[發明專利]一種多支點壓電測力儀的標定方法

有效

• 申請號: 201710619665.4
• 申請日: 2017-07-28
• 公開（公告）號: CN107621332B
• 公開（公告）日: 2019-07-12
• 發明（設計）人: 張軍;任宗金;宋鵬;田雨;李明昱;韓煜;常慶兵;盧煒昌
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: G01L25/00
• 分類號: G01L25/00
• 代理公司: 大連理工大學專利中心 21200
• 代理人: 溫福雪;侯明遠

1.一種多支點壓電測力儀的標定方法，其特性在于，采用可平移的主向力加載機構，保證主向力的力線與壓電三向力傳感器的軸線重合；通過加載滿量程主向力，重復多次，采集記錄輸出電壓；對數據進行預處理，根據力的平衡原理，得到每個加載點處的力電關系式；聯立力電關系式，構建標定方程組模型，計算系數矩陣條件數，解得每個壓電三向壓電傳感器的力電轉換系數，完成測力儀的標定；具體步驟如下：

第一步，標定測力儀

1)在第1號壓電力傳感器上方加載標定

通過螺栓將多支點壓電測力儀上板(6)固定在加載平臺的基座(5)上，使第1號壓電力傳感器(1)中心位于主向力移動面(7)內，主向力移動面(7)為平移主向力加載機構過程中主向力力線構成的平面，將液體水平儀(14)放置在導軌(10)上，調節鎖緊螺母(11)，使導軌(10)處于水平方向，轉動第二手輪(15)，移動主向力加載機構(8)至第1號壓電力傳感器(1)上方，固定主向力加載機構(8)，轉動第一手輪(9)，觀察標準測力環(12)的讀數，對多支點壓電測力儀上板(6)施加滿量程的主向力，采集記錄輸出電壓值，重復施加多次主向力，并記錄輸出電壓值；

2)在其余壓電力傳感器上方加載標定

松開螺栓，調節測力儀位置，使第2號壓電力傳感器(2)中心位于主向力加載面(7)內，重復步驟1)，完成在第2號壓電力傳感(2)器處的加載標定，同時記錄輸出電壓值；以此類推，完成在其余壓電力傳感器上方的加載標定；

第二步，數據處理

1)輸出電壓信號預處理

分別對每個壓電力傳感器的多次輸出電壓值求標準偏差σ，根據式(1)剔除異常值，公式如下：

其中，v_d為某次的輸出電壓值與多次輸出電壓均值的偏差，u_d為某次輸出電壓值，為多次輸出電壓均值；

剔除異常值后，重新計算輸出電壓均值，作為標準力作用下的理論輸出電壓值；

2)求解標定方程組

由力的平衡原理可知，測力儀所受主向力大小與各壓電力傳感器受到的主向力之和相等；每個作用點處，存在如下力電關系式：

其中，j為加載點編號，j＝1,…,n，n為壓電力傳感器個數，i為壓電力傳感器的編號，i＝j，u_ji為在第j加載點處標定時第i號壓電三向力傳感器的主向理論輸出電壓值，k_i為第i號壓電力傳感器的主向力電轉換系數，F_j為在第j加載點處施加的主向力值；

令c_i＝1/k_i，對式(2)進行換元處理，式(2)變為式(3)：

聯立n個加載點處的力電關系式，得到n元一次標定方程組：

系數矩陣條件數影響解的求解精度，系數矩陣條件數越小，解越精確；依據經驗，系數矩陣條件數的取值區間為[1,5]，當系數矩陣條件數超出5時，則重新選點進行標定；系數矩陣條件數在取值區間內，則求解標定方程組(4)，并通過換元k_i＝1/c_i，解得所有壓電力傳感器的主向力電轉換系數；

第三步，驗證標定出的主向力電轉換系數

在多支點壓電測力儀上板(6)平面內的任一驗證點處，分別階梯加載主向力，操作過程與第一步相同，采集記錄輸出電壓，利用公式(2)得到加載點處施加的主向力值，并與理論加載力值對比。