多维力传感器的动态标定研究

白文聪，陈怀海

(南京航空航天大学 航空宇航学院，江苏 南京 210016)



多维力传感器的动态标定研究

白文聪，陈怀海

(南京航空航天大学 航空宇航学院，江苏 南京 210016)

摘要：提出了一套对六维力传感器经行标定的系统，用于动态载荷情况下六维力传感器动态标定。该系统以labVIEW为软件系统，以高精度伺服电机为精确动力源，以高精度砝码作为标准质量，通过伺服电机带动标准质量做匀速圆周运动产生标准动态力。配合有限元分析软件PATRAN对设计工装的强度、刚度及固有频率的分析。实现了在特定频率范围内的传感器的精确动态标定。实验结果表明系统对六维力传感器的标定是合理可靠的。

关键词：多维力传感器；动态标定；实验

0引言

随着我国综合国力的不断提升，对振动、扰动分析的实验需求不断的增大。此类实验目的是运用传感器对运动信号进行采集。是否采集到真实、可靠的数据是实验成功的重要标志。

传感器种类很多，广泛应用于各行各业中。如压电式加速度计和力传感器是振动实验中最常见的两种传感器[1]。压电式传感器是利用某些介质受力产生压电效应而制成的传感器。压电效应是指压电晶体在受到某一方向的外力作用而发生形变(包括弯曲和伸缩形变)时，由于内部电荷的极化现象，会在其表面产生电荷的极化现象。

合格传感器在出厂之前，厂家要使用静态计量仪器对传感器标定。没有更多的考虑传感器在可能的动态测试环境下出现静动态输出差异。其结果是，在静态校准中精度很高的测试装置，在动态测试中却可能出现极大的误差，致使整个测试装置在动态情形下失去其可信性，且极易造成人们的错误判断[2]。

目前，力传感器的动态标定系统较为罕见。这是因为,加速度的绝对量值可以通过激光测振仪或重力加度较为精确和方便地测取,而力的绝对量值直接获取则十分困难[3]。

文中结合空间机构转动对基体扰动分析的实际需要，研发一套对奇多维力传感器进行精确动态标定的系统。

1动态标定系统的基本原理

传感器输出电压，与外载荷的关系为：

F=c×u

(1)

式中，c为传感器灵敏度，F为外载荷，u为传感器输出电压，由式(1)可以得出：

(2)

由式(2)可知，只要有标准的外载荷力，就可以得到高精度的灵敏度。

系统采用“转子离心力”方式得到标准外载荷。使用伺服直驱电机驱动转子及其上的标准质量，将随时间变化的标准质量块上的离心力作为标定系统的标定绝对量。

该方案分为水平测试与竖直测试两部分。

1.1水平测试

水平测试是指转子在水平面内旋转，由标准质量产生平行于水平面的标准离心力，水平测试方案如图1所示。

图1　水平测试示意图

将待标定传感器与水平大理石台面联接。将工装安装在传感器上，以保护传感器表面，并方便电机及其他零件的安装。在电机上安装标准质量。当伺服电机以精确角速度ω运行时，标准质量上将会产生离心力Fc(centrifugal force)，就是标定的标准力,其大小为：

Fc=mω2r

(3)

式中，m为标准质量块质量，r为标准质量块质心到旋转中心的距离，ω为伺服电机的角速度。此种情况下，可以将传感器x、y方向经行精确的标定，理论上传感器上加载的力与力矩为：

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)与式(7)中d为传感器测量平面到标准质量块质心所在的平行于传感器测量平面的距离。

1.2竖直测试

竖直测试，旋转平面与水平面垂直。竖直测试方案如图2所示。

图2　竖直测试示意图

在安装工装的基础之上，安装竖直工装，并将伺服电机竖直安装。此安装方式标准质量块将在竖直平面内，产生标准力，可以对z轴力与力矩经行精确的动态标定。

Fz=(m+M)g+Fccos(ωt)

(8)

Mz=Fclsin(ωt)

(9)

式(8)中，M为所有加载在传感器上的质量，动态数据中(M+m)g为常量，可以通过算法消除。式(9)中l为传感器yz平面与转子质心所在的竖直平面间的距离。

2数据的采集与处理

系统的数据采集以及后期处理使用LabVIEW软件。LabVIEW是一种程序开发环境，由美国国家仪器(NI)公司研制开发的，使用的是图形化编辑语言编写程序，产生的程序是框图的形式。随着虚拟仪器技术的不断发展，图形化的编程语言已成为测试和控制领域内较流行的方式[4]。所开发的程序基本流程如图3所示。

图3　程序流程图

电荷型传感器，有着很严重的零漂现象，为了解决此问题，需对采集的数据进行带通滤以去除噪声干扰。滤波之后，获取数据峰值，再对峰值进行平均，以消除随机误差。

程序界面如图4。

图4　程序界面

3转子振动特性计算

3.1固有频率

对转子进行固有频率分析并指导设计，可以避免其在做转动时其固有振动频率与转动频率接近发生共振，对试验仪器造成破坏。转子尺寸如图5所示，全长220mm，厚5mm，使用航空硬铝7076-T6加工。

图5　转子尺寸示意图

对转子用CAITA设计之后，导入到PATRAN里，进行模态计算，表1列出了前四阶固有频率。

表1　转子前四阶固有频率

由计算结果可知，转子的固有频率与其转动频率1 Hz左右相差很大，可以排除可能发生的共振。

3.2转子静变形

在离心力与重力的作用下，转子会在旋转中会发生变形。变形的大小会影响产生标准力的精度。图6显示的是在重力与离心力作用下转子的形变，其最大值为0.134mm。这个的形变会造成标准质量的旋转半径相对变化为：

(10)

将r=100mm代入上式可知得结果为4.92e-6%，因此可忽略其影响。

图6　转子变形计算

4实验

为了保证实验的精确性，所设计的实验零件尺寸误差都在2%以内。伺服电机运转转速为1Hz。实验天平精度为0.01g。转子半径r为100mm。

图7　实验设备关系图

图7是实验的简易连接图。伺服电机与VPS驱动连接，VPS与电脑连接，利用电脑里的控制伺服电机的软件，调节伺服电机相关参数，可以使伺服电机在不同的负载下，以1Hz的转速，平稳高精度的运转。

实验中设计了3种标准质量砝码，经过天平测量，其质量如表3。

表3　砝码质量表

则根据式(3)产生的理论离心力Fc为见表4。

表4　砝码对应离心力值

将各种仪器连接妥当，大理石台面调平，各种参数输入完毕后，预热传感器半个小时，以消除温漂的影响。按水平与竖直安装两种方式，分别将标准质量安装在转子上。运转电机，打开编写的数采软件，并录入相关常量，最后开始分不同质量多次采集数据。

采集的数据在表4、表5列出。数据使用的是静态灵敏度10N/V，力矩标定系数为1，需要对灵敏度和力矩标定系数经行修订。

表5　水平安装实验数据列表

表6　竖直安装实验数据列表

将式(1)加以修改，变为：

F理论=K修正×c静灵敏度×u测量电压

(11)

式(11)中的K为修正系数，K*c为动态灵敏度。左边的F是标准质量做匀速圆周运动产生的标准力的大小，则修正系数K为：

(12)

结合表4、表5、表6，并对数据加以平均，可得到六维力素分别的修正系数K表7。

表7　修正系数列表

5结语

动态标定由于难度大，精准度不高，在我国还处于起步阶段，此次的“转子离心力”方案是一次新颖的尝试。因标准力很难获得，电机的水平和竖直安装，在不同平面产生不同方向的标准离心力F，给实验提供了丰富的动载荷环境，此种动态力生成模式简单，误差小，灵活性很大，适应性强，可以标定在电机工作转速范围内的不同频率的修正系数。

参考文献:

[1] 傅志方,华宏星. 模态分析理论与应用[M]. 上海:上海交通大学出版社, 2000.

[2] 沈建伟，孙宝元. 发动机推力矢量测试系统动态标定装置的研制[D] 大连：大连理工大学，2005.

[3] 顾宝栋，陈怀海，申凡，等. 传感器动态标定及其精度分析研究[J]. 振动与冲击，2005,24(2):96-97.

[4] 张小牛，候国屏，赵伟. 虚拟技术回顾与展望[J]. 测控技术，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

中图分类号：TP212

文献标志码：A

文章编号：1671-5276(2015)03-0161-04

作者简介：白文聪(1988-)，男，陕西西安人，硕士研究生，主要研究振动测试领域。