三分力传感器的标定装置的制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种三分力传感器的标定装置，其包括：支撑座；通过转轴转动连接在所述支撑座上的横梁；活动连接在该横梁上的挂铁；固定安装在所述横梁上、且已被准确标定的单分力传感器；与所述支撑座的位置相对固定的底座；布置在所述单分力传感器下方的待标定的三分力传感器，且其测力端通过竖直绷紧的绳与所述单分力传感器的测力端相连；用于测量所述挂铁的重心与所述转轴的中轴线之间距离值x的激光测距仪；可横向移动地连接在所述横梁上、并且能够测量该横梁与水平线间的夹角θ的水平仪；与所述单分力传感器和三分力传感器均连接的数据采集系统；以及与所述数据采集系统、激光测距仪和水平仪均连接的数据处理系统。本实用新型的标定装置及标定方法能够对不同尺寸不同型号的三分力传感器在x、y、z三个方向上进行精确快速标定。
【专利说明】
三分力传感器的标定装置
技术领域
[0001] 本实用新型涉及海洋工程和机械工程领域，尤其是涉及船舶与海洋工程实验所用 的不同尺寸的三分力传感器X、y、z三个方位的标定装置。
【背景技术】
[0002] 在船舶与海洋工程和机械工程领域，实验扮演着越来越重要的角色。实验结果不 仅能检验理论分析的结果，还能作为数值模拟方法的检验依据，对数值模拟模型不断优化， 实验也因此成为科学研究和工程领域不可缺少的一个环节。数据的采集，尤其是力的采集 更是实验中重要的一部分，力的数据的采集在风浪流实验、砰击实验、结构强度校核实验中 都是十分重要的。现阶段力都是通过三分力传感器或者单分力传感器测得。而传感器在使 用之前必须先标定。通过标定，实验室人员可以获得静态标定曲线，确定传感器的电量输出 和被测力之间的对应关系，并计算得到线性系数，用于数据采集系统。
[0003] 然而现阶段实验室和工程单位传感器标定装置和方法存在精度差、操作复杂、无 法实现多量程多尺寸量程传感器的多方位标定等诸多问题。另外，大多标定装置没有数据 处理系统。
[0004] 这些问题具体表现在：
[0005] 1)由于标定工作既与仪器本身特性有关，也与实际诸多具体因素诸如仪器的连 接、安装、布置有关，同时也受到各种环境因素干扰，这使得许多标定装置精度很差。
[0006] 2)许多标定装置固定部分设计不合理，导致只能在一个方向上固定特定规格的传 感器，以至于无法实现多量程多尺寸量程传感器的多方位标定。
[0007] 3)许多实验室采用直接将砝码放置或悬挂在传感器上的方法标定，这导致标定过 程中要不断添加砝码，使标定操作变得十分复杂，也更易产生误差。
[0008] 4)许多三分力传感器的标定装置没有数据处理集成装置，导致实验人员要手工 记录电信号和力的大小，再后期计算得到静态标定曲线。这也使标定过程更加复杂。同时这 也导致了标定时间损耗很大，影响试验进度。 【实用新型内容】
[0009] 本实用新型目的是:针对上述技术问题，提出一种三分力传感器的标定装置，以对 不同尺寸不同型号的三分力传感器在x、y、z三个方向上进行精确快速标定。
[0010]本实用新型的技术方案是:所述的三分力传感器的标定装置，包括：
[0011] 支撑座；
[0012] 沿X轴方向水平延伸布置的横梁，该横梁的中部通过沿Y轴方向延伸布置转轴转动 连接在所述支撑座上；
[0013]连接在所述横梁上、并且能够沿该横梁的长度方向横向移动的挂铁；
[0014]固定安装在所述横梁上、且已被准确标定的单分力传感器，所述挂铁和该单分力 传感器分别布置在所述转轴的左、右两对立侧；
[0015] 与所述支撑座的位置相对固定的底座，该底座上设置有用于固定各种型号三分力 传感器的三分力传感器固定结构；
[0016] 布置在所述单分力传感器下方的待标定的三分力传感器，该三分力传感器)通过 所述三分力传感器固定结构可拆卸地固定在所述底座上，且其测力端通过竖直绷紧的绳与 所述单分力传感器的测力端相连；
[0017] 用于测量所述挂铁的重心与所述转轴的中轴线之间距离值X的激光测距仪，该激 光测距仪安装在所述横梁上且位于所述转轴处；
[0018] 可横向移动地连接在所述横梁上、并且能够测量该横梁与水平线间的夹角Θ的水 平仪；
[0019] 与所述单分力传感器和三分力传感器均连接的数据采集系统，该数据采集系统获 取所述单分力传感器的所测力值F'和所述三分力传感器的所测力值，并将单分力传感器的 所测力值转换成相应的力学电信号数值U'向外输出，将三分力传感器的所测力值转换成相 应的力学电信号数值U向外输出；以及
[0020] 与所述数据采集系统、激光测距仪和水平仪均连接的数据处理系统，该数据处理 系统接收所述数据采集系统输出的所述力学电信号数值U'和所述力学电信号数值U、所述 激光测距仪所测得的挂铁重心至转轴中轴线的距离值X、所述水平仪所测得的横梁与水平 线间的夹角Θ，并且数据处理系统能够根据其接收到的力学电信号数值U'计算出所述单分 力传感器的所测力值F'，同时能够根据其接收到的挂铁重心至转轴中轴线的距离值X、横梁 与水平线间的夹角Θ、预先输入该数据处理系统内的挂铁的自重G计算出所述三分力传感器 的竖直方向理论受力值F。
[0021] 本实用新型这种标定装置在上述技术方案的基础上，还包括以下优选方案：
[0022]所述数据处理系统具有能够显示所述力学电信号数值U'、所述单分力传感器的所 测力值F'、所述力学电信号数值U和所述三分力传感器的竖直方向理论受力值F的显示单 J L· 〇
[0023] 所述底座包括水平布置的底板和垂直固定在该底板上方的竖板，所述三分力传感 器固定结构包括制于所述底板上的用于穿设螺钉的8个竖直通孔、制于所述竖板上的用于 穿设螺钉的8个水平通孔。
[0024] 所述竖直通孔和水平通孔的孔径均为5mm。
[0025] 在所述的8个竖直通孔中，其中4个竖直通孔布置在另外4个竖直通孔的外围，且内 侧的4个竖直通孔和外围的4个竖直通孔均呈矩形分布;在所述的8个水平通孔中，其中4个 水平通孔布置在另外4个水平通孔的外围，且内侧的4个水平通孔和外围的4个水平通孔均 呈矩形分布。
[0026] 所述横梁包括由所述转轴中轴线至横梁左端面的左半部分以及由所述转轴中轴 线至横梁右端面的右半部分，所述左半部分上设置有沿横梁长度方向均匀间隔分布的三条 标线，这三条标线将横梁的左半部分划分成四段长度一致的挂铁移动区间。
[0027] 所述左半部分和右半部分的长度相等，所述单分力传感器布置在所述横梁的右端 部。
[0028]所述数据处理系统为单片机。
[0029]本实用新型的优点是：
[0030] 1、本实用新型这种标定装置利用杠杆原理，通过移动挂铁的位置使被标定三分力 传感器受到不同大小的拉力，实现三分力传感器三个方向的标定，并配备具有精确校正功 能的数据处理系统，具有测量精度高、省时高效、安装方便无需装卸、数据处理简单等优点。
[0031] 2、底座上设置有能够固定各种型号各种尺寸的三分力传感器固定结构，从而使该 标定装置能够标定不同型号不同尺寸的三分力传感器固定结构。
【附图说明】
[0032] 下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步介绍：
[0033] 图1为本实用新型实施例这种标定装置的总装图；
[0034] 图2为本实用新型实施例这种标定装置的拆分图；
[0035] 图3为本实用新型实施例这种标定装置的标定原理图；
[0036]图4为对直径为100mm的大尺寸三分力传感器Z方向标定时三分力传感器与底座的 装配图；
[0037]图5为对直径为50mm的小尺寸三分力传感器X方向标定时三分力传感器与底座的 装配图；
[0038]其中：1-支撑座，2-转轴，3-横梁，4-挂铁，5-单分力传感器，6-三分力传感器，7-绳，8-底座，9-激光测距仪，10-水平仪，11-数据采集系统，12-数据处理系统，13-单分力传 感器安装座，14-螺钉；
[0039] a-对Z方向测力时三分力传感器与绳的连接点，b-用于固定大尺寸传感器的竖直 通孔，c-用于固定小尺寸传感器的竖直通孔，d-对X方向测力时三分力传感器与绳的连接 点，e-用于固定大尺寸传感器的水平通孔，f-用于固定小尺寸传感器的水平通孔。
【具体实施方式】
[0040] 图1~图3示出了本实用新型这种三分力传感器的标定装置的一个具体实施例， 该装置主要包括支撑座1、横梁3、挂铁4、已经被准确标定的单分力传感器5、待标定的三分 力传感器6、绳7、底座8、激光测距仪9、水平仪10、数据采集系统11和数据处理系统12。其中：
[0041] 支撑座1的底面为平面，其在标定试验时被稳定放置在试验台面上。横梁3沿X轴方 向水平延伸布置，横梁3的中部通过转轴2转动连接在所述支撑座1上，其中转轴2的轴线沿Y 轴方向延伸布置，从而使得横梁3能绕着转轴2 (或者说绕着Y轴)在X-Z平面内转动。而且所 述转轴2的中轴线与横梁3的长度轴线相交。挂铁4活动连接在横梁3上，挂铁4能够沿横梁3 的长度方向横向移动。本例中该挂铁4上制有一个嵌套孔，具体是通过该嵌套孔滑动连接在 所述横梁3上的，而且挂铁4的重心位于横梁3的长度轴线上。单分力传感器5已被准确标定， 该单分力传感器5与所述挂铁4和分别布置在所述转轴2的左、右两对立侧，其中单分力传感 器5具体通过单分力传感器安装座13固定在横梁3的右端部，而且单分力传感器5的测力端 竖直向下布置。三分力传感器6为该装置的标定对象，其被固定在所述底座8上，且位于单分 力传感器5的正下方。该三分力传感器6测力端通过竖直绷紧（即绳7的长度沿Z轴方向延伸 设置，不过需要说明的是，这是在横梁3处于完全水平状态时，绳7才会完全竖直)的所述绳7 与所述单分力传感器5的测力端相连。底座8与所述支撑座1的位置相对固定，该底座8包括 水平布置的底板81和垂直固定在该底板801上方的竖板802,且底板801上方的竖板802均为 不锈钢材质。底座8上设置有用于固定各种型号各种尺寸三分力传感器的三分力传感器固 定结构，上述的三分力传感器6就是通过该三分力传感器固定结构可拆卸地固定在底座8上 的。
[0042]本例中，所述三分力传感器固定结构的具体结构形式为：它包括制于所述底板801 上的用于穿设螺钉14的8个竖直通孔和制于所述竖板802上的用于穿设螺钉的8个水平通 孔，而且竖直通孔和水平通孔的孔径均为5mm。在所述的8个竖直通孔中，其中4个竖直通孔 布置在另外4个竖直通孔的外围，且内侧的4个竖直通孔和外围的4个竖直通孔均呈矩形分 布。在所述的8个水平通孔中，其中4个水平通孔布置在另外4个水平通孔的外围，且内侧的 4个水平通孔和外围的4个水平通孔均呈矩形分布。例如：当该装置用于标定大尺寸三分力 传感器比如直径为100mm的三分力传感器时，则利用外围的4个水平通孔或外围的4个竖直 通孔配合螺钉固定三分力传感器，防止该三分力传感器在任一方向松动。当该装置用于标 定小尺寸三分力传感器比如直径为50mm的三分力传感器时，则利用内侧的4个水平通孔或 内侧的4个竖直通孔配合螺钉固定三分力传感器，防止该三分力传感器在任一方向松动。若 对三分力传感器Z方向进行标定，则使三分力传感器的Z方向测力端竖直朝上布置并与所述 绳7连接;若对三分力传感器Y方向进行标定，则使三分力传感器的Y方向测力端竖直朝上布 置并与所述绳7连接。若对三分力传感器X方向进行标定，则使三分力传感器的X方向测力端 竖直朝上布置并与所述绳7连接。
[0043]图4为对直径为100mm的大尺寸三分力传感器Z方向标定时，三分力传感器与底座8 的装配图，在该图中，三分力传感器的Z方向测力端竖直朝上布置，利用外围的4个竖直通孔 配合螺钉固定该三分力传感器的底部。图中a处为对Z方向测力时三分力传感器与绳的连接 点，图中b处为用于固定大尺寸传感器的竖直通孔，图中c处为用于固定小尺寸传感器的竖 直通孔。
[0044]图5为对直径为50mm的小尺寸三分力传感器X方向标定时，三分力传感器与底座8 的装配图，在该图中，三分力传感器的X方向测力端竖直朝上布置，利用内侧的4个水平通孔 配合螺钉固定该三分力传感器的侧部。图中d处为对X方向测力时三分力传感器与绳的连接 点，图中e处为用于固定大尺寸传感器的水平通孔，图中f处为用于固定小尺寸传感器的水 平通孔。
[0045] 激光测距仪9安装在所述横梁3上且位于所述转轴2处，其用于测量所述挂铁4的重 心与所述转轴2的中轴线之间距离值X，并能将其测量的挂铁重心与转轴中轴线之间距离值 X向外输出。显然，转轴2的中轴线也即所述横梁3的转动中心线。本例中，该激光测距仪9具 体布置在横梁3的中部侧面位置。
[0046] 水平仪10通过卡箍和螺栓连接在所述横梁3上，并且水平仪10能够沿横梁3横向 移动，以利用杠杆原理对横梁3的水平度进行修正。同时该水平仪10能够测量该横梁3与水 平线间的夹角Θ，并能将其测量的横梁3与水平线间的夹角Θ向外输出。本例中，该水平仪10 具体布置在横梁3的中部顶面位置。
[0047] 数据采集系统11既与所述单分力传感器5连接，又与所述三分力传感器6均连接， 其能够获取所述单分力传感器5的所测力值F'和所述三分力传感器6的所测力值，并将单分 力传感器5的所测力值转换成相应的力学电信号数值U'向外输出，将三分力传感器6的所测 力值转换成相应的力学电信号数值U向外输出。
[0048]数据处理系统12为单片机系统，其与所述数据采集系统11、激光测距仪9和水平仪 10均连接，该数据处理系统12接收所述数据采集系统11输出的所述力学电信号数值U'和所 述力学电信号数值U、所述激光测距仪9所测得的挂铁重心至转轴中轴线的距离值X、所述水 平仪10所测得的横梁3与水平线(也即X轴线）间的夹角Θ，并且能够根据其接收到的力学电 信号数值U'计算出所述单分力传感器5的所测力值F'（因为单分力传感器5以被预先准确标 定，其U' -F'对应关系已知），同时能够根据其接收到的挂铁重心至转轴中轴线的距离值X、 横梁3与水平线间的夹角Θ、预先输入该数据处理系统12内的挂铁4的自重G计算出所述三分 力传感器6的竖直方向理论受力值F。
[0049] 所述三分力传感器6的竖直方向理论受力值F也即三分力传感器受力的竖直方向 分量，也是我们需要标定的力。
[0050]根据几何力学关系演算，演算过程为力学领域常规技术，故在此不再赘述，可知三 分力传感器6的竖直方向理论受力值F= [ (1 · 49+2 · 02*sin0-0 · 19*C0S0)A2 · 626*C0S0+ 4.3635*sin9)]*G*x*10-3。单分力传感器 5 的受力F' =[(1.49*cos9+2.02*sin 9-0.l9)/ (2.626*cos9+4.3635*s ?ηθ)]*G*x*10-3 〇
[0051] 当θ = 〇时，F=F' =G*x/2020,与实际相符，说明了公式推导的正确性。
[0052] 而且本例中，所述数据处理系统12具有显示单元，该显示单元能够显示所述力学 电信号数值U'、所述单分力传感器5的所测力值F'、所述力学电信号数值U和所述三分力传 感器6的竖直方向理论受力值F。
[0053]所述横梁3包括由所述转轴2中轴线至横梁左端面的左半部分以及由所述转轴2中 轴线至横梁右端面的右半部分，而且所述左半部分和右半部分的长度相等。所述左半部分 上设置有沿横梁3长度方向均匀间隔分布的三条标线3a，这三条标线3a将横梁3的左半部分 划分成四段长度一致的挂铁移动区间。
[0054]这样一来，挂铁4在横向移动过程中，从横梁3左端面到横梁中心依次是一档范围、 二档范围、三档范围和四档范围。用一档测量量程最大的三分力传感器，用四档测量量程最 小的三分力传感器。具体在本实施例中，所述挂铁4的材质为AISI 4130钢，密度为7.85* 103kg/m3，体积为 1 · 3346463*107mm3，故其自重G= (1 · 336463*10-2)*(7 · 85*103)*9 · 8N = 1026.746N。这样，我们根据杠杆原理"G*x = T*0F"，其中T为绳7的张力，0为横梁的旋转中 心，0F为T的力臂，可计算出：
[0055] 四档标定力的范围是：0~256.6865N;
[0056] 三档标定力的范围是：256.6865~513.373N;
[0057] 二档标定力的范围是：513.373~770.0595N;
[0058] 一档标定力的范围是：770.0595~1026.746N。
[0059]通过演算，演算过程为力学领域常规技术，故在此不再赘述，可知T的力臂
[0060] 再参照图1~图3所示，现将利用本实施例这种标定装置来标定三分力传感器的方 法简单介绍如下，该方法包括以下步骤：
[0061] 步骤一、移动所述挂铁4在所述横梁3上的位置，直至所述激光测距仪9的示数为 零。为了方便操作，一般先将所述挂铁4移动至横梁2的中部，然后微调挂铁4的位置直至激 光测距仪9的示数为零。
[0062] 步骤二、通过调节所述水平仪10在所述横梁3上的横向位置，将所述横梁调整至水 平，即横梁3与水平线(也即X轴线）间的夹角θ = 〇。
[0063] 步骤三、用绳7将待标定三分力传感器6的测力端与所述单分力传感器5的测力端 连接，并使该绳7绷紧。绳7的长度沿Ζ轴竖直延伸设置。
[0064] 步骤四、通过微调所述水平仪10在所述横梁3上的横向位置，将所述横梁再次调整 至水平。
[0065] 步骤五、横向移动所述挂铁4至横梁3的某一位置，待所述水平仪10的示数稳定后， 读取所述数据处理系统12上显示的所述力学电信号数值U'、所述单分力传感器5的所测力 值F '、所述力学电信号数值U和所述三分力传感器6的竖直方向理论受力值F。
[0066]步骤六、比较步骤五中所述单分力传感器5的所测力值F'和所述三分力传感器6的 竖直方向理论受力值F。如果所述单分力传感器5的所测力值F'和所述三分力传感器6的竖 直方向理论受力值F相差在1 %以内，则将所述三分力传感器6的竖直方向理论受力值F与所 述力学电信号数值U进行标定，即根据三分力传感器6的竖直方向理论受力值F与对应的所 述力学电信号数值U，在U-F图像上画出相应的标定点。如果所述单分力传感器5的所测力值 F'和所述三分力传感器6的竖直方向理论受力值F相差大于1%，则重复步骤五和步骤六(改 变挂铁4在横梁3上的位置）。
[0067] 步骤七、多次重复所述步骤五和步骤六，从而得到多个标定点，每个标定点均对应 一组力学电信号数值U和三分力传感器的竖直方向理论受力值F，将这些标定点用平滑线条 依次连接起来，便得到所述力学电信号数值U与所述三分力传感器6的竖直方向理论受力值 F的标定曲线。
[0068] 当然，上述实施例只为说明本实用新型的技术构思及特点，其目的在于让人们能 够了解本实用新型的内容并据以实施，并不能以此限制本实用新型的保护范围。凡根据本 实用新型主要技术方案的精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本实用新型的保护 范围之内。
【主权项】
1. 一种三分力传感器的标定装置，其特征在于该装置包括： 支撑座(1); 沿X轴方向水平延伸布置的横梁（3)，该横梁（3)的中部通过沿Y轴方向延伸布置转轴 (2)转动连接在所述支撑座(1)上； 连接在所述横梁(3)上、并且能够沿该横梁的长度方向横向移动的挂铁(4); 固定安装在所述横梁(3)上、且已被准确标定的单分力传感器(5)，所述挂铁(4)和该单 分力传感器(5)分别布置在所述转轴(2)的左、右两对立侧； 与所述支撑座（1)的位置相对固定的底座(8)，该底座(8)上设置有用于固定各种型号 三分力传感器的三分力传感器固定结构； 布置在所述单分力传感器(5)下方的待标定的三分力传感器(6)，该三分力传感器(6) 通过所述三分力传感器固定结构可拆卸地固定在所述底座（8)上，且其测力端通过竖直绷 紧的绳(7)与所述单分力传感器(5)的测力端相连； 用于测量所述挂铁(4)的重心与所述转轴(2)的中轴线之间距离值X的激光测距仪(9)， 该激光测距仪(9)安装在所述横梁(3)上且位于所述转轴(2)处； 可横向移动地连接在所述横梁(3)上、并且能够测量该横梁（3)与水平线间的夹角Θ的 水平仪(10); 与所述单分力传感器(5)和三分力传感器(6)均连接的数据采集系统（11)，该数据采集 系统（11)获取所述单分力传感器(5)的所测力值F'和所述三分力传感器(6)的所测力值，并 将单分力传感器(5)的所测力值转换成相应的力学电信号数值U'向外输出，将三分力传感 器(6)的所测力值转换成相应的力学电信号数值U向外输出；以及 与所述数据采集系统（11)、激光测距仪(9)和水平仪（10)均连接的数据处理系统（12)， 该数据处理系统（12)接收所述数据采集系统（11)输出的所述力学电信号数值U'和所述力 学电信号数值U、所述激光测距仪(9)所测得的挂铁(4)重心至转轴(2)中轴线的距离值X、所 述水平仪(10)所测得的横梁(3)与水平线间的夹角Θ，并且数据处理系统（12)能够根据其接 收到的力学电信号数值U'计算出所述单分力传感器(5)的所测力值F'，同时能够根据其接 收到的挂铁(4)重心至转轴(2)中轴线的距离值X、横梁(3)与水平线间的夹角Θ、预先输入该 数据处理系统（12)内的挂铁(4)的自重G计算出所述三分力传感器(6)的竖直方向理论受力 值F。2. 根据权利要求1所述的三分力传感器的标定装置，其特征在于：所述数据处理系统 (12)具有能够显示所述力学电信号数值U'、所述单分力传感器(5)的所测力值F'、所述力学 电信号数值U和所述三分力传感器(6)的竖直方向理论受力值F的显示单元。3. 根据权利要求1所述的三分力传感器的标定装置，其特征在于:所述底座(8)包括水 平布置的底板(81)和垂直固定在该底板(801)上方的竖板(802)，所述三分力传感器固定结 构包括制于所述底板(801)上的用于穿设螺钉的8个竖直通孔、制于所述竖板(802)上的用 于穿设螺钉的8个水平通孔。4. 根据权利要求3所述的三分力传感器的标定装置，其特征在于:所述竖直通孔和水平 通孔的孔径均为5mm。5. 根据权利要求3所述的三分力传感器的标定装置，其特征在于:在所述的8个竖直通 孔中，其中4个竖直通孔布置在另外4个竖直通孔的外围，且内侧的4个竖直通孔和外围的4 个竖直通孔均呈矩形分布;在所述的8个水平通孔中，其中4个水平通孔布置在另外4个水平 通孔的外围，且内侧的4个水平通孔和外围的4个水平通孔均呈矩形分布。6. 根据权利要求1所述的三分力传感器的标定装置，其特征在于:所述横梁(3)包括由 所述转轴（2)中轴线至横梁左端面的左半部分以及由所述转轴(2)中轴线至横梁右端面的 右半部分，所述左半部分上设置有沿横梁(3)长度方向均匀间隔分布的三条标线(3a)，这三 条标线(3a)将横梁(3)的左半部分划分成四段长度一致的挂铁移动区间。7. 根据权利要求6所述的三分力传感器的标定装置，其特征在于:所述左半部分和右半 部分的长度相等，所述单分力传感器(5)布置在所述横梁(3)的右端部。8. 根据权利要求1所述的三分力传感器的标定装置，其特征在于：所述数据处理系统 (12)为单片机。
【文档编号】G01L25/00GK205642730SQ201620490465
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年5月25日
【发明人】赵国成, 姚昊, 肖龙飞, 田新亮, 张笑通, 陈芝燚, 王志强, 张康
【申请人】上海交通大学