[发明专利]一种基于稳态正弦激振力的多维力传感器动态实验装置

说明书

技术领域：

本发明涉及力传感器测试领域，特别涉及一种基于稳态正弦激振力的多维力传感器动态实验装置。

背景技术：

目前，随着航空、航天、机器人等产业的快速发展，实际使用工况下对多维力传感器的综合性能指标尤其是动态特性提出更高的要求，因此多维力传感器动态标定和参数测试俨然成为重要的研究课题。目前多维力传感器的动态实验法依据标准动态力源形式的不同分为阶跃响应法、脉冲响应法和频率响应法。阶跃响应法和脉冲响应法是在时域内测试多维力传感器的动态特性，如：文献[机器人六维腕力传感器动态性能标定系统的研究，电子测量与仪器学报，Vol20，No.3，2006]提出通过剪断悬吊祛码的金属丝给被测力传感器施加阶跃激励信号的动态实验，这种方法的关键问题在于必须在极短的时问内切断金属丝，以得到接近理想的负阶跃。文献[Investigation of dynamic rocket thrust measurement techniques，(AD823181，1967)]介绍了一种采用电切断金属丝的方法，即采用充了电的大容量电容器在短时间里大电流放电的方法快速熔断金属丝，由于当金属丝较粗时，快速切断存在可行性的问题，所以这种方法仅适合于小力值的情形。

专利ZL94246366.8和CN1125845A公开一种动态测试装置和方法。通过液压系统加载装置向脆性材料试件加载，直至试件断裂，给被测试件(力传感器)施加阶跃激励。

文献[激波管在压力传感器动态性能校准和实验上的应用，宇航计测技术，24：(4)，2004]和[气动助推负阶跃力校准装置研究，仪器仪表学报，No.2，2010]等提出利用激波管实现阶跃激励的方法，利用压力波传播在激波前后形成压力阶跃，这种方案在小力值时可实现较陡峭时延的正阶跃信号，但很难实现大的阶跃力，不适用于质量大或形状不规则的力传感器动态测试。

专利CN 101776506A公开了一种大型多维力传感器标定加载台，该加载台由上十字架，加载台立柱，下十字架，多维力传感器固定支座，加载单元及加载块组成。加载单元由加载框架，加载液压缸，单维拉压力传感器，拉杆组成。通过组合两个加载单元的不同安装位置，及拉杆与加载块的连接位置，用于多维力传感器的标定加载。通过液压伺服或比例加载系统控制液压油缸压力实现传感器标定力连续加载。

以上所述的测试装置及方法仅适用于在时域内测试力传感器的动态特性，获得完全意义上的脉冲力或阶跃力比较困难、测量精度低，难以获得力传感器系统在整个使用频带范围内的传输特性。

在系统动态特性测试、或实现系统模型辨识时，最理想的方法是在频域内测试系统的动态特性，频率响应法则弥补了上述的阶跃响应法和阶跃响应法的局限性。经国家知识产权局专利检索咨询中心文献查新，检索到在频域内开展多维力传感器动态特性测试研究的有专利CN1442682A和文献(多维力/力矩传感器动态实验台的一种实现方法，刊于《电子测量与仪器学报》，2005(19)：1)，公开了一种基于激励电磁力发生器的动态实验装置，其由台架和多个电磁力发生器组成，电磁力发生器包括固定组件和可动组件两部分，能够获得力传感器在整个使用频带范围内的传输特性。该试验台结构复杂，难于调整，特别对于小量程和外形尺寸小的多维力传感器难以保证精确加载位置，并且两个及以上电磁力发生器同时工作情况下，难以保证激励力同步加载。

文献[The results of comparisons between two different dynamic force measurement systems”，Measurement，Vol.10，No.3，1992]提出一种用于力传感器的动态测试的电磁振动台，由信号源产生一定频率的正弦周期信号，推动电磁振动台工作，负载质量块上安装加速度计以测量施加到力传感器上的激振力，该装置可以在一定频率范围内改变信号源输出信号的频率，得到不同频率点下的传感器灵敏度，但是很难实现大力值、宽频带的动态力，并且计算方法存在误差。

上述基于频域内的力传感器动态测试装置，均由信号发生器产生一定频率的正弦周期信号激励电磁力发生器，受电源波动及外界环境干扰影响大，电压变化而引起激振力发生大的变化，测试精度低。

迄今为止，从国内外均较少采用频率响应法开展多维力传感器动态实验研究，主要问题集中在标准力源难以实现，缺少相应的动态标准力源装置，即获得幅值稳定、易于调整、频率连续变化的激励力比较困难，文献检索结果也说明了这一点。