CN114486064A - 一种比对式多分量力传感器校准装置及其校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种比对式多分量力传感器校准装置，包括：主基座和设在其上的主升降平台，主升降平台四周对称设置有十个带有标准传感器的液压式力源***；第一到第六液压式力源***及主升降平台上分别设有激光位移传感器；夹具，其设于主升降台上，夹具中间设有被校传感器；加载头，其设于夹具上；加载头上设有钢索与第一到第十液压式力源***相连。本发明精简设计了校准装置的顶部/底部夹具、加载头和力源***，可同时实现多个分量的组合校准，减少了必要液压式力源***的数目，降低了校准装置对安装空间的要求。

Description

一种比对式多分量力传感器校准装置及其校准方法

技术领域

本发明属于力学测量领域领域，尤其涉及一种比对式多分量力传感器校准装置及其校准方法。

背景技术

随着生产力水平的不断提升，多分量力传感器在人工智能、机器人、航空航天、汽车工业、重型机械、智能制造、先进医疗等领域得到越来越广泛的应用，对多分量力传感器的量值溯源问题也随之浮现：利用传统力标准机进行校准时，需要定制特殊夹具以限制被校传感器在测试分量方向上的位移，且存在需要重复安装、定位精度有限、无法测试耦合误差、操作流程复杂等问题。因此，需要针对多分量力传感器的技术特点设计专用的校准装置。

按比对标准进行分类，国内外主流的多分量力传感器校准装置可分为：1.以砝码重力为比对标准的校准装置；2.以单分量标准测力仪为比对标准的校准装置；3.以多分量力传感器为比对标准的校准装置。以砝码重力为比对标准的校准装置，通常以钢索作为加载头和力源之间的连接件。为保证测试精度，同时受到砝码体积的限制，校准装置对安装空间的要求较大，故其测量上限一般不超过400kN，无法满足大力值传感器的校准需求，且该类装置只能进行分级加载。以单分量标准测力仪为比对比标准的校准装置，其力源的选择范围相对更广，故而能在大幅度提升测试量程的同时保证较小的安装空间，操作也更为方便。但因其一般通过刚性结构件将力值从力源***传递给被校传感器，故而在测试耦合误差时，会因为附加摩擦阻力产生较大误差。以多分量力传感器为比对标准的校准装置，通过直接对比被校传感器和装置自身的多分量力传感器的输出进行校准。但因为两台传感器的几何中心至少在两个正交方向上无法重合，直接测量结果天生带有因几何形位产生的***误差。且多分量力传感器自身亦存在溯源困难的缺点，将对装置的后续维护保养工作产生不利影响。

综上所述，就目前而言，如何在提升测试量程和耦合误差测量精度的前提下，减小多分量力传感器校准装置所占的空间体积，并尽可能提升装置后续溯源的灵活性，是该类校准装置亟待解决的技术难题。

发明内容

针对上述现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种比对式多分量力传感器校准装置及其校准方法，在保证多分量力的单独精准加载、两两组合加载及其连续加载的同时，精简了装置结构，减少了力源***的使用数目，增设了用以检测被校传感器及加载头z向形变量的激光位移传感器，并提供了相应的校准方法和根据形变量进行补偿的提升精度的方法，以满足用户的需求。

为实现上述目的，本发明提供了一种比对式多分量力传感器校准装置，包括：主基座，其设于地面上；主升降平台，其设在主基座上，主升降平台四周对称设置有十个串联安装有标准传感器的液压式力源***，标准传感器与液压式力源***串联安装，用于力值的准确测量和控制，对这些力源进行分别控制、协同工作，实现矢量力的多个分量的同步加载和校准。

在装置力坐标系的水平面(xoy平面)上共布置了6个液压式力源***，用于实现水平方向上两个力Fx和Fy以及绕垂直方向的力矩Mz力矩。其中x和y方向分别有一对力加载单元面对面布置，x方向上的两个力加载单元分别配置2个液压式力源***，而y方向上的两个力加载单元分别配置1个液压式力源***。液压式力源***，其设置方式为：第一液压式力源***、第二液压式力源***和第三液压式力源***、第四液压式力源***对称设在主升降台前后，第五液压式力源***和第六液压式力源***对称设在主升降台左右。

在力矢量坐标系垂直方向(z向)的力加载单元共布置了4个力源，用于测量垂直方向的压向力Fz和作用在水平面上的力矩Mx、My，第七至第十液压式力源***分别设在所述主基座的四角，第七至第十液压式力源***分别关于x向对称轴b和y向对称轴a对称。

夹具，其可拆卸地设于主升降台上，夹具中间设有被校传感器；加载头，呈板状结构，其可拆卸地设于夹具上；加载头上水平地设有钢索与第一至第六液压式力源***相连，加载头竖直地设有钢索与第七至第十液压式力源***相连。

第一至第六液压式力源***和主升降平台上上分别设有激光位移传感器，适于补偿因被校传感器或加载头或其他任一部件z向形变造成的分力。

作为优选的：钢索两端分别设有万向钢索连接器，当各液压式力源***进行加载时，若被校传感器或加载头或其他任一部件均处于没有形变的理想工作状态，则钢索两端的万向钢索连接器同轴设置。

作为优选的：夹具包括相向设置的顶部夹具和底部夹具，顶部夹具包括插嵌于加载头底部的顶柱和连接于顶柱底部的下平板，底部夹具包括插嵌于主升降平台上表面的底柱和连接于底柱顶部的上平板。被校传感器分别与上平板和下平板螺栓连接。

作为优选的：主升降平台四角分别设有螺纹柱，螺纹柱与主基座固定连接或一体成型。设置螺纹柱使得主升降平台距主基座有一定距离，满足了第七至第十液压式力源***安装的空间需求。

作为优选的：第一到第六液压式力源***均包括基座、固定连接或一体成型设于基座四角的螺纹柱、连接于螺纹柱上的升降平台、水平设于升降平台上的拉向液压油缸和设于拉向液压油缸面向加载头的一端上的标准传感器。激光位移传感器设于支架之上，支架分别套设于对应的液压式力源***的螺纹柱和主升降平台的螺纹柱上。支架包括套设于螺纹柱上的套筒和固定连接于套筒上的悬臂梁，激光位移传感器设于悬臂梁上。

作为优选的：各液压式力源***内设有伺服电机、传动机构、以及与螺纹柱螺纹配合的内螺纹套；伺服电机为动力源经传动机构驱动内螺纹套，内螺纹套带动升降平台实现相对于螺纹柱的上下移动。

作为优选的：第七至第十液压式力源***均包括基座、垂直设于基座上的拉向液压油缸和设于拉向液压油缸面向加载头的一端上的标准传感器。

作为优选的：加载头上对称设有与第一至第十液压式力源***相连的第一至第十万向钢索连接器，第七至第十万向钢索连接器设于加载头底部xoy平面四周，分别关于x向对称轴b和y向对称轴a对称。

作为优选的：加载头前后yoz平面设有第一至第四万向钢索连接器和第一至第四定位基准辅助件，分别关于过加载头几何中心点的yoz平面和xoz平面对称；加载头左右xoz平面布置有第五和第六万向钢索连接器和第五和第六定位基准辅助件，分别关于过加载头几何中心点的yoz平面和xoz平面对称。

作为优选，该校正装置还包括控制及数据采集处理***，该***由伺服控制***、标准传感器、激光位移传感器及信号放大***、信号采集及反馈***和数据处理软件组成。其作用是通过计算机确定所需施加载荷的位置、大小及方向，合理控制主机的各个力加载单元进行自动加载，并对测量结果进行自动采集和处理分析。控制及数据采集处理***需按多分量力传感器校准方法规定的试验程序自动对多分量力传感器做试验，其控制方式设计为全自动控制模式和手动控制模式。

本发明还提供了一种比对式多分量力传感器校准装置的校准方法，校准x向/y向正负力矩±Mx/±My包括以下步骤：

I)确认x向力矩Mx的校准上限Mx_max，或y向力矩My的校准上限My_max；

II)计算预载荷F_pre为：

式中，α∈{x,y}；当α取作x时，l的下标i取作1；当α取作y时，l的下标i取作2；l₁同时是加载头上与第七至第十液压式力源***相连的万向钢索连接器的x向对称轴与加载头x向对称轴b之间的y向距离；l₂是加载头上与第七至第十液压式力源***相连的万向钢索连接器的y向对称轴与加载头y向对称轴a之间的x向距离；

III)令第七至第十液压式力源***输出预加载拉力至F_pre；

IV)对被校传感器的各分量力输出进行置零处理；

V)根据被校传感器量程选取合适的校准点Mα₁，Mα₂，……，Mα_max；

VI)进行校准点Mα₁测量时，在α取作x的情况下，令第七和第十液压式力源***增加ΔF的输出，令第八和第九液压式力源***减少ΔF的输出；当α取作y时，令第七和第八液压式力源***增加ΔF的输出，令第九和第十液压式力源***减少ΔF的输出；ΔF的数值为：

式中，Mα的下标j代表当前校准点的序号，且Mα₀等于0；

VII)记录此时被校传感器的x向/y向力矩分量的输出作为测量结果；

VIII)对于剩余的校准点Mα₂，……，Mα_max，重复步骤VI)～VII)直至完成测试。

本发明还提供了一种比对式多分量力传感器校准装置的提升耦合误差测量精度的方法，当主分量为负z向正向力-Fz、正负x向/y向力矩±Mx/±My等5个分量中的任意分量，而影响分量为正负x向/y向正向力±Fx/±Fy、正负z向力矩±Mz等6个分量中的任意分量时，其具体步骤如下：

1)确认被校传感器的耦合误差校准方案，如表1所示，即确认需要测试的主分量C_p校准点C_p1、C_p2、……、C_pm及对应影响分量C_a的负荷C_a11、C_a12、……、C_a1n，C_a21、C_a22、……、C_a2n、……、C_am1、C_am2、……、C_amn；

表1多分量力传感器耦合误差校准方案

主分量校准点	影响分量负荷
		C<sub>p1</sub>	C<sub>a11</sub>、C<sub>a12</sub>、…、C<sub>a1n</sub>
C<sub>p2</sub>	C<sub>a21</sub>、C<sub>a22</sub>、…、C<sub>a2n</sub>
		…	…
C<sub>pm</sub>	C<sub>am1</sub>、C<sub>am2</sub>、…、C<sub>amn</sub>

2)利用激光位移传感器记录初始时刻对应的定位基准辅助件下表面(m₁)到激光位移传感器上表面(m₂或m₃)之间的z向距离H₁(对应第一至第四定位基准辅助件)和H₁'(对应第五、第六定位基准辅助件)；

3)根据初始时刻z向距离H₁或H₁'，调整对应第一至第六液压式力源***升降平台的z向高度，使升降平台定位基准辅助件下表面(n₂)至激光位移传感器上表面(n₃)之间的z向距离H₂满足以下关系

式中，H₀和H₀'是z向距离补偿常量，H₅是第一至第六液压式力源***的万向钢索连接器的水平对称中心线(n₁)到定位基准辅助件下表面(n₂)之间的z向距离，H₆是激光位移传感器上表面(n₃)到校准装置基座上表面(n₄)之间的z向距离，H₃是万向钢索连接器的轴心线(m₀)到定位基准辅助件下表面(m₁)之间的z向距离，H₄和H₄'是激光位移传感器上表面(m₃或m₂)到校准装置基座上表面(m₄)之间的z向距离；

4)施加主分量C_p至第一校准点C_p1；

5)利用激光位移传感器重新记录H₁(对应第一至第四定位基准辅助件)和H₁'(对应第五、第六定位基准辅助件)；

6)重新调整对应第一至第六液压式力源***升降平台的z向高度，使H₁、H₁'和H₂之间仍满足关系式H₁＝H₂+H₀(对应第一至第四液压式力源***)，或H₁'＝H₂+H₀'(对应第五和第六液压式力源***)；

7)依照校准方案在影响分量C_a方向上依次施加负荷C_a11、C_a12、…、C_a1n，记录各分量的输出作为测量结果；

8)对于剩余的校准点C_p2，……，C_pm，重复步骤4)～7)直至完成测试。

本发明的有益效果是：

(1)本发明通过在x向、y向和z向对十个力源进行合理设置实现不同范围的Fx、Fy、Fz三个正向力的校准，Mx、My、Mz三个力矩的校准，并且各个分量力的加载互不干扰，从而同时实现Fx、Fy、Fz、Mx、My、Mz多个分量的组合校准，达到真实反映现实生活中多分量力耦合的状态，满足JJF 1560-2016《多分量力传感器校准规范》的耦合误差章节对分量组合的要求。

(2)根据多分量力传感器的工作原理和工作方式，精简设计了校准装置的顶部/底部夹具、加载头和力源***，并通过上述校准方法，简化了x向/y向力矩的校准方式，减少了必要液压式力源***的数目，降低了校准装置的制造成本及其对安装空间的要求。

(3)选用钢索作为连接件，理想工作状态下，钢索只提供轴向力，避免了由单分量力组合形成多分量力施加时产生的寄生摩擦阻力问题。

(4)通过设置激光位移传感器测量被校传感器或加载头或其他任一部件在加载过程中的z向形变大小，之后装置依据所测得的形变量进行补偿处理，补偿了多分量力两两组合加载时由被校传感器轴向形变和加载头弯曲挠度引起的***误差，最终实现多分量力的单独精准加载、两两组合加载及其连续加载，达到提升耦合误差测量精度的目的。

附图说明

图1为本发明提供的一种比对式多分量力传感器校准装置的结构示意图。

图2为本发明提供的一种比对式多分量力传感器校准装置中主升降平台的结构拆分立体图(右)及其局部放大图(左)。

图3为本发明提供的一种比对式多分量力传感器校准装置中加载头底部xoy平面的结构示意图。

图4为本发明提供的一种比对式多分量力传感器校准装置中液压式力源***的结构示意图(左为第七至第十液压式力源***的结构示意图，右为第一至第六液压式力源***的结构示意图)。

图5为本发明提供的一种比对式多分量力传感器校准装置中第一至第六液压式力源***的正视图及其A-A剖面视图。

图6为本发明提供的一种比对式多分量力传感器校准装置中主升降平台的正视图。

图7为本发明提供的一种比对式多分量力传感器校准装置中布置在主升降平台的激光位移传感器及其支架的结构示意图。

图8为本发明提供的一种比对式多分量力传感器校准装置中加载头前后yoz平面及过几何中心点的yoz平面示意图。

图9为本发明提供的一种比对式多分量力传感器校准装置中加载头左右xoz平面及过几何中心点的xoz平面示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。

在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。

另外，还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

如图1-6所示，本发明的工作原理是，在被校传感器15的受力工装即加载头11上沿多个方向同步施加多个力和力矩，加载头11在承受多个力和力矩后将所有方向的力耦合后刚性传递到被校传感器15上。为了保证力矩参数的准确度，对各个力矩分量采用在一定力臂长度位置施加力的方式来实现，并采用钢索30作为连接件，理想工作状态下，钢索30只提供轴向力，避免了由单分量力组合施加形成多分量力时产生的寄生摩擦阻力问题。此外，为了防止因被校传感器15或加载头11或其他任一部件z向形变导致钢索30两端的万向钢索连接器19不同轴从而产生分力，在x轴和y轴方向上的第一至第六液压式力源***1～6及主升降平台12上分别设置了激光位移传感器25，来进行校准补偿。

在装置空间坐标系的x轴和z轴方向分别布置了4个液压式力源***，y轴方向布置了2个液压式力源***，并在每个液压式力源***设计了一个拉向液压油缸21，各拉向液压油缸21输出头串接了标准传感器22，通过对各拉向液压油缸21进行选择控制加载，将不同位置和方向的力协调加载到固定在主升降台12上的被校传感器15上，即可实现力矢量各个分量的独立校准或多分量力的同步组合加载和校准。

如图1-6所示，一种比对式多分量力传感器校准装置，包括：主基座18，其设于地面上；主升降平台12，其设在主基座18上，主升降平台12四周对称设置有十个串联安装有标准传感器22的液压式力源***，标准力传感器22与液压式力源***串联安装，用于力值的准确测量和控制，对这些力源进行分别控制、协同工作，实现矢量力的多个分量的同步加载和校准。

在装置力坐标系的水平面(xoy平面)上共布置了6个液压式力源***，用于实现水平方向上两个力Fx和Fy以及绕垂直方向的力矩Mz力矩。其中x和y方向分别有一对力加载单元面对面布置，x方向上的两个力加载单元分别配置2个液压式力源***，而y方向上的两个力加载单元分别配置1个液压式力源***。液压式力源***，其设置方式为：第一液压式力源***1、第二液压式力源***2和第三液压式力源***3、第四液压式力源***4对称设在主升降台12前后，第五液压式力源***5和第六液压式力源***6对称设在主升降台12左右。

在力矢量坐标系垂直方向(z向)的力加载单元共布置了4个力源，用于测量垂直方向的压向力Fz和作用在水平面上的力矩Mx、My，第七至第十液压式力源***7～10分别设在所述主基座的四角，第七至第十液压式力源***7～10分别关于x向对称轴b和y向对称轴a对称。

夹具，其可拆卸地设于主升降台12上，夹具中间设有被校传感器15；加载头11，呈板状结构，其可拆卸地设于夹具上；加载头11上水平地设有钢索30与第一至第六液压式力源***1～6相连，加载头11上竖直地设有钢索30与第七至第十液压式力源***7～10相连

第一至第六液压式力源***1～6以及主升降平台12上分别设有激光位移传感器25，适于补偿因被校传感器15或加载头11或其他任一部件z向形变造成的分力。

在本实施例中，钢索30两端分别设有万向钢索连接器19，当各液压式力源***进行加载时，若被校传感器15或加载头11或其他任一部件处于没有形变的理想工作状态，则钢索30两端的万向钢索连接器19同轴设置。

在本实施例中，夹具包括相向设置的顶部夹具13和底部夹具14，顶部夹具13包括插嵌于加载头11底部的顶柱和连接于顶柱底部的下平板，底部夹具14包括插嵌于主升降平台12上表面的底柱和连接于底柱顶部的上平板。被校传感器15分别与上平板和下平板螺栓连接。

在本实施例中，主升降平台12四角分别设有螺纹柱24，螺纹柱24与主基座18固定连接或一体成型。设置螺纹柱24使得主升降平台距主基座有一定距离，满足了第七至第十液压式力源***7～10安装的空间需求。第一到第六液压式力源***1～6均包括基座28、固定连接或一体成型设于基座四角的螺纹柱24、螺纹连接于螺纹柱24上的升降平台23、水平设于升降平台23上的拉向液压油缸21和设于拉向液压油缸21面向加载头11的一端上的标准传感器22。第七至第十液压式力源***7～10均包括基座28、垂直设于基座28上的拉向液压油缸21和设于拉向液压油缸21面向加载头11的一端上的标准传感器22。

激光位移传感器25设于支架26之上，支架26分别套设于对应的液压式力源***的螺纹柱24和主升降平台的螺纹柱24上。如图4所示，设于第一至第六液压式力源***1～6上的支架26包括套设于螺纹柱24上的套筒和固定连接于套筒上的悬臂梁，激光位移传感器25设于悬臂梁上。如图6、7所示，设于主升降平台12上的支架26包括套设于螺纹柱24上的套筒、设于两套筒中间的悬臂梁和分别设于套筒一侧的侧翼，所述侧翼上固定连接有悬臂梁，激光位移传感器25设于悬臂梁上。

各液压式力源***内设有伺服电机、传动机构、以及与螺纹柱螺纹配合的内螺纹套；伺服电机为动力源经传动机构驱动内螺纹套，内螺纹套带动升降平台实现相对于螺纹柱的上下移动。

设于第一至第六液压式力源***1～6上的激光位移传感器25测量其到升降平台23底部定位基准辅助件27的垂直距离H₂，设于主升降平台12上的激光位移传感器25测量其到布置在加载头11上的定位基准辅助件的垂直距离H₁，控制***根据所测得的两个距离之差，控制各液压式力源***上下移动升降平台23，保证各力源***的施力点和加载头11的受力点在同一水平面上，从而去除分力达到提升耦合误差测量精度的目的。

在本实施例中，加载头11上对称设有与第一至第十液压式力源***1～10相连的第一至第十万向钢索连接器1901～1910，第七至第十万向钢索连接器1907～1910设在加载头底部xoy平面四周，分别关于x向对称轴b和y向对称轴a对称。

如图4、7所示，加载头11前yoz平面231和后yoz平面232上设有第一至第四万向钢索连接器1901～1904和第一至第四定位基准辅助件2001～2004，分别关于过加载头几何中心点的中yoz平面233和中xoz平面133对称；加载头11左xoz平面131和右xoz平面132布置有第五和第六万向钢索连接器1905～1906和第五和第六定位基准辅助件2005～2006，分别关于过加载头几何中心点的中yoz平面233和中xoz平面133对称。

在一些其他实施例中，该校正装置还包括控制及数据采集处理***，该***由伺服控制***、标准传感器、激光位移传感器及信号放大***、信号采集及反馈***和数据处理软件组成。其作用是通过计算机确定所需施加载荷的位置、大小及方向，合理控制主机的各个力加载单元进行自动加载，并对测量结果进行自动采集和处理分析。控制及数据采集处理***需按多分量力传感器校准方法规定的试验程序自动对多分量力传感器做试验，其控制方式设计为全自动控制模式和手动控制模式。

本发明还提供了一种比对式多分量力传感器校准装置的校准方法，首先，需要明确以下关系：

(1)正x向正向力+Fx由第一液压式力源***1和第二液压式力源***2产生，+Fx和第一、第二液压式力源***分别产生的拉力F₁和F₂在数值上存在以下关系：

F_x＝F₁+F₂,F₁＝F₂＝0.5F_x

(2)负x向正向力-Fx由第三液压式力源***3和第四液压式力源***4产生，-Fx和第三、第四液压式力源***分别产生的拉力F₃和F₄在数值上存在以下关系：

-F_x＝F₃+F₄,F₃＝F₄＝-0.5F_x

(3)正y向正向力+Fy由第五液压式力源***5产生，+Fy和第五液压式力源***产生的拉力F₅在数值上存在以下关系：

F_y＝F₅

(4)负y向正向力-Fy由第六液压式力源***6产生，-Fy和第六液压式力源***产生的拉力F₆在数值上存在以下关系：

-F_y＝F₆

(5)负z向正向力-Fz由第七至第十液压式力源***7～10产生，-Fz和第七至第十液压式力源***分别产生的拉力F₇～F₁₀在数值上存在以下关系：

-F_z＝F₇+F₈+F₉+F₁₀,F₇＝F₈＝F₉＝F₁₀＝-0.25F_z

(6)正z向力矩+Mz由第一液压式力源***1和第三液压式力源***3产生；+Mz，第一至第四万向钢索连接器1901～1904轴心线与加载头的x向对称轴b之间的y向距离l₁，和第一、第三液压式力源***分别产生的拉力F₁、F₃在数值上存在以下关系：

M_z＝F₁l₁+(-F₃l₁),F₁＝-F₃＝0.5M_z/l₁

(7)负z向力矩-Mz由第二液压式力源***2和第四液压式力源***4产生；-Mz，第一至第四万向钢索连接器1901～1904轴心线与加载头的x向对称轴b之间的y向距离l₁，和第二、第四液压式力源***分别产生的力F₂、F₄在数值上存在以下关系：

-M_z＝(-F₂l₁)+F₄l₁,-F₂＝F₄＝-0.5M_z/l₁

校准x向/y向正负力矩±Mx/±My包括以下步骤：

I)确认x向力矩Mx的校准上限Mx_max，或y向力矩My的校准上限My_max为5kNm；

II)当l₁/l₂为1m时，计算预载荷F_pre为：

III)令第七至第十液压式力源***输出预加载拉力至F_pre；

IV)对被校传感器15的各分量力输出进行置零处理；

V)根据被校传感器15量程选取校准点为1kNm，2kNm，3kNm，4kNm，5kNm；

VI)进行校准点Mα₁测量时，在α取作x的情况下，令第七和第十液压式力源***增加ΔF的输出，令第八和第九液压式力源***减少ΔF的输出；当α取作y时，令第七和第八液压式力源***增加ΔF的输出，令第九和第十液压式力源***减少ΔF的输出；ΔF的数值为：

VII)记录此时被校传感器15的x向/y向力矩分量的输出作为测量结果；

VIII)对于剩余的校准点2kNm～5kNm，重复步骤VI)～VII)直至完成测试。

本发明还提供了一种比对式多分量力传感器校准装置的提升耦合误差测量精度的方法，当主分量为负z向正向力-Fz、正负x向/y向力矩±Mz/±My等5个分量中的任意分量，而影响分量为正负x向/y向正向力±Fx/±Fy、正负z向力矩±Mz等6个分量中的任意分量时，其具体步骤如下：

1)确认被校传感器15的耦合误差校准方案，即确认需要测试的主分量C_p校准点C_p1、C_p2、……、C_pm及对应影响分量C_a的负荷C_a11、C_a12、……、C_a1n，C_a21、C_a22、……、C_a2n，……，C_am1、C_am2、……、C_amn，具体参数如表2所示；

表2多分量力传感器耦合误差校准方案

主分量校准点-Fz	影响分量负荷-Fy
		100kN	5kN，10kN，15kN，20kN，25kN
200kN	10kN，20kN，30kN，40kN，50kN
		300kN	15kN，30kN，45kN，60kN，75kN
400kN	20kN，40kN，60kN，80kN，100kN
		500kN	25kN，50kN，75kN，100kN，125kN

2)利用激光位移传感器记录初始时刻主升降平台12对应定位基准辅助件2006下表面m₁到激光位移传感器上表面m₂之间的z向距离H₁'。

3)利用设于第六液压式力源***6的激光位移传感器记录初始时刻定位基准辅助件27下表面n₂到激光位移传感器上表面n₃之间的z向距离H₂。

4)根据初始时刻z向距离H₁'，对应主升降平台12的z向高度，使调整第六液压式力源***6升降平台23的z向高度，使升降平台定位基准辅助件27下表面n₂至激光位移传感器25上表面n₃之间的z向距离H₂满足以下关系：

H₁'＝H₂+H₀'

H₀'＝H₅+H₆–H₃–H₄'

式中，H₀'是z向距离补偿常量，H₅是第六液压式力源***6上的万向钢索连接器的水平对称中心线n₁到定位基准辅助件27下表面n₂之间的z向距离，H₆是激光位移传感器25上表面n₃到校准装置基座上表面n₄之间的z向距离，H₃是万向钢索连接器的轴心线m₀到定位基准辅助件2006下表面m₁之间的z向距离，H₄'是激光位移传感器25上表面m₂到校准装置基座上表面m₄之间的z向距离；

5)施加主分量-Fz至第一校准点100kN；

6)利用激光位移传感器25重新记录H₁'；

7)重新调整对应第六液压式力源***6升降平台23的z向高度，使H₁'和H₂之间仍满足关系式H₁'＝H₂+H₀'；

8)依照校准方案在影响分量C_a方向上依次施加负荷5kN～25kN，记录各分量的输出作为测量结果；

9)对于剩余的校准点200kN～500kN，重复步骤4)～8)直至完成测试。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种比对式多分量力传感器校准装置，其特征在于，包括：主基座，其设于地面上；

主升降平台，其设在所述主基座上，所述主升降平台四周对称设置有十个串联安装有标准传感器的液压式力源***；液压式力源***，其设置方式为：第一、第二液压式力源***和第三、第四液压式力源***对称设在所述主升降台前后，第五液压式力源***和第六液压式力源***对称设在所述主升降台左右，第七至第十液压式力源***分别设在所述主基座的四角，第七至第十液压式力源***分别关于x向对称轴b和y向对称轴a对称，用于测量垂直方向的压向力Fz和作用在水平面上的力矩Mx、My；

夹具，其可拆卸地设于所述主升降台上，所述夹具中间设有被校传感器；

加载头，呈板状结构，其可拆卸地设于所述夹具上；所述加载头上水平地设有钢索与第一到第六液压式力源***相连，所述加载头上竖直地设有钢索与第七到第十液压式力源***相连；

所述第一到第六液压式力源***及主升降平台上分别设有激光位移传感器，适于补偿因被校传感器或加载头或其他任一部件z向形变造成的分力。

2.根据权利要求1所述的一种比对式多分量力传感器校准装置，其特征在于，所述钢索两端分别设有万向钢索连接器，当各液压式力源***进行加载时，若被校传感器或加载头或其他任一部件均处于没有形变的理想工作状态，则钢索两端的万向钢索连接器同轴设置。

3.根据权利要求2所述的一种比对式多分量力传感器校准装置，其特征在于，所述夹具包括相向设置的顶部夹具和底部夹具，所述顶部夹具包括插嵌于加载头底部的顶柱和连接于顶柱底部的下平板，所述底部夹具包括插嵌于主升降平台上表面的底柱和连接于底柱顶部的上平板；所述被校传感器分别与上平板和下平板螺栓连接。

4.根据权利要求1所述的一种比对式多分量力传感器校准装置，其特征在于，所述主升降平台四角分别设有螺纹柱，所述螺纹柱与主基座固定连接或一体成型。

5.根据权利要求4所述的一种比对式多分量力传感器校准装置，其特征在于，所述第一到第六液压式力源***均包括基座、固定连接或一体成型设于基座四角的螺纹柱、连接于螺纹柱上的升降平台、水平设于升降平台上的拉向液压油缸和设于拉向液压油缸面向加载头的一端上的标准传感器；所述激光位移传感器设于支架之上，所述支架分别套设于对应的液压式力源***的螺纹柱和主升降平台的螺纹柱上。

6.根据权利要求5所述的一种比对式多分量力传感器校准装置，其特征在于，所述第七至第十液压式力源***均包括基座、垂直设于基座上的拉向液压油缸和设于拉向液压油缸面向加载头的一端上的标准传感器。

7.根据权利要求6所述的一种比对式多分量力传感器校准装置，其特征在于，所述加载头上对称设有与第一至第十液压式力源***相连的第一至第十万向钢索连接器，第七至第十万向钢索连接器设于加载头底部xoy平面四周，分别关于x向对称轴b和y向对称轴a对称。

8.根据权利要求7所述的一种比对式多分量力传感器校准装置，其特征在于，所述加载头前后yoz平面设有第一至第四万向钢索连接器和第一至第四定位基准辅助件，分别关于过加载头几何中心点的yoz平面和xoz平面对称；加载头左右xoz平面布置有第五和第六万向钢索连接器和第五和第六定位基准辅助件，分别关于过加载头几何中心点的yoz平面和xoz平面对称。

9.根据权利要求1-8任一项所述的一种比对式多分量力传感器校准装置的校准方法，其特征在于，校准x向/y向正负力矩±Mx/±My包括以下步骤：

I)确认x向力矩Mx的校准上限Mx_max，或y向力矩My的校准上限My_max；

II)计算预载荷F_pre为：

式中，α∈{x,y}；当α取作x时，l的下标i取作1；当α取作y时，l的下标i取作2；l₁同时是加载头上与第七至第十液压式力源***相连的万向钢索连接器的x向对称轴与加载头x向对称轴b之间的y向距离；l₂是加载头上与第七至第十液压式力源***相连的万向钢索连接器的y向对称轴与加载头y向对称轴a之间的x向距离；

III)令第七至第十液压式力源***输出预加载拉力至F_pre；

IV)对被校传感器的各分量力输出进行置零处理；

V)根据被校传感器量程选取合适的校准点Mα₁，Mα₂，……，Mα_max；

VI)进行校准点Mα₁测量时，在α取作x的情况下，令第七和第十液压式力源***增加ΔF的输出，令第八和第九液压式力源***减少ΔF的输出；当α取作y时，令第七和第八液压式力源***增加ΔF的输出，令第九和第十液压式力源***减少ΔF的输出；ΔF的数值为：

式中，Mα的下标j代表当前校准点的序号，且Mα₀等于0；

VII)记录此时被校传感器的x向/y向力矩分量的输出作为测量结果；

VIII)对于剩余的校准点Mα₂，……，Mα_max，重复步骤VI)～VII)直至完成测试。

10.根据权利要求1-8任一项所述的一种比对式多分量力传感器校准装置的提升耦合误差测量精度的方法，其特征在于，当主分量为负z向正向力-Fz、正负x向/y向力矩±Mx/±My等5个分量中的任意分量，而影响分量为正负x向/y向正向力±Fx/±Fy、正负z向力矩±Mz等6个分量中的任意分量时，其具体步骤如下：

1)确认被校传感器的耦合误差校准方案，即确认需要测试的主分量C_p校准点C_p1、C_p2、……、C_pm及对应影响分量C_a的负荷C_a11、C_a12、……、C_a1n，C_a21、C_a22、……、C_a2n，……，C_am1、C_am2、……、C_amn；

2)利用激光位移传感器记录初始时刻对应的定位基准辅助件下表面(m₁)到激光位移传感器上表面(m₂或m₃)之间的z向距离H₁(对应第一至第四定位基准辅助件)和H₁'(对应第五、第六定位基准辅助件)；

3)根据初始时刻z向距离H₁或H₁'，调整对应第一至第六液压式力源***升降平台的z向高度，使升降平台定位基准辅助件下表面(n₂)至激光位移传感器上表面(n₃)之间的z向距离H₂满足以下关系

式中，H₀和H₀'是z向距离补偿常量，H₅是第一至第六液压式力源***的万向钢索连接器的水平对称中心线(n₁)到定位基准辅助件下表面(n₂)之间的z向距离，H₆是激光位移传感器上表面(n₃)到校准装置基座上表面(n₄)之间的z向距离，H₃是万向钢索连接器的轴心线(m₀)到定位基准辅助件下表面(m₁)之间的z向距离，H₄和H₄'是激光位移传感器上表面(m₃或m₂)到校准装置基座上表面(m₄)之间的z向距离；

4)施加主分量C_p至第一校准点C_p1；

5)利用激光位移传感器重新记录H₁(对应对应第一至第四定位基准辅助件)和H₁'(对应对应第五、第六定位基准辅助件)；

6)重新调整对应第一至第六液压式力源***升降平台的z向高度，使H₁、H₁'和H₂之间仍满足关系式H₁＝H₂+H₀(对应第一至第四液压式力源***)，或H₁'＝H₂+H₀'(对应第五和第六液压式力源***)；

7)依照校准方案在影响分量C_a方向上依次施加负荷C_a11、C_a12、…、C_a1n，记录各分量的输出作为测量结果；

8)对于剩余的校准点C_p2，……，C_pm，重复步骤4)～7)直至完成测试。

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