CN105333993A - 基于微小负阶跃力的微力传感器动态标定***及方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开一种基于微小负阶跃力的微力传感器动态标定***，包括微小负阶跃力信号发生与调节装置、传感器固定与调节装置、信号放大与采集装置。所述微小负阶跃力信号发生与调节装置包括电磁发射装置、静载装置和弹止装置；所述微小负阶跃力信号发生与调节装置通过所述静载装置与所述传感器固定与调节装置连接；所述传感器固定与调节装置通过同轴电缆和所述信号放大与采集装置连接；所述电磁发射装置包括充放电回路和发射轨道，所述充放电回路包括充电电压可调电容组、整流桥路、触点开关、充电开关和电磁线圈；所述电磁线圈内嵌于所述发射轨道内或紧密缠绕在所述发射轨道外。本申请还公开一种基于微小负阶跃力的微力传感器动态标定方法。

Description

基于微小负阶跃力的微力传感器动态标定***及方法

技术领域

本申请涉及动态冲激实验力学技术领域，具体地说，涉及一种基于微小负阶跃力的微力传感器动态标定***及方法。

背景技术

随着纤维、薄膜等低维材料应用领域越来越广，对其动态力学性能的表征越来越迫切，其中在动态力学性能表征中广泛使用的压电式微力传感器的动态标定技术正受到越来越多的关注。目前对压电式力传感器动态标定主要采用正阶跃力信号标定和利用负阶跃力信号标定两大类。其中落锤标定***(如：CN102401707A)以落锤试验机作为传感器激励装置，由落锤试验机产生正阶跃力信号对传感器进行标定。气动冲击法动态标定***(如：北京理工大学，张训文等，气动冲击法动态标定***)，基于气动冲击原理，结合变截面放大原理和材料动态断裂，实现正阶跃力信号的产生，以此为激励实现传感器标定。基于材料动态断裂的负阶跃力信号的标定***，包括如压断(如：浙江大学，魏燕定等，标准负阶跃力的实现及其测量研究)与预压-冲断(如：浙江大学，陈辉等，一种新型的大力值，宽频带的负阶跃力产生方法)方案，以及基于钢丝绳快速切断装置(如：中国石油大学，刘广孚等，车轮力传感器的侧向力动态标定)的负阶跃动态标定***。此类方法预先施加静载，通过材料脆断或剪断装置实现负阶跃力信号的产生，由脆断材料不同尺寸的设计实现不同大小负阶跃力信号的调节。上述标定方法中，落锤***装置体积庞大；气动冲击法装置复杂，噪声大；材料脆断法中脆断材料为一次性设计，设计复杂，标定实验无法重复；钢丝绳快速切断法稳定性差、可重复性差。另外，以上标定方法由于提供的载荷较大，难以实现微力传感器的动态标定。

综上所述，如何研制与发展一种可精确提供微小动态载荷，同时重复性好、稳定性高、噪声小、高精度的压电式微力传感器动态标定***与技术成为亟待解决的技术问题。

发明内容

有鉴于此，本申请所要解决的技术问题是提供了一种基于微小负阶跃力的微力传感器动态标定***及方法，可精确产生微小负阶跃力，且重复性好、稳定性高、噪声小、结构紧凑、简单实用、精度高，能够解决材料动态拉伸实验中，尤其是薄膜或纤维材料动态拉伸实验中的微力传感器动态标定问题。

为了解决上述技术问题，本申请有如下技术方案：

一种基于微小负阶跃力的微力传感器动态标定***，其特征在于，包括：微小负阶跃力信号发生与调节装置、传感器固定与调节装置、信号放大与采集装置，

所述微小负阶跃力信号发生与调节装置包括电磁发射装置、静载装置和弹止装置；

所述微小负阶跃力信号发生与调节装置通过所述静载装置与所述传感器固定与调节装置连接；所述传感器固定与调节装置通过同轴电缆和所述信号放大与采集装置连接；

所述电磁发射装置包括充放电回路和发射轨道，所述充放电回路包括充电电压可调电容组、整流桥路、触点开关、充电开关和电磁线圈；所述电磁线圈内嵌于所述发射轨道内或紧密缠绕在所述发射轨道外。

优选地，其中，所述发射轨道是由低摩擦系数、非导磁、非导电材料制成的圆柱形中空管道，所述发射轨道上端外表面制作螺纹，下端开有用于装卸电磁砝码的对称开口。

优选地，其中，所述弹止装置包括弹止轨道、调节螺母、弹簧、卡扣、中心通孔和径向通孔；

所述弹止轨道中心沿轴线方向包含内侧带中心螺纹的变截面的中心通孔，所述发射轨道与所述弹止轨道通过所述中心通孔上的中心螺纹对接；所述弹止轨道周向对称设计有两个带特定长度内螺纹的等截面通孔，所述弹簧和所述卡扣置于该周向等截面通孔中，所述调节螺母通过该周向等截面通孔的内螺纹与所述弹止轨道以及所述弹簧连接；所述弹簧与所述调节螺母通过球铰链铰接并与所述卡扣的平端面一端刚接，所述卡扣另一端为朝下倾斜的斜截面。

优选地，其中，所述弹止轨道的中心通孔为变截面通孔。

优选地，其中，所述静载装置包括电磁砝码和静载细线，所述电磁砝码是由高磁导率材料制成的不同质量相同形状的砝码，所述电磁砝码的头部设计成梯形锥状砝码帽，所述静载细线由砝码帽连接砝码；所述静载细线一端连接到所述传感器固定与调节装置的安装与调节螺母上，另一端贯穿弹止轨道和所述电磁发射轨道，并连接所述电磁砝码；

所述静载细线是由密度较小的柔性材料制成的细丝；标定实验前，所述电磁砝码通过所述静载细线连接并悬置于所述发射轨道中，并与所述发射轨道同轴。

优选地，其中，标定实验时，所述悬置的电磁砝码被发射到所述弹止装置内，由卡扣卡死固定。

优选地，其中，所述传感器固定与调节装置包括安装与调节螺母和待标定的压电式微力传感器，所述安装与调节螺母的一端带有螺纹，另一端中心带有接线孔；所述安装与调节螺母与所述待标定的压电式微力传感器通过螺纹串联连接；所述静载细线通过所述接线孔固定连接在所述安装与调节螺母上。

本发明还提供一种基于微小负阶跃力的微力传感器动态标定***进行的标定方法，其特征在于，包括：

一次标定实验前：优选合适质量的电磁砝码，用静载细线连接并悬置于发射轨道内，与发射轨道同轴；所述电磁砝码在重力作用下对待标定的压电式微力传感器产生一向下作用力，此时，待标定的压电式微力传感器产生一个微小的且不规律的正阶跃力信号，该信号将迅速衰减为零；

一次标定实验时：优选合适的电压给充电电压可调电容组充电，充电完成后，触点开关开启，电磁砝码在电磁线圈产生的脉冲磁力作用下沿电磁轨道发射出去，迅速进入弹止轨道，并被卡扣卡死；此时，待标定的压电式微力传感器原先承受的电磁砝码的重力迅速消失，瞬间产生一个微小的且精确的负阶跃力信号，该负阶跃力大小等于电磁砝码的重力，该负阶跃力在时间轴上将长久稳定存在；

一次标定实验后：旋开弹止轨道内调节螺母连接的卡扣，电磁砝码被释放下来；

在发射轨道下端的开口处更换不同质量的电磁砝码，重复以上三步标定实验，执行不同大小负阶跃力信号的标定。

与现有技术相比，本申请所述的***及方法，达到了如下效果：

第一，由于应用于动态测量的压电式微力传感器的主要缺点(或特点)之一是不可避免的将作用于其上的静态力信号快速衰减为零，而动态力信号随时间变化可以长久记录下来。本发明将充分利用该缺点(或特点)，将缺点转化为优点，利用压电式微力传感器悬挂一电磁砝码，电磁砝码的重力这一静态力信号产生的正阶跃力快速衰减为零，当采用电磁发射技术竖直向上发射该悬挂的电磁砝码，电磁砝码被发射的同时与之相连的压电式微力传感器原先受到的已经衰减为零的正阶跃力信号将迅速转变为精确的微小负阶跃力信号，且该负阶跃力大小等于电磁砝码的重力，方向相反。因电磁砝码被发射出去而在弹止轨道内被卡死固定，从而该负阶跃力可在时间轴上长久稳定的存在。可见，本发明提出的***和技术具有巧妙的精确产生微小负阶跃力的功能，且结构简单紧凑、经济实用、操作便捷。

第二、由于所使用的电磁砝码可反复稳定的多次发射使用，从而本发明的该基于微小负阶跃力的微力传感器动态标定***与技术在做标定实验时具有可重复且精确产生相同微小负阶跃力的突出优点，因而，具有很好的重复性和高度的稳定性，且噪声小等突出优点。

第三、本发明虽然针对压电式微力传感器，对于其它非压电式的动态微力传感器的动态标定问题同样适用。因此，适用范围广是该发明的另一优点。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本发明中基于微小负阶跃力的微力传感器动态标定***的构成示意图；

图2为本发明实施例中压电式微力传感器动态标定实验电信号数据(0.9V)；

图3为本发明实施例2中压电式微力传感器动态标定实验中电压与动态载荷关系曲线图。

具体实施方式

如在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。“大致”是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。此外，“耦接”一词在此包含任何直接及间接的电性耦接手段。因此，若文中描述一第一装置耦接于一第二装置，则代表所述第一装置可直接电性耦接于所述第二装置，或通过其他装置或耦接手段间接地电性耦接至所述第二装置。说明书后续描述为实施本申请的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本申请的一般原则为目的，并非用以限定本申请的范围。本申请的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。

实施例1

参见图1所示为本申请所述一种基于微小负阶跃力的微力传感器动态标定***的具体实施例的组成示意图。该***包括：微小负阶跃力信号发生与调节装置30、传感器固定与调节装置40、信号放大与采集装置50三大部分，其中，所述微小负阶跃力信号发生与调节装置包括电磁发射装置，静载装置和弹止装置三部分：

电磁发射装置：由充放电回路、发射轨道4组成，其中充放电回路由充电电压可调电容组1、整流桥路21、触点开关2、充电开关22、电磁线圈3组成；电磁线圈3内嵌于发射轨道内或紧密缠绕在发射轨道4外。发射轨道4是由低摩擦系数、非导磁、非导电材料制成的圆柱形中空管道，发射轨道4上端外表面制作螺纹，下端开有便于装卸电磁砝码的对称开口。

静载装置：由电磁砝码5和静载细线6组成；电磁砝码5是由高磁导率材料制成的不同质量相同形状的砝码，电磁砝码5的头部设计成梯形锥状砝码帽，静载细线6由砝码帽连接电磁砝码5；静载细线6是由密度较小的柔性材料制成的细丝；静载细线6一端连接电磁砝码，另一端连接到所述传感器固定与调节装置的安装与调节螺母16上，并穿过弹止装置的中心通孔13和发射轨道4中心。标定实验前，电磁砝码5通过静载细线6连接并悬置于发射轨道4中，并与发射轨道4同轴。

弹止装置：由弹止轨道7、调节螺母8、弹簧10、卡扣11、中心通孔13、径向通孔12组成。弹止轨道7中心沿轴线方向包含内侧带中心螺纹14的变截面的中心通孔13，发射轨道4与弹止轨道7通过该中心通孔13上的中心螺纹14对接。弹止轨道7周向对称设计两个带特定长度内螺纹的等截面通孔，弹簧10和卡扣11置于该周向等截面通孔中，调节螺母8通过该周向等截面通孔的内螺纹与弹止轨道7以及弹簧10连接，弹簧10与调节螺母8通过球铰链铰接而与卡扣11的平端面一端刚接，卡扣11另一端是朝下倾斜的斜截面。

本发明中的传感器固定与调节装置进一步包括安装与调节螺母16和待标定的压电式微力传感器15两部分。其中，安装与调节螺母16一端带有螺纹，一端中心带有接线孔；安装与调节螺母16与待标定的压电式微力传感器15通过螺纹串联连接；静载细线6通过接线孔固定连接在安装与调节螺母16上。上述传感器固定与调节装置和信号放大与采集装置之间通过同轴电缆17连接。

标定实验时，电磁砝码5被发射到弹止装置内，由卡扣11卡死固定。

实施例2

本发明还提供一种利用上述基于微小负阶跃力的微力传感器动态标定***进行的标定方法，包括：

步骤一：一次标定实验前：如图1所示，优选合适质量的电磁砝码5，本实施例先选用质量为5g电磁砝码，用静载细线6连接电磁砝码5并悬置于发射轨道4内，与发射轨道4同轴且不与发射轨道接触；该电磁砝码5在重力作用下对待标定的压电式微力传感器产生一向下作用力；

步骤二：使用同轴电缆连接微力传感器与电信号放大与采集装置。待电磁砝码5姿态稳定之后，开始使用示波器记录待标定的压电式微力传感器电压信号，此时，待标定的压电式微力传感器15产生一个微小的且不规律的正阶跃力信号，该信号将迅速衰减为零；

步骤三：优选合适电压为给充电电压可调电容组1充电；

步骤四：待示波器信号稳定之后，即信号为零后，触点开关2开启，电磁砝码5在电磁线圈3产生的脉冲磁力作用下沿电磁轨道4发射出去，迅速进入弹止轨道7中，并被卡扣11卡死；此时，待标定的压电式微力传感器原先承受的电磁砝码的重力迅速消失，瞬间产生一个微小的且精确的负阶跃力信号，该负阶跃力大小等于电磁砝码的重力，该负阶跃力在时间轴上将长久稳定存在；保存电压信号变化，第一组标定完成。

步骤五：一次标定实验后：在发射轨道4内部下端垫一个橡胶垫，旋开弹止轨道7内的调节螺母8连接的卡扣11，电磁砝码5被释放下来，橡胶垫对释放下来的电磁砝码起到一个缓冲保护利用，在发射轨道4下端的开口处更换不同质量的电磁砝码，本实施例分别使用质量为10g，20g，50g，100g，200g，400g，500g电磁砝码重复上述步骤一、二、三、四，即可执行不同大小负阶跃力信号的标定；保存相应电压信号变化。图2为一压电式微力传感器动态标定实验电信号数据。

步骤六：对每次标定得到的电压信号与由对应电磁砝码质量换算得到的重力信号即负阶跃力信号拟合，即可方便得到待标定的压电式微力传感器精确的动态标定结果，即电压与动态载荷关系曲线，如图3所示。

本发明的实施例2对压电式微力传感器进行了动态标定，对于其它非压电式的动态微力传感器的动态标定问题同样适用。

通过以上各实施例可知，本申请存在的有益效果是：

第一，由于应用于动态测量的压电式微力传感器的主要缺点(或特点)之一是不可避免的将作用于其上的静态力信号快速衰减为零，而动态力信号随时间变化可以长久记录下来。本发明将充分利用该缺点(或特点)，将缺点转化为优点，利用压电式微力传感器悬挂一电磁砝码，电磁砝码的重力这一静态力信号产生的正阶跃力快速衰减为零，当采用电磁发射技术竖直向上发射该悬挂的电磁砝码，电磁砝码被发射的同时与之相连的压电式微力传感器原先受到的已经衰减为零的正阶跃力信号将迅速转变为精确的微小负阶跃力信号，且该负阶跃力大小等于电磁砝码的重力，方向相反。因电磁砝码被发射出去而在弹止轨道内被卡死固定，从而该负阶跃力可在时间轴上长久稳定的存在。可见，本发明提出的***和技术具有巧妙的精确产生微小负阶跃力的功能，且结构简单紧凑、经济实用、操作便捷。

第二、由于所使用的电磁砝码可反复稳定的多次发射使用，从而本发明的该基于微小负阶跃力的微力传感器动态标定***与技术在做标定实验时具有可重复且精确产生相同微小负阶跃力的突出优点，因而，具有很好的重复性和高度的稳定性，且噪声小等突出优点。

第三、本发明虽然针对压电式微力传感器，对于其它非压电式的动态微力传感器的动态标定问题同样适用。因此，适用范围广是该发明的另一优点。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、装置、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

上述说明示出并描述了本申请的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本申请并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本申请的精神和范围，则都应在本申请所附权利要求的保护范围内。

Claims (8)

1.一种基于微小负阶跃力的微力传感器动态标定***，其特征在于，包括：微小负阶跃力信号发生与调节装置、传感器固定与调节装置、信号放大与采集装置，

所述微小负阶跃力信号发生与调节装置包括电磁发射装置、静载装置和弹止装置；

所述微小负阶跃力信号发生与调节装置通过所述静载装置与所述传感器固定与调节装置连接；所述传感器固定与调节装置通过同轴电缆和所述信号放大与采集装置连接；

所述电磁发射装置包括充放电回路和发射轨道，所述充放电回路包括充电电压可调电容组、整流桥路、触点开关、充电开关和电磁线圈；所述电磁线圈内嵌于所述发射轨道内或紧密缠绕在所述发射轨道外。

2.根据权利要求1所述基于微小负阶跃力的微力传感器动态标定***，其特征在于，

所述发射轨道是由低摩擦系数、非导磁、非导电材料制成的圆柱形中空管道，所述发射轨道上端外表面制作螺纹，下端开有用于装卸电磁砝码的对称开口。

3.根据权利要求1所述基于微小负阶跃力的微力传感器动态标定***，其特征在于，

所述弹止装置包括弹止轨道、调节螺母、弹簧、卡扣、中心通孔和径向通孔；

所述弹止轨道中心沿轴线方向包含内侧带中心螺纹的变截面的中心通孔，所述发射轨道与所述弹止轨道通过所述中心通孔上的中心螺纹对接；所述弹止轨道周向对称设计有两个带特定长度内螺纹的等截面通孔，所述弹簧和所述卡扣置于该周向等截面通孔中，所述调节螺母通过该周向等截面通孔的内螺纹与所述弹止轨道以及所述弹簧连接；所述弹簧与所述调节螺母通过球铰链铰接并与所述卡扣的平端面一端刚接，所述卡扣另一端为朝下倾斜的斜截面。

4.根据权利要求3所述基于微小负阶跃力的微力传感器动态标定***，其特征在于，

所述弹止轨道的中心通孔为变截面通孔。

5.根据权利要求1所述基于微小负阶跃力的微力传感器动态标定***，其特征在于，

所述静载装置包括电磁砝码和静载细线，所述电磁砝码是由高磁导率材料制成的不同质量相同形状的砝码，所述电磁砝码的头部设计成梯形锥状砝码帽，所述静载细线由砝码帽连接砝码；所述静载细线一端连接到所述传感器固定与调节装置的安装与调节螺母上，另一端贯穿弹止轨道和所述电磁发射轨道，并连接所述电磁砝码；

所述静载细线是由密度较小的柔性材料制成的细丝；标定实验前，所述电磁砝码通过所述静载细线连接并悬置于所述发射轨道中，并与所述发射轨道同轴。

6.根据权利要求1～5之任一所述基于微小负阶跃力的微力传感器动态标定***，其特征在于，

标定实验时，所述悬置的电磁砝码被发射到所述弹止装置内，由卡扣卡死固定。

7.根据权利要求1～5之任一所述基于微小负阶跃力的微力传感器动态标定***，其特征在于，

所述传感器固定与调节装置包括安装与调节螺母和待标定的压电式微力传感器，所述安装与调节螺母的一端带有螺纹，另一端中心带有接线孔；所述安装与调节螺母与所述待标定的压电式微力传感器通过螺纹串联连接；所述静载细线通过所述接线孔固定连接在所述安装与调节螺母上。

8.一种利用权利要求1～7之任一所述的基于微小负阶跃力的微力传感器动态标定***进行的标定方法，其特征在于，包括：

一次标定实验前：优选合适质量的电磁砝码，用静载细线连接并悬置于发射轨道内，与发射轨道同轴；所述电磁砝码在重力作用下对待标定的压电式微力传感器产生一向下作用力，此时，待标定的压电式微力传感器产生一个微小的且不规律的正阶跃力信号，该信号将迅速衰减为零；

一次标定实验时：优选合适的电压给充电电压可调电容组充电，充电完成后，触点开关开启，电磁砝码在电磁线圈产生的脉冲磁力作用下沿电磁轨道发射出去，迅速进入弹止轨道，并被卡扣卡死；此时，待标定的压电式微力传感器原先承受的电磁砝码的重力迅速消失，瞬间产生一个微小的且精确的负阶跃力信号，该负阶跃力大小等于电磁砝码的重力，该负阶跃力在时间轴上将长久稳定存在；

一次标定实验后：旋开弹止轨道内调节螺母连接的卡扣，电磁砝码被释放下来；

在发射轨道下端的开口处更换不同质量的电磁砝码，重复以上三步标定实验，执行不同大小负阶跃力信号的标定。