CN107655623B - 非接触式静动态标定实验台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非接触式静动态标定实验台，包括X轴组件、Y轴组件和Z轴组件，所述X轴组件、Y轴组件和Z轴组件分别包括底板、光轴滑轨、滑块、滚珠丝杠和支撑板，所述底板与所述光轴滑轨固定，所述滑块与所述支撑板固定，所述Y轴组件和Z轴组件分别固定于所述X轴组件的支撑板上，所述X轴组件、Y轴组件和Z轴组件分别设有电磁铁固定板。本发明采用的是阶跃响应法对压电式测力仪进行动态标定，阶跃响应具有正阶跃激励与负阶跃激励两种，本发明设计的产生阶跃信号装置简便，效果明显。

Description

非接触式静动态标定实验台

技术领域

本发明涉及一种压电式测力仪或压电式传感器的静态标定与动态标定实验台。

背景技术

压电式测力仪或压电式测力传感器的测力原理都是通过内部的压电材料受压后产生压电效应，即受到一定方向的压力或拉力的情况下压电材料表面产生电荷集聚现象，经过导线引出并通过电荷放大器转化为低阻抗电压信号以显示输入力的幅值和方向。压电式测力仪的优点在于测量精度高、***刚度好、频率效应特性好、测力频带宽等，因此测力仪越来越多的应用在车铣床切削力测量和实时精度补偿等场合。为此，每台测力仪都必须经过静态和动态标定以保证其测量的精度。

静态标定是指传感器加载标准静态载荷，待传感器稳定输出后采集传感器输出电压，进而求解压电式测力仪或传感器的静态指标的过程。描述测力仪或传感器静态特性的模型称为静态数学模型，静态数学模型有非线性与线性的两类。在压电式测力仪或传感器中由于向间干扰较小，因此压电测力仪可认为是静态线性模型。在线性***中静态标定可获得众多静态指标仪表征测力仪或传感器的性能，如线性度、灵敏度、重复性、分辨率、迟滞、稳定性等指标。因此对于一个合格的压电式测力仪或压电式传感器必须经过静态标定方可投入使用，否则会产生数据的误差与失真。

动态标定是指通过输入标准激励的情况下，采集压电式测力仪的输出研究其对标准激励的响应的过程，动态标定可获得测力仪的动态性能，如固有频率、响应频率、阻尼比、带宽频率等动态指标，这些指标显示出测力仪的采样能力。国内外对动态标定的原理做了很多研究，如输入正弦变化压力时研究***输出的方法称为频率响应法，但是由于压电式测力仪的固有频率一般都较高，因此需要更高的频率的正弦压力才可以激发出压电式测力仪的模态，然后目前产生标准正弦压力的装置非常局限，变化的频率范围也很小，最高的频率仅达300HZ左右，因此不可作为压电式测力仪的动态标定方法。还有一种可对压电式测力仪做动态标定的方法为脉冲响应法，即对测力仪产生一个脉冲冲击以激发出其模态，实现的方法如利用淬火的钢珠从一定高度落下锤击测力仪或带有加速度传感器的力锤对测力仪进行锤击。该方法简便，但冲击装置产生的冲击力不稳定，而且标定的精度不高。

发明内容

本发明通过对电磁理论研究发明了一种由电磁铁产生的标准静态力与标准动态力的非接触式静动态标定实验台，为压电式测力仪或传感器静动态标定提供一种简便快捷的方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

非接触式静动态标定实验台，包括X轴组件、Y轴组件和Z轴组件，所述X轴组件、Y轴组件和Z轴组件分别包括底板、光轴滑轨、滑块、滚珠丝杠和支撑板，所述底板与所述光轴滑轨固定，所述滑块与所述支撑板固定，所述Y轴组件和Z轴组件分别固定于所述X轴组件的支撑板上，所述X轴组件、Y轴组件和Z轴组件分别设有电磁铁固定板。

所述电磁铁包括磁芯、绕组、外壳和套筒，所述套筒套设于所述磁芯上，所述绕组绕于所述套筒上。

所述电磁铁的导磁材料采用铁镍合金1J50材料。

所述导磁材料长度小于所述电磁铁总长。

所述绕组采用铜丝材质。

所述磁芯内部设有长度为18mm直径为13mm的小孔。

所述电流控制模块包括电压调整模块、继电器模块、正弦信号方波信号发生模块和电压放大模块，所述正弦方波信号发生模块实现电压信号的按正弦或方波规律输出，幅值频率都可调，所述电压放大模块是给所述正弦信号方波信号发生模块进行电压幅值放大。

所述正弦信号方波信号发生模块采用ICL8038中低频信号发生器模块。

所述正弦信号方波信号发生模块输出为5V电压信号。

所述电压放大模块采用LM385信号放大模块。

本发明采用的是阶跃响应法对压电式测力仪进行动态标定，阶跃响应具有正阶跃激励与负阶跃激励两种，本发明设计的产生阶跃信号装置简便，效果明显。

附图说明

图1是本发明的三轴滑台结构示意图。

图2是本发明的三轴滑台的侧视图。

图3是本发明的电磁铁结构示意图。

图4是电磁铁标定结果图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明：

非接触式静动态标定实验台目标为实现提供标准静动态力，为此本发明实验台的研制分为三个部分：产生标准力源装置—电磁铁、三轴滑台、电流控制模块。

如图1和图2所示，三轴滑台包括手轮1、光轴滑轨2、滑块3、滚珠丝杠4、底板5、Y轴支撑板6、固定块7、丝杠螺母8、X轴电磁铁固定板9、电磁铁10，同样在Y轴与Z轴上的也包含这些结构，如Z轴电磁铁固定板11、Y轴电磁铁固定板12、Y轴底板13、X轴支撑板14、Z轴底板15、型材16、Z轴支撑板17。三轴滑台主要可实现XYZ三个方向上的移动。由手轮提供动力，滚珠丝杠将旋转运动转化为直线运动带动支撑板进行移动，滚珠丝杠的导程为4mm。电磁铁安装位置为与手轮相对的滑台端部。此处与其他XYZ滑台不同本滑台在结构上的不同体现Y轴滑台安装在X轴的支撑板上，同样Z轴滑台的安装位置同样安装在X轴之上，安装方法为将滑块固定螺钉旋紧固定在光轴滑轨上，安装Z轴支撑板并将型材安装在支撑板上提供Z轴安装位置，此三轴滑台可为压电式测力仪或传感器提供安装平台，即Y轴的支撑板上。

基于麦克斯韦电磁理论与电磁力计算公式对产生电磁铁进行设计，推到出电磁铁产生电磁力公式如下：

式中B为磁感应强度、S磁路面积、u₀为空气磁导率、I为通入线圈的电流大小，W为线圈匝数，l为磁路长度，a为修正系数，u为内部导磁材料磁导率；

根据电磁力公式推导显示电磁铁产生电磁力的大小与线圈匝数W、导磁材料的磁导率u以及磁路面积S有关；电磁力的大小调节可通过磁路长度l和输入线圈的电流I参数。

为使电磁铁产生电磁力幅值尽量大，电磁铁内部铁芯必须选择磁导率大的材料，根据对软磁材料的研究分析铁镍合金1J50材料的磁导率较高，公式显示磁路面积约大产生电磁力越大，但结构上的庞大将导致对三轴运动台的刚度要求提高，因此选择30mm直径的铁镍合金作为导磁材料。

对线圈的制作选择铜丝，铜丝材料的导电性能优良，电阻值小可产生较大的电流。绕组方式根据右手法则进行绕组。

经过实验验证，设计的电磁铁产生电磁力幅值在零距离情况下可达700N，产生标准动态力的频率在50HZ以下。该电磁铁设计完全满足对市场上众多压电式测力仪或传感器的标定。

如图3所示，电磁铁的设计主要包括电磁铁的磁芯1、绕组2、外壳3、套筒4。电磁铁的导磁材料选用铁镍合金1J50材料进行加工，长度设计为上端55mm，直径30mm，设计台阶，下端直径为13mm，长度为15mm，使用数控车床进行加工。电磁铁线圈使用铜丝进行绕组，绕组方式根据右手定则进行缠绕，线圈匝数设计为2000圈。电磁铁外端选用亚克力板进行加工，亚克力厚度选择2mm，电磁铁端盖选择橡胶端盖，不导电材料。为使电磁力产生较大，必须加工一个小的被吸物，直径为13mm长度为10mm。

电磁铁设计完成后，由于电磁铁产生的电磁力受外界干扰较大，且电磁铁产生磁场复杂且容易漏磁。因此对电磁铁产生的电磁力进行标定是必不可少的。对电磁铁的标定必须采用更为标准的仪器进行标定，如使用艾德宝HP-500推拉力机进行标定。由于影响电磁力的因素有电流信号和电磁铁与被吸物之间的距离两个因素，为保证单因素影响，因此我们确定下合适的磁路长度之后对电流进行标定。标定使用的供电装置选用华谊可调直流稳压电源30v/5A对电磁铁进行供电。标定过程中将电磁铁安装在X轴滑台上，小型被吸物安装在艾德宝HP-500的头部，移动艾德宝推拉力计位置，固定在与电磁铁合适的相对位置。通过调节直流稳压电源的输入电压对电磁铁进行标定。标定结果如图4。

电流控制模块根据需求分析设计了电压调整模块、继电器输出模块、正弦信号方波信号发生模块，电压放大模块。电压放大模块是给正弦信号方波信号发生模块进行电压幅值放大的，由于正弦与方波信号发生信号购置的是ICL8038中低频信号发生器模块，输出为5V电压信号，因此需要使用电压放大模块对电压幅值进行调整，本专利选用LM385信号放大模块，该模块带有增益调节，可调节放大倍数。电流控制模块设计制造必须经过标定验证才可投入使用，尽可能避免误差因素的影响。对于电压调整模块的标定较为简单，使用万用表进行标定即可。对于正弦信号与方波信号等信号的标定，必须使用示波器进行验证标定。此处选用utd2102cex双通道数字示波器对正弦与方波信号输出进行标定。

完成对电磁铁与电流控制模块的标定后，本发明专利即可对压电式测力仪或压电式传感器进行静动态标定。压电式测力仪安装位置为Y轴支撑板上，在支撑板上有一些螺栓孔，可方便压电式测力仪的安装。在三轴滑台的XYZ轴上都安装有电磁铁，在压电式测力仪上的三个方向贴上圆形被吸物铁块。通过手轮旋转调整每个方向上电磁铁与被吸物之间的距离，注意由于压电式传感器或压电式测力仪在压电晶片或结构上可能会产生横向干扰，即单纯X方向作用在YZ方向上同样有电荷输出，因此本专利发明只能逐个对单个方向上进行标定以保证标定结果的准确性。安装固定好相对位置之后，对测力仪或传感器进行静态标定，操作方法即通过电压控制模块调整输入电压的幅值，一般为从低到高并从高到低进行调整，测力仪受力后产生的输出信号经过电荷方法器通过NI设备或其他采集设备进行采集显示在上位机程序中，此为压电式测力仪的输出。电磁力大小可根据原电磁铁标定结果表对照进行查看，此为标准力源的输入。因此可建立标准力源输入与压电式测力仪输出之间的变化关系，即可得出压电式测力仪的灵敏度、线性度等静态特性，通过分析对比从低到高、从高到低两种输入标准力获得的结果可分析测力仪的重复性、稳定性等静态特性。另外通过本发明专利，可研究测力仪的横向干扰问题。如在单个方向X轴上输入标准力源，测力仪的采集上位机中可显示YZ轴的电压输出，调整不同幅值可获得多组数据；同样在YZ轴重复操作，建立横向干扰表，通过数据分析即可求得横向干扰系数，提高了压电式测力仪或传感器的测量精度。

压电式测力仪或传感器的动态标定如背景所述有多种方法，阶跃响应法是本专利采用的一种标定方法，通过电流控制模块中的继电器模块即可实现阶跃信号的输出，在电流模块中有一启动按钮，按下该按钮即可有一定幅值的电压信号输出，即可实现瞬间的提供一个阶跃标准力信号的输入。该阶跃力相对于其他阶跃力的产生具有响应速度快，不增加附加重物的特点。同样通过对上位机采集到的压电式测力仪输出信号分析，即可获取压电式测力仪的动态性能，如固有频率、响应频率、阻尼比、带宽频率等动态指标。同时，本发明专利还设计了正弦信号方波信号发生模块，通过该模块的设置即可输出一定频率的正弦力信号或方波力信号，由于电磁铁整体呈感性元件因此其力输出信号不能达到电信号频率，本发明专利标准输出可达50HZ以下，对于固有频率较低的压电式测力仪或传感器也可通过正弦力信号进行标定。固有频率较高产品可通过正弦力信号或方波力信号对静动态标定结果进行验证。

市场上众多的压电式测力仪或传感器为三向力测力仪或传感器，因此为实现标定功能，设计三轴滑台以保证三向力测力仪或传感器在XYZ方向上单独施加标准静动态力，并实现磁路长度的调整。

电流控制模块的设计主要根据本专利可实现的目标而定，本专利目标为实现压电式测力仪或传感器的静动态标定。对于静态标定，必须提供多种不同的标准静态力输入，本实验台实现调整标准静态里的的输入有调整输入电流与改变磁路长度两种方法，考虑控制精度与操作简便采用电流控制更为合理，因此为实现静态标定必须可控制输入电流值的改变，由于电磁铁中线圈绕组材料与长度确定，因此电阻值确定，电流的控制即可认为电压的控制。对于动态标定，本专利采用的是阶跃响应法进行标定，电流控制模块中增加继电器以提供瞬间通电功能。采用电磁铁产生的电磁力作为输入的动态力的原因是其响应速度快、非接触式不给原测力仪增加附加重量、操作简便。另外电流控制模块中操作性较高，可增加正选信号与方波信号的输入，已验证压电式测力仪的动态性能。

本发明属于压电式测力仪或传感器的静动态标定技术领域，设计了一种非接触式静动态标定实验台，其中包括电磁铁设计方法、三轴滑台设计、电流控制模块设计。本发明根据现有的压电式测力仪静动态标定方法采用电磁铁产生电磁力作为标准力源，电流控制模块控制电流信号来调整对压电式测力仪或传感器的输入标准力信号来实现非接触式静动态标定，获取压电测力仪的静动态参数。电磁铁设计制造根据麦克斯韦电磁理论推导出电磁力计算公式对电磁铁导磁材料、线圈、外壳进行设计。三轴滑台设计选用丝杠传动，并采用不同于现今普通三轴滑台结构设计将YZ轴同时安装于X轴之上，目标方便被标定的压电式传感器或测力仪的安装。电流控制模块的设计根据静动态标定要求设计了电压控制模块、继电器模块、正弦信号方波信号发生器、电荷放大模块等。实现了方便的提供标准电流信号。本发明结构轻巧，操作方便，很好的实现了压电式测力仪或传感器的静动态标定要求。

Claims (9)

1.非接触式静动态标定实验台，其特征在于：包括电磁铁、三轴滑台和电流控制模块，其中，

所述三轴滑台包括X轴组件、Y轴组件和Z轴组件，所述X轴组件、Y轴组件和Z轴组件均包括手轮、底板、光轴滑轨、滑块、滚珠丝杠和支撑板，所述底板与所述光轴滑轨固定，所述滑块与所述支撑板固定，所述Y轴组件和Z轴组件均固定于所述X轴组件的支撑板上，所述X轴组件、Y轴组件和Z轴组件均设有电磁铁固定板；手轮为滚珠丝杠提供旋转动力，滚珠丝杠带动支撑板进行移动；

所述三轴滑台的X轴组件、Y轴组件和Z轴组件上均安装有电磁铁，所述电磁铁均安装于与手轮相对的组件端部；

所述电流控制模块包括电压调整模块、继电器模块、正弦信号方波信号发生模块和电压放大模块，所述正弦信号 方波信号发生模块实现电压信号的按正弦或方波规律输出，幅值频率都可调，所述电压放大模块是给所述正弦信号方波信号发生模块进行电压幅值放大；

通过所述电压调整模块调整输入电压的幅值，得出压电式测力仪的输出，结合标准力源的输入，实现静态标定；

通过所述电流控制模块中的继电器模块控制阶跃信号的输出，实现动态标定。

2.根据权利要求1所述的非接触式静动态标定实验台，其特征在于：所述电磁铁包括磁芯、绕组、外壳和套筒，所述套筒套设于所述磁芯上，所述绕组绕于所述套筒上。

3.根据权利要求2所述的非接触式静动态标定实验台，其特征在于：所述电磁铁的导磁材料采用铁镍合金1J50材料。

4.根据权利要求3所述的非接触式静动态标定实验台，其特征在于：所述导磁材料长度小于所述电磁铁总长。

5.根据权利要求2所述的非接触式静动态标定实验台，其特征在于：所述绕组采用铜丝材质。

6.根据权利要求2所述的非接触式静动态标定实验台，其特征在于：所述磁芯内部设有长度为18mm直径为13mm的小孔。

7.根据权利要求1所述的非接触式静动态标定实验台，其特征在于：所述正弦信号方波信号发生模块采用ICL8038中低频信号发生器模块。

8.根据权利要求7所述的非接触式静动态标定实验台，其特征在于：所述正弦信号方波信号发生模块输出为5V电压信号。

9.根据权利要求1所述的非接触式静动态标定实验台，其特征在于：所述电压放大模块采用LM385信号放大模块。

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