多維力傳感器的動態標定研究

白文聰，陳懷海

(南京航空航天大學 航空宇航學院，江蘇 南京 210016)

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多維力傳感器的動態標定研究

白文聰，陳懷海

(南京航空航天大學 航空宇航學院，江蘇 南京 210016)

摘要：提出了一套對六維力傳感器經行標定的系統，用于動態載荷情況下六維力傳感器動態標定。該系統以labVIEW為軟件系統，以高精度伺服電機為精確動力源，以高精度砝碼作為標準質量，通過伺服電機帶動標準質量做勻速圓周運動產生標準動態力。配合有限元分析軟件PATRAN對設計工裝的強度、剛度及固有頻率的分析。實現了在特定頻率范圍內的傳感器的精確動態標定。實驗結果表明系統對六維力傳感器的標定是合理可靠的。

關鍵詞：多維力傳感器；動態標定；實驗

0引言

隨著我國綜合國力的不斷提升，對振動、擾動分析的實驗需求不斷的增大。此類實驗目的是運用傳感器對運動信號進行采集。是否采集到真實、可靠的數據是實驗成功的重要標志。

傳感器種類很多，廣泛應用于各行各業中。如壓電式加速度計和力傳感器是振動實驗中最常見的兩種傳感器[1]。壓電式傳感器是利用某些介質受力產生壓電效應而制成的傳感器。壓電效應是指壓電晶體在受到某一方向的外力作用而發生形變(包括彎曲和伸縮形變)時，由于內部電荷的極化現象，會在其表面產生電荷的極化現象。

合格傳感器在出廠之前，廠家要使用靜態計量儀器對傳感器標定。沒有更多的考慮傳感器在可能的動態測試環境下出現靜動態輸出差異。其結果是，在靜態校準中精度很高的測試裝置，在動態測試中卻可能出現極大的誤差，致使整個測試裝置在動態情形下失去其可信性，且極易造成人們的錯誤判斷[2]。

目前，力傳感器的動態標定系統較為罕見。這是因為,加速度的絕對量值可以通過激光測振儀或重力加度較為精確和方便地測取,而力的絕對量值直接獲取則十分困難[3]。

文中結合空間機構轉動對基體擾動分析的實際需要，研發一套對奇多維力傳感器進行精確動態標定的系統。

1動態標定系統的基本原理

傳感器輸出電壓，與外載荷的關系為：

F=c×u

(1)

式中，c為傳感器靈敏度，F為外載荷，u為傳感器輸出電壓，由式(1)可以得出：

(2)

由式(2)可知，只要有標準的外載荷力，就可以得到高精度的靈敏度。

系統采用“轉子離心力”方式得到標準外載荷。使用伺服直驅電機驅動轉子及其上的標準質量，將隨時間變化的標準質量塊上的離心力作為標定系統的標定絕對量。

該方案分為水平測試與豎直測試兩部分。

1.1水平測試

水平測試是指轉子在水平面內旋轉，由標準質量產生平行于水平面的標準離心力，水平測試方案如圖1所示。

圖1　水平測試示意圖

將待標定傳感器與水平大理石臺面聯接。將工裝安裝在傳感器上，以保護傳感器表面，并方便電機及其他零件的安裝。在電機上安裝標準質量。當伺服電機以精確角速度ω運行時，標準質量上將會產生離心力Fc(centrifugal force)，就是標定的標準力,其大小為：

Fc=mω2r

(3)

式中，m為標準質量塊質量，r為標準質量塊質心到旋轉中心的距離，ω為伺服電機的角速度。此種情況下，可以將傳感器x、y方向經行精確的標定，理論上傳感器上加載的力與力矩為：

Fx=Fccos(ωt+φ)

(4)

Fy=Fcsin(ωt+φ)

(5)

Mx=(-mgr-Fcd)sin(ωt+θ)

(6)

My=(mgr+Fcd)cos(ωt+θ)

(7)

式(6)與式(7)中d為傳感器測量平面到標準質量塊質心所在的平行于傳感器測量平面的距離。

1.2豎直測試

豎直測試，旋轉平面與水平面垂直。豎直測試方案如圖2所示。

圖2　豎直測試示意圖

在安裝工裝的基礎之上，安裝豎直工裝，并將伺服電機豎直安裝。此安裝方式標準質量塊將在豎直平面內，產生標準力，可以對z軸力與力矩經行精確的動態標定。

Fz=(m+M)g+Fccos(ωt)

(8)

Mz=Fclsin(ωt)

(9)

式(8)中，M為所有加載在傳感器上的質量，動態數據中(M+m)g為常量，可以通過算法消除。式(9)中l為傳感器yz平面與轉子質心所在的豎直平面間的距離。

2數據的采集與處理

系統的數據采集以及后期處理使用LabVIEW軟件。LabVIEW是一種程序開發環境，由美國國家儀器(NI)公司研制開發的，使用的是圖形化編輯語言編寫程序，產生的程序是框圖的形式。隨著虛擬儀器技術的不斷發展，圖形化的編程語言已成為測試和控制領域內較流行的方式[4]。所開發的程序基本流程如圖3所示。

圖3　程序流程圖

電荷型傳感器，有著很嚴重的零漂現象，為了解決此問題，需對采集的數據進行帶通濾以去除噪聲干擾。濾波之后，獲取數據峰值，再對峰值進行平均，以消除隨機誤差。

程序界面如圖4。

圖4　程序界面

3轉子振動特性計算

3.1固有頻率

對轉子進行固有頻率分析并指導設計，可以避免其在做轉動時其固有振動頻率與轉動頻率接近發生共振，對試驗儀器造成破壞。轉子尺寸如圖5所示，全長220mm，厚5mm，使用航空硬鋁7076-T6加工。

圖5　轉子尺寸示意圖

對轉子用CAITA設計之后，導入到PATRAN里，進行模態計算，表1列出了前四階固有頻率。

表1　轉子前四階固有頻率

由計算結果可知，轉子的固有頻率與其轉動頻率1 Hz左右相差很大，可以排除可能發生的共振。

3.2轉子靜變形

在離心力與重力的作用下，轉子會在旋轉中會發生變形。變形的大小會影響產生標準力的精度。圖6顯示的是在重力與離心力作用下轉子的形變，其最大值為0.134mm。這個的形變會造成標準質量的旋轉半徑相對變化為：

(10)

將r=100mm代入上式可知得結果為4.92e-6%，因此可忽略其影響。

圖6　轉子變形計算

4實驗

為了保證實驗的精確性，所設計的實驗零件尺寸誤差都在2%以內。伺服電機運轉轉速為1Hz。實驗天平精度為0.01g。轉子半徑r為100mm。

圖7　實驗設備關系圖

圖7是實驗的簡易連接圖。伺服電機與VPS驅動連接，VPS與電腦連接，利用電腦里的控制伺服電機的軟件，調節伺服電機相關參數，可以使伺服電機在不同的負載下，以1Hz的轉速，平穩高精度的運轉。

實驗中設計了3種標準質量砝碼，經過天平測量，其質量如表3。

表3　砝碼質量表

則根據式(3)產生的理論離心力Fc為見表4。

表4　砝碼對應離心力值

將各種儀器連接妥當，大理石臺面調平，各種參數輸入完畢后，預熱傳感器半個小時，以消除溫漂的影響。按水平與豎直安裝兩種方式，分別將標準質量安裝在轉子上。運轉電機，打開編寫的數采軟件，并錄入相關常量，最后開始分不同質量多次采集數據。

采集的數據在表4、表5列出。數據使用的是靜態靈敏度10N/V，力矩標定系數為1，需要對靈敏度和力矩標定系數經行修訂。

表5　水平安裝實驗數據列表

表6　豎直安裝實驗數據列表

將式(1)加以修改，變為：

F理論=K修正×c靜靈敏度×u測量電壓

(11)

式(11)中的K為修正系數，K*c為動態靈敏度。左邊的F是標準質量做勻速圓周運動產生的標準力的大小，則修正系數K為：

(12)

結合表4、表5、表6，并對數據加以平均，可得到六維力素分別的修正系數K表7。

表7　修正系數列表

5結語

動態標定由于難度大，精準度不高，在我國還處于起步階段，此次的“轉子離心力”方案是一次新穎的嘗試。因標準力很難獲得，電機的水平和豎直安裝，在不同平面產生不同方向的標準離心力F，給實驗提供了豐富的動載荷環境，此種動態力生成模式簡單，誤差小，靈活性很大，適應性強，可以標定在電機工作轉速范圍內的不同頻率的修正系數。

參考文獻:

[1] 傅志方,華宏星. 模態分析理論與應用[M]. 上海:上海交通大學出版社, 2000.

[2] 沈建偉，孫寶元. 發動機推力矢量測試系統動態標定裝置的研制[D] 大連：大連理工大學，2005.

[3] 顧寶棟，陳懷海，申凡，等. 傳感器動態標定及其精度分析研究[J]. 振動與沖擊，2005,24(2):96-97.

[4] 張小牛，候國屏，趙偉. 虛擬技術回顧與展望[J]. 測控技術，2000，19(9)：22-24.

Research of Dynamic Calibrating System of Multicomponent Dynamometer

BAI Wen-cong, CHEN Huai-hai

(College of Aerospace Engineering, Nanjing University of Aeronautics & Astronautics, Nanjing 210016, China)

Abstract:This paper presents a set of calibration of six axis force sensor with dynamic loads. Based on LabVIEW software system, with a high accuracy servo motor as precise power source and high precision weight as the standard quality, the servo motor is used to drive the uniform circular motion generating standard dynamic force of the quality standard. The finite element analysis software PATRAN is used to analyze the tooling design strength, stiffness and natural frequency. The accurate calibration of the dynamic sensor is made within the specified frequency range. The results show that the system calibration of the six axis force sensor is reasonable and reliable.

Keywords:multicomponent dynamometer; dynamic calibrating; experiment

收稿日期：2014-11-28

中圖分類號：TP212

文獻標志碼：A

文章編號：1671-5276(2015)03-0161-04

作者簡介：白文聰(1988-)，男，陜西西安人，碩士研究生，主要研究振動測試領域。