[發明專利]用于校準加速度和力傳感器的方法和裝置

有效

• 申請號: 200980101627.3
• 申請日: 2009-05-18
• 公開（公告）號: CN101918850A
• 公開（公告）日: 2010-12-15
• 發明（設計）人: 馬丁·布魯克
• 申請（專利權）人: 斯派克塔震動科技與聲學德累斯頓有限公司
• 主分類號: G01P21/00
• 分類號: G01P21/00;G01N3/30;G01L25/00
• 代理公司: 北京三友知識產權代理有限公司 11127
• 代理人: 李輝;呂俊剛

技術領域

本發明涉及用于在桿中激勵波(特別是帶有高幅值的波)以便校準加速度傳感器和力傳感器的一種方法和裝置。像這樣的一個傳感器是一種機電換能器，該換能器將機械的可變加速度或力轉換成一個電氣地可測量的信號，例如，電荷或電壓。必須進行校準以便確定該傳感器的轉換功能。

背景技術

用于校準加速度傳感器的不同裝置是已知的。ISO16063說明了用于對振動和沖擊傳感器進行校準的多種裝置和方法。為了校準大于1000m/s²的加速度幅值，必需使用沖擊形式的信號，這就是說在時間上受限制的信號。通常已知的錘與砧的原理(它是基于兩個彼此撞擊的實心體)在高達5000m/s²的加速度幅值上令人滿意地工作。為了產生用于高質量校準的更高的加速度，則必須使用霍普金森桿原理。在ISO16063-13說明了所述的校準方法。靜態方法被常規地用于校準力傳感器。這意味著對傳感器加載一個靜態重力。通過隨時間改變并且由一個霍普金森桿產生的信號校準力傳感器代表了了一種新事物。

在原理上，通過一個霍普金森桿來進行校準的三種不同的方法是已知的。這些不同的方法涉及到所使用的參考傳感器系統。

在桿末端處的加速度是可以通過一個光學測量系統(例如，激光振動計)或一個參考加速度傳感器或力傳感器來測量。另一種用于校準的方法是通過多個應變儀來測量桿上的應變。桿末端的加速度可以由該桿的應變來計算。

霍普金森桿原理是基于以下事實，即一個機械波在一個細長的桿中傳播。波在一個自由的桿末端處的反射導致了一種運動，該運動產生了用于校準這些傳感器所需要的加速度或力。作為一個細長的桿的這些特性的結果，這些加速度和力可以達到非常高的幅值(對應地大于1000000m/s²以及大于100000N)。

在傳統的霍普金森桿的情況下，一個實心體(例如，一個鋼球)被射向桿的一端，由此導致一個機械力沖擊。這種力沖擊在桿中觸發了一個縱向延伸的波，并且該波可以沿桿傳播。在桿末端處的應變隨時間的曲線連同加速度和力/時間的曲線是由在該桿的起點處的沖擊力的力/時間曲線所限定的。例如，大的鋼球激發了一個很窄頻率的頻率譜。當球的直徑變得較小時，則頻率譜變得較寬。然而，當球的直徑變得較大時，最大幅值極大地增加。

傳統的霍普金森桿的主要缺點是：

-它不可能影響加速度信號的形式。

-加速度的麥沖持續時間是由該沖擊配合件預先確定的并且因此困以使其受影響。

-這些加速度信號并因此校準結果的再現性受到這些沖擊配合件的磨損的限制。

-從約為大于5000m/s²起的受限制的低幅值的范圍。

US5000030A說明了用于測量沖擊加速計的動態特性的一種方法和裝置。一個參考傳感器系統被定位于一個霍普金森桿上，并且有待被校準的傳感器被定位于其末端處。除其他之外，還可以通過一個壓電元件來激發一個機械沖擊。對于信號形式、信號幅值或這些信號的脈沖持續時間沒有故意的影響。

US3830091A說明了一種用于校準加速度傳感器的測試系統，其中被安裝在一個鋁桿側面的多個機電致動器通過開環與閉環電子裝置在該桿中產生了共振，并且有待測試的加速度傳感器連同一個參考加速度傳感器被安裝在該桿的一端上。在這個測試系統中可以產生諧波加速度。然而，加速度的這些頻率僅可以被設置為基本頻率的整數倍(例如，1kHz，2kHz，3kHz...)。可實現的加速度幅值僅為約3000m/s²。

發明內容

本發明的目的是通過一個霍普金森桿來開發用于校準加速度和力傳感器的一種方法和裝置，這使之有可能在一個寬的幅值范圍上故意影響信號形式、信號幅值以及這些信號的脈沖持續時間。該裝置應當具有一種簡單的設計，并且應當可靠地、安全地并且以極少的維護來工作。

根據本發明，這個目的是通過權利要求1所述的方法的這些特征以及通過權利要求3所述的裝置的這些特征來實現的。從屬權利要求2以及4至5說明了多個改進特征。

根據本發明用于校準加速度和力傳感器的裝置使用了一個參考傳感器系統，該參考傳感器系統通常是形成在一個霍普金森桿上。該參考傳感器系統可以是一種光學測量系統(例如，一種激光振動計)或一個參考傳感器。另一種用于校準的方法是通過多個應變儀來測量該桿上的應變。在桿末端的加速度或力可以由該桿的應變來計算。

通常所使用的霍普金森桿是一個金屬桿，該金屬桿具有約2米至4米的長度并且具有約18mm至30mm的厚度。