分为砝码加载、机械加载、液压加载，具有操作简单、易于控制等优势，分别适用于不同的工况中。加载力值小时，采用砝码加载；加载力值较大时，采用机械加载结合标准力传感器或标准力环；加载力值大且加载装置不便人员操作时，采用液压加载。

对于测力仪的标定方法，主要针对单个加载点，即对测力仪的中心进行标定，采用最小二乘法得到单加载点力输入与测力仪输出的线性映射关系。然而，在实际测试过程中，力的加载点通常偏离测试中心，由于组成测力仪的四个传感器灵敏度存在差异，不同加载点力输入与测力仪输出的映射关系存在差异。在同一外载荷作用下，随加载位置的变化，测力仪的输出变化量较大，应用单加载点标定方法标定精度较低。为提高四支点压电测力仪多加载点的标定精度，目前主要采用神经网络的方法，进行大量的多加载点标定实验，得到力输入与多加载点测力仪输出的高精度映射关系，但应用此类方法操作复杂、实验工作量大、耗时长，为此需要发展有效的测力仪多加载点标定方法。

发明内容

本发明为克服现有技术的缺陷，发明一种测力仪多加载点力的标定方法。本方法通过对组成测力仪的4个压电力传感器进行标定，得到各个压电力传感器的力电转换系数和力电转换系数偏差；通过测力仪中心点标定实验，引入测力仪主向稳定输出的修正系数，结合压电力传感器的力电转换系数及其偏差，将测力仪的输出分解为稳定输出和波动输出两部分；最后引入测力仪主向的力学分配公式，建立力输入与测力仪主向输出的高精度映射关系。

本发明的技术方案：

一种基于传感器灵敏度差异的标定方法，将压电力传感器安装在标定装置上；通过标定平台对压电力传感器进行阶梯主向力加载，重复多次，记录输出电压；采用最小二乘法，对数据平均值进行归一化处理，得到其主向灵敏度；计算得到4个压电力传感器的力电转换系数和力电转换系数偏差；将4个压电力传感器组装成测力仪并在其中心点进行标定实验，计算测力仪主向实际输出与理论输出的比值，得到其稳定输出的修正系数；结合4个压电力传感器主向力电转换系数及其偏差，将主向的输出分解为稳定输出和波动输出两部分；引入测力仪主向加载的力学分配公式并代入主向输出的分解公式中，建立力输入与测力仪主向输出的高精度映射关系，完成测力仪的标定；

具体步骤如下：

第一步，压电力传感器与测力仪中心标定

1)标定压电力传感器

将1号压电力传感器安装在标定装置上，通过标定平台，采用阶梯加载的方式，进行压电力传感器标定实验，重复多次并记录数据；再对2、3、4号压电力传感器重复以上步骤，并记录输出数据；

2)测力仪中心标定