[发明专利]一种多支点压电测力仪的标定方法

摘要

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。

主权项

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。