[发明专利]一种多支点压电测力仪的标定方法

权利要求书

1.一种多支点压电测力仪的标定方法，其特性在于，采用可平移的主向力加载机构，保证主向力的力线与压电三向力传感器的轴线重合；通过加载满量程主向力，重复多次，采集记录输出电压；对数据进行预处理，根据力的平衡原理，得到每个加载点处的力电关系式；联立力电关系式，构建标定方程组模型，计算系数矩阵条件数，解得每个压电三向压电传感器的力电转换系数，完成测力仪的标定；具体步骤如下：

第一步，标定测力仪

1)在第1号压电力传感器上方加载标定

通过螺栓将多支点压电测力仪上板(6)固定在加载平台的基座(5)上，使第1号压电力传感器(1)中心位于主向力移动面(7)内，主向力移动面(7)为平移主向力加载机构过程中主向力力线构成的平面，将液体水平仪(14)放置在导轨(10)上，调节锁紧螺母(11)，使导轨(10)处于水平方向，转动第二手轮(15)，移动主向力加载机构(8)至第1号压电力传感器(1)上方，固定主向力加载机构(8)，转动第一手轮(9)，观察标准测力环(12)的读数，对多支点压电测力仪上板(6)施加满量程的主向力，采集记录输出电压值，重复施加多次主向力，并记录输出电压值；

2)在其余压电力传感器上方加载标定

松开螺栓，调节测力仪位置，使第2号压电力传感器(2)中心位于主向力加载面(7)内，重复步骤1)，完成在第2号压电力传感(2)器处的加载标定，同时记录输出电压值；以此类推，完成在其余压电力传感器上方的加载标定；

第二步，数据处理

1)输出电压信号预处理

分别对每个压电力传感器的多次输出电压值求标准偏差σ，根据式(1)剔除异常值，公式如下：

其中，v_d为某次的输出电压值与多次输出电压均值的偏差，u_d为某次输出电压值，为多次输出电压均值；

剔除异常值后，重新计算输出电压均值，作为标准力作用下的理论输出电压值；

2)求解标定方程组

由力的平衡原理可知，测力仪所受主向力大小与各压电力传感器受到的主向力之和相等；每个作用点处，存在如下力电关系式：

其中，j为加载点编号，j＝1,…,n，n为压电力传感器个数，i为压电力传感器的编号，i＝j，u_ji为在第j加载点处标定时第i号压电三向力传感器的主向理论输出电压值，k_i为第i号压电力传感器的主向力电转换系数，F_j为在第j加载点处施加的主向力值；

令c_i＝1/k_i，对式(2)进行换元处理，式(2)变为式(3)：

联立n个加载点处的力电关系式，得到n元一次标定方程组：

系数矩阵条件数影响解的求解精度，系数矩阵条件数越小，解越精确；依据经验，系数矩阵条件数的取值区间为[1,5]，当系数矩阵条件数超出5时，则重新选点进行标定；系数矩阵条件数在取值区间内，则求解标定方程组(4)，并通过换元k_i＝1/c_i，解得所有压电力传感器的主向力电转换系数；

第三步，验证标定出的主向力电转换系数

在多支点压电测力仪上板(6)平面内的任一验证点处，分别阶梯加载主向力，操作过程与第一步相同，采集记录输出电压，利用公式(2)得到加载点处施加的主向力值，并与理论加载力值对比。