一种通过随机力校准传感器的装置的制作方法

本发明涉及一种通过随机力校准力传感器的装置，属于计量测试领域。

背景技术：

随着科学技术的进步，航空航天、机器人、汽车﹑机械制造、材料试验等诸多领域对动态力测量准确度的要求不断提高，对动态力计量提出了迫切的需求。飞行器采用舵机进行飞行控制，动态力是重要的反馈量，力的幅值和相位准确与否直接关系到飞行控制的精度。在飞行器结构强度试验中动态力测量准确度对评价结构的寿命和可靠性具有重要意义。高精度数控加工、机械装配过程需要对动态力进行准确监测与控制。近年来，动态力计量是国际计量界的研究热点之一，但迄今为止，动态力计量体系尚未建立。在动态力测量中，力传感器大都处于静态标定动态使用状态(即“静标动用”)，导致测量准确度很低。

动态力计量分为绝对法、相对法与比较法。绝对法是采用将动态力值直接溯源到国际单位制(SI)的方式建立动态力原级标准(primary standard)，具有最高等级的计量性能。基于激光干涉法的动态力校准是将动态力溯源到SI的基本方法，它基于牛顿第二定律，力等于质量与加速度之积，质量可以溯源到质量基准，加速度可以通过激光干涉法溯源到长度和时间。近年来动态力校准技术发展较快，德国PTB研究了基于振动台和激光干涉加速度测量的正弦力校准方法。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种通过随机力校准力传感器动态特性的装置，该装置能够采用振动台作为激励源，将力传感器安装在振动台台面，将质量块安装在力传感器的另一端，通过振动台驱动力传感器和质量块产生随机力。质量块的质量可以直接测量，质量块的加速度采用激光干涉仪测量，通过质量和加速度将随机力用绝对法溯源到国际单位制(SI)。

本发明是通过下述技术方案实现的。

一种通过随机力校准传感器的装置，包括激光干涉仪，计算机，数字电压表，高准确度数据采集系统，任意波发生器，高速数据采集系统，信号发生器，放大器，功率放大器，第一混频器，第二混频器，第一滤波器，第二滤波器，二维位移机构，反射镜，质量块，力传感器，振动台；

采用振动台驱动力传感器和质量块的方式产生动态力，力传感器安装于振动台的台面，将质量块安装于力传感器上端。

激光干涉仪和位移机构安装在一个有支撑的平台上，该平台中部开孔以便光束通过，其孔位于质量块的上方。激光干涉仪的光束通过反射镜折射到质量块的上表面。该光束被质量块上表面反射，经反射镜返回激光干涉仪。当质量块运动时，返回激光干涉仪的光束相位将随之变化。反射镜安装在位移机构的移动端，计算机控制位移机构的移动端带动反射镜运动，以实现激光光束反射到质量块上表面的不同位置进行测量，定位准确度优于10μm。

光电探测器输出的电信号及信号源输出的电信号分别与信号发生器输出信号在第一混频器和第二混频器进行混频，混频后的两路信号分别通过第一滤波器及第二滤波器进行低通滤波，然后由多通道高速数据采集系统进行同步采集，经计算机进行处理后获得位移随时间变化信号。力传感器的输出信号经放大器放大后由高准确度数据采集系统和数字电压表进行测量，获得电压随时间变化信号。高速数据采集系统和高准确度数据采集系统由内部触发系统控制同步采集数据。计算机产生有限带宽的高斯分布随机信号，任意波发生器将随机信号转换成电信号，电信号经功率放大器放大后驱动振动台，使其产生随机力；采用激光干涉仪进行随机加速度测量。随机力通过质量和加速度溯源到国际单位制(SI)。施加在力传感器上的动态力F是质量块﹑传感器与质量块之间的联接机构以及力传感器的等效质量所产生的动态力之和。通过比较施加在力传感器上的动态力F和力传感器的输出，实现随机力校准。

所述激光干涉仪为外差式激光干涉仪，主要由激光器、第一偏振分光镜、第二偏振分光镜、棱镜、布拉格盒，分光镜，信号源和光电探测器构成。激光器产生频率稳定的激光，其出射光被第一偏振分光镜分为两路，一路是测量光，另一路是参考光。测量光经过第二偏振分光镜、反射镜至质量块上表面进行振动测量，该光束被质量块上表面反射，经反射镜返回至第二偏振分光镜，第二偏振分光镜将其反射至分光镜，然后入射至光电探测器。参考光经棱镜至布拉格盒，信号源驱动布拉格盒使参考光经布拉格盒后产生频移f_B，该光束经分光镜后入射至光电探测器。测量光和参考光在光电探测器处产生干涉，光电探测器将其转换为电信号。

所述力传感器在振动台上的安装方式为：质量块通过力传感器与质量块连接机构与力传感器连接。力传感器通过力传感器安装螺钉与力传感器连接板连接。力传感器连接板通过台面安装螺钉与振动台台面连接。在安装过程中，采用数字扭矩扳手对拧紧扭矩进行测量和控制。

随机力校准信号处理流程为：激光干涉仪及数据采集系统测量分析得到质量块的位移信号和力传感器输出电压信号被带通滤波，然后采用DFT方法将其转换到频域。将位移的频谱在对应的频点乘以(jω)²后直接转换成加速度谱，再乘以质量m转换成力谱。对两路信号进行带通滤波，然后计算其在各频点的幅值和相位。两路信号在各频点幅值相除，获得力传感器的幅频特性；相位相减，获得力传感器的相频特性。重复进行多次测量，在各频点进行平均，获得力传感器在各频点的幅频特性和相频特性平均值。

有益效果

采用振动台驱动力传感器和质量块的方式产生随机力，通过激光干涉仪测量加速度，随机力值通过质量和加速度溯源到国际单位制(SI)。与正弦法校准相比，本方法具有校准效率高，更接近于力传感器的实际测量状态等优点。

附图说明

图1随机力校准装置；

其中：1-激光器，2-第一偏振分光镜，3-第二偏振分光镜，4-棱镜，5-布拉格盒，6-分光镜，7-信号源，8-光电探测器，9-激光干涉仪，10-计算机，11-数字电压表，12-高准确度数据采集系统，13-任意波发生器，14-高速数据采集系统，15-信号发生器，16-放大器，17-功率放大器，18-第一混频器，19-第二混频器，20-第一滤波器，21-第二滤波器，22-二维位移机构，23-反射镜，24-质量块，25-力传感器，26-振动台

图2力传感器及质量块安装示意图；

其中:27-振动台台面，28-力传感器连接板，29-力传感器与质量块连接机构，30-力传感器安装螺钉，31-台面安装螺钉

图3随机力信号分析方法。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

随机力校准装置的数据采集和控制系统可基于PXI总线仪器或其它具有同类功能的仪表组合。系统的各数据采集模块之间可以同步采集数据，以保持动态测量过程中相位的一致性。如附图1所示，计算机10产生有限带宽的高斯分布随机信号，任意波发生器13将其转换成电信号，经功率放大器17放大后驱动振动台26，使其产生随机力。

力传感器在振动台上的安装如附图2示。质量块24通过力传感器与质量块连接机构29与力传感器25连接。力传感器25通过力传感器安装螺钉30与力传感器连接板28连接。力传感器连接板28通过台面安装螺钉31与振动台台面27连接。在安装过程中，采用数字扭矩扳手对拧紧扭矩进行测量和控制。

一种通过随机力校准传感器的装置，如附图1所示，包括激光干涉仪9，计算机10，数字电压表11，高准确度数据采集系统12，任意波发生器13，高速数据采集系统14，信号发生器15，放大器16，功率放大器17，第一混频器18，第二混频器19，第一滤波器20，第二滤波器21，二维位移机构22，反射镜23，质量块24，力传感器25，振动台26；其中激光干涉仪9包括激光器1、第一偏振分光镜2、第二偏振分光镜3、棱镜4、布拉格盒5，分光镜6，信号源7和光电探测器8。

激光干涉仪9和位移机构22安装在一个有支撑的平台上，该平台中部开孔以便光束通过，其孔位于质量块24的上方。激光干涉仪9的光束通过反射镜23折射到质量块24的上表面。该光束被质量块24上表面反射，经反射镜23返回激光干涉仪9。当质量块24运动时，返回激光干涉仪9的光束相位将随之变化。反射镜23安装在位移机构22的移动端，计算机10控制位移机构22的移动端带动反射镜23运动，以实现激光光束反射到质量块上表面的不同位置进行测量，定位准确度优于10μm。

可以采用多种激光干涉仪进行测量。附图1所示的外差式激光干涉仪9主要由激光器1、第一偏振分光镜2、第二偏振分光镜3、棱镜4、布拉格盒5，分光镜6，信号源7和光电探测器8构成。激光器1产生频率稳定的激光，其出射光被第一偏振分光镜2分为两路，一路是测量光，另一路是参考光。测量光经过第二偏振分光镜3、反射镜23至质量块24上表面进行振动测量，该光束被质量块24上表面反射，经反射镜23返回至第二偏振分光镜3，第二偏振分光镜3将其反射至分光镜6，然后入射至光电探测器8。参考光经棱镜4至布拉格盒5，信号源7驱动布拉格盒5使参考光经布拉格盒5后产生频移f_B，该光束经分光镜6后入射至光电探测器8。测量光和参考光在光电探测器8处产生干涉，光电探测器8将其转换为电信号。

光电探测器8输出的电信号及信号源7输出的电信号分别与信号发生器15输出信号在第一混频器18和第二混频器19进行混频，混频后的两路信号分别通过第一滤波器20及第二滤波器21进行低通滤波，然后由多通道高速数据采集系统14进行同步采集，经计算机进行处理后获得位移随时间变化信号。力传感器25的输出信号经放大器16放大后由高准确度数据采集系统12和数字电压表11进行测量，获得电压随时间变化信号。高速数据采集系统14和高准确度数据采集系统12由内部触发系统控制同步采集数据。

随机力通过质量和加速度溯源到国际单位制(SI)。施加在力传感器上的动态力F是质量块﹑传感器与质量块之间的联接机构以及力传感器的等效质量所产生的动态力之和(见公式1)，即：

式中，m₁是质量块的质量；m₂是力传感器与质量块连接机构的质量；m_e是力传感器的等效质量；是质量块上表面的平均加速度；k₀是无量纲的加速度修正因子。

信号处理流程见附图3。系统测量到的位移信号和力传感器输出的电压信号分别被带通滤波，滤波器的参数相同，以保证其对位移和电压信号的幅值和相位产生同样的影响。采用DFT方法分别将信号转换到频域。将位移的频谱乘以(jω)²后直接转换成加速度谱，再依据公式(1)转换成力谱。对力谱信号进行带通滤波，然后计算其在各频点的幅值F(ω)和相位θ_F(ω)；对电压谱信号进行带通滤波，然后计算其在各频点的幅值V(ω)和相位θ_V(ω)。两路信号在各频点幅值相除获得力传感器的幅频特性相位相减获得力传感器的相频特性Δθ(ω)＝θ_F(ω)-θ_V(ω)。重复进行多次测量，在各频点分别进行平均，获得力传感器在各频点的幅频特性平均值和相频特性平均值

理论上随机力一次可以进行全频段校准。考虑到频段过宽则在各频点力的量值较小，由此导致信噪比较低，因而随机力校准可划分成多个频段，依次进行。随机力校准中，对振动台可以采用开环控制的方式，也可采用闭环控制的方式。闭环控制时，可采用力传感器的输出或激光干涉仪的输出作为反馈信号，通过计算机的计算，产生控制信号。