[发明专利]一种多支点压电测力仪的标定方法

说明书

一种多支点压电测力仪的标定方法，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。利用现有的标定装置，通过改进标定思路，将多个被标定量设为未知参数，进行多点标定，建立多元一次标定方程组，不涉及各支点力的解耦假设，解决了之前标定中由于力分配假设造成的原理性误差，同时该方法对标定点的位置精度不敏感，通过选传感器轴线处位置作为标定点。

技术领域

本发明属于压电测力技术领域，涉及一种多支点压电测力仪的标定方法，可准确真实地获取主向力电转换系数，进而提高测力仪在整个平面内的测力精度。

背景技术

空间六维力(三维正交力Fx、Fy、Fz和力矩Mx、My、Mz)和力作用点位置信息的获取在火箭发动机推力测试、弹射座椅系统重心数据实时获取、机器人操作手腕力测试、高精度加工机床测试、巨型重载操作设备力测试等多个领域都发挥着极其重要的作用。六维力测试多采用多传感器组合测量的方式进行，特殊的并联结构六维力传感器尤其是多点支撑结构的测力平台在实现对六维力和力作用点位置的测量中有广泛的应用。多支点压电测力仪凭借优良的动态特性在精密制造、生物力学以及高端装备的力载荷的精密测量领域发挥重大作用，而标定方法能否准确标定出多支点测力仪的真实性能直接影响到力载荷的测试精度。目前，大连理工大学提出了矩形布置形式，将4个压电三向力传感器布置于矩形的顶点，通过螺栓与上下板连接，构成四支点压电测力仪。在中心点处，垂直加载阶梯力，拟合获得主向力电转换系数，实现压电测力仪的标定。方法如下，在测力仪上板平面中心处，加载垂直于上板表面的阶梯力，并采集记录测力仪主向4路输出电压。提出力的均分假设，假定四个传感器主向受力相等，为阶梯加载力的1/4，结合传感器的主向输出电压值，采取最小二乘法，拟合出传感器的主向力电转换系数。但是，由于存在制造、装配误差，加载点会偏离中心，而且四支点属于过定位，四个传感器实际受力不相等，求得的力电转换系数产生原理性误差，进而无法准确地标定测力仪性能。利用该标定方法得到的力电转换系数去测试外力，发现测试误差随施力点到中心点距离变大而变大。当施力点到中心点的距离超出一定范围后，测试精度不满足测试要求。

发明内容

本发明为克服现有技术的缺陷，发明一种多支点压电测力仪的标定方法。采用的标定装置见高长银发表的的题为“新型压电式测力仪多功能静态标定平台的研制”，机械工程师2012年第7期79-80，的论文中。本方法通过平移主向力加载机构、调节测力仪相对位置，使主向加载力的作用点分别在每个压电三向力传感器轴线上；施加测力仪主向满量程力，并采集记录输出电压；在每个作用点处，对数据进行粗大误差剔除和求均值等预处理，得到力电关系式；联立多个力电关系式组成多元一次标定方程组，计算并判断系数矩阵条件数，求解每个传感器的主向力电转换系数，完成压电测力仪的主向标定，并利用本方法得到的主向力电转换系数在上板平面，本方法标定精度高，操作简单，不受加载点位置精度影响，不涉及力的分配假定。

本发明的技术方案：

一种多支点压电测力仪的标定方法，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