本发明属于传感器技术，具体涉及一种测量结合面法向动态特性的传感器。
背景技术：
机械系统零部件之间相互接触的表面称为机械结合面(简称“结合面”)，结合面是具有特定表面形貌和跨尺度构造特征的非刚性单元，具有接触刚度和阻尼特性(称为结合面的动态特性)。对于数控机床等工作精度要求较高的复杂精密机械，结合面的刚度和阻尼是整机刚度和阻尼的重要组成部分，准确测量结合面动态特性参数是进行整机动态特性分析和优化设计的基础，对提高机械设备性能，尤其是精密机械性能具有重要意义。
当前，国内外已有学者对结合面动态特性参数进行研究，并设计出一些结合面动态特性参数测试装置。文献1:中国专利201010559309.6提出了固定结合面动态特性参数测试装置及其测量方法，该装置上实验板设计成开口向下的U型结构，下实验板位于上实验板U型开口中，四片实验样片按长方形位置排放在上下实验板之间。这种结构在更换实验样片时，为了将实验样片排放在以激振中心为对称中心的四个角上，必须将上实验板吊离，不但样片更换不方便，而且，由于对样片的方位缺乏约束，加之激振器通过柔性绳悬挂于支架上，实际激振时，很难保证激振力准确通过四片实验样片形成的几何中心，从而很难形成整个测试装置所依赖的单自由度理论模型，从而使测量结果存在系统误差。另外，为了在正常工况频率范围内分离实验样片形成的结合面的动态特性参数，该装置的基座必须要有较大的重量，这又使得基座要做得很大，因而，存在搬运不便、不经济的问题。文献2:中国专利:201310045716.9公开了一种结合面法向动态特性参数测试装置及方法，该装置将上垫块、上试件、下试件以及下垫块放置在支撑钢架内，预紧螺栓从顶部穿过支撑钢架与上垫块接触，测试时，将激振器和支撑钢架固定在刚性工作台上。由于预紧螺栓直接在上垫块上施加压力，且上、下垫块没有导向约束，施加的预紧力和激振力很难准确保持在装置的中心线上，使得基于单自由度有阻尼质量-弹簧系统理论模型的参数辨识结果存在一定误差。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种测量结合面法向动态特性的传感器，在不同测量条件(接触面积，实验试块表面粗糙度，法向预紧载荷)下，测量两平面试块形成的结合面的动刚度与阻尼，解决现有结合面动态特性测试装置体积大、结构复杂、预紧力和激振力不易保持在有阻尼单自由度质量-弹簧振动系统的中心线上、装置工作状态与理论模型存在较大误差、待测试块不易更换的问题。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种测量结合面法向动态特性的传感器，包括传感器基体、加载螺栓、连接螺栓、预紧力测量单元、上压块、下压块、阻抗头、连接螺杆和两个电涡流传感器。
所述传感器基体中部设有空腔，空腔顶部的传感器基体的中心设有第一通孔，第一通孔与所述空腔连通；加载螺栓底部设有凸台，加载螺栓设有凸台的一端自传感器基体第一通孔顶部伸入传感器基体的第一通孔，上压块的长方块上部中心设有台阶轴，上压块位于空腔内，台阶轴自传感器基体的空腔上部伸入传感器基体的第一通孔，预紧力测量单元位于传感器基体的第一通孔内，且位于加载螺栓和上压块台阶轴的台阶之间；空腔底部的传感器基体的中心设有第二通孔，第二通孔与空腔连通，以第二通孔为中心，空腔底部的传感器基体对称分布两个第三螺纹孔，下压块的长方块下部中心设有光轴，光轴自传感器基体的空腔下部伸入第二通孔，上压块的长方块下表面和下压块的长方块上表面水平中心线位置对称开有两个尺寸相同的导向槽，导向槽侧面和试块形成滑动配合，两个电涡流传感器分别自第三螺纹孔伸入空腔，一个电涡流传感器靠近下试块底部，另一个电涡流传感器靠近上试块底部；连接螺栓自加载螺栓顶部伸入，穿过预紧力测量单元，与上试块固连；连接螺杆一端与阻抗头连接，另一端穿过第二通孔与下压块的底部固连。传感器的重心位于第一通孔和第二通孔的中心线上。
所述预紧力测量单元包括轴向推力球轴承、敏感元件端盖和敏感元件，敏感元件为环形，套在上压块的台阶轴的台阶上，敏感元件顶部设有敏感元件端盖，敏感元件端盖顶部设有轴向推力球轴承，轴向推力球轴承位于加载螺栓的凸台的底部。
所述轴向推力球轴承的外径等于加载螺栓凸台的直径，并与第一通孔形成比较紧密的滑动配合。
所述上压块导向槽以上压块的长方块下表面水平中心线为中心，沿上试块伸入方向开槽。导向槽侧面和上试块形成滑动配合，且导向槽和上试块接触表面尽可能光滑。
所述下压块的长方块开有两个光孔，光孔的直径等于第三螺纹孔直径，且光孔轴心与第三螺纹孔轴心重合。以下压块的长方块下表面水平中心线为中心，沿下试块伸入方向开有导向槽。导向槽侧面和下试块形成滑动配合，且导向槽和下试块接触表面尽可能光滑。
所述空腔的高度不小于上压块的高度。
所述上试块和下试块上下交错布置，两者接触面的长度不大于下压块导向槽底面的尺寸。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：
(1)体积小，重量轻，成本低。
(2)加载螺栓、预紧力测量单元和上压块采用同心孔结构，通过连接螺栓，实现以上部件一体化，便于试块更换。
(3)阻抗头通过连接螺栓垂直固定于下压块中心，外接激振时，保证激振力准确通过单自由度振动系统的中心线，使结合面动态特性传感器的工作状态与理论模型相一致，提高了结合面法向动刚度和阻尼的测量精度。
(4)上压块的长方块下表面和下压块的长方块上表面沿试块伸入方向均设有导向槽。导向槽侧面和试块形成滑动配合，且试块与导向槽接触表面尽可能光滑，保证激励作用于上试块和下试块形成结合面的中心，并降低非研究结合面对测量结合面法向动态特性的影响。
(5)可以测量不同接触条件(接触面积，试块表面粗糙度，法向预紧载荷)下结合面动态特性参数。
(6)使用轴向推力球轴承隔离敏感元件可能承受的附加周向扭转力，并防止加载螺栓预紧时可能导致的应变片引出线缠绕问题。
附图说明
图1是本发明测量结合面法向动态特性的传感器的总体结构图。
图2是本发明测量结合面法向动态特性的传感器的局部结构图。
图3是本发明测量结合面法向动态特性的传感器的两试块结合面示意图。
图4是本发明测量结合面法向动态特性的传感器的两试块结合面等效示意图。
图5是本发明测量结合面法向动态特性的传感器的加载螺栓结构图。
图6是本发明结合面动态特性传感器的敏感元件结构图。
图7是本发明测量结合面法向动态特性的传感器上压块结构图。
图8是本发明测量结合面法向动态特性的传感器下压块结构图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
结合图1～图8，一种测量结合面法向动态特性的传感器，包括传感器基体2、加载螺栓1、连接螺栓13、预紧力测量单元、上压块11、下压块6、阻抗头8、连接螺杆9和两个电涡流传感器7；传感器基体2中部设有空腔，空腔顶部的传感器基体2的中心设有第一通孔，第一通孔与所述空腔连通；加载螺栓1底部设有凸台，加载螺栓1设有凸台的一端自传感器基体2第一通孔顶部伸入传感器基体2的第一通孔，上压块11的长方块上部中心设有台阶轴，上压块11位于空腔内，其台阶轴自传感器基体2的空腔上部伸入传感器基体2的第一通孔，预紧力测量单元位于传感器基体2的第一通孔内，且位于加载螺栓1和上压块11台阶轴的台阶之间；空腔底部的传感器基体2的中心设有第二通孔，第二通孔与空腔连通，以第二通孔为中心，空腔底部的传感器基体2对称分布两个第三螺纹孔，下压块6的长方块下部中心设有光轴，光轴自传感器基体的空腔下部伸入第二通孔，上压块11的长方块下表面和下压块6的长方块上表面水平中心线位置对称开有两个尺寸相同的导向槽，导向槽侧面和试块形成滑动配合，两个电涡流传感器7分别自第三螺纹孔伸入空腔，一个电涡流传感器7靠近下试块10底部，另一个电涡流传感器7靠近上试块5底部；连接螺栓13自加载螺栓1顶部伸入，穿过预紧力测量单元，与上试块5固连；连接螺杆9一端与阻抗头8连接，另一端穿过第二通孔与下压块6的底部固连。传感器的重心位于第一通孔和第二通孔的中心线上。
所述预紧力测量单元包括轴向推力球轴承3、敏感元件端盖12和敏感元件4，敏感元件4为环状柱形结构，套在上压块11台阶轴的台阶上，敏感元件4顶部设有敏感元件端盖12，敏感元件端盖12顶部设有轴向推力球轴承3，轴向推力球轴承3位于加载螺栓1的凸台的底部。
所述轴向推力球轴承3的外径等于加载螺栓1凸台的直径。
所述上压块11导向槽以上压块11的长方块下表面水平中心线为中心，沿上试块5伸入方向开槽。导向槽侧面和上试块5形成滑动配合，且导向槽和上试块5接触表面尽可能光滑。
所述下压块6的长方块开有两个光孔，光孔的直径等于第三螺纹孔直径，且光孔轴心与第三螺纹孔轴心重合。以下压块6的长方块下表面水平中心线为中心，沿下试块10伸入方向开有导向槽，，导向槽侧面和下试块10形成滑动配合，且导向槽和下试块10接触表面尽可能光滑。
所述空腔的高度不小于上压块11的高度。
所述上试块5和下试块10上下交错布置，两者接触面的长度不大于下压块6导向槽底面的尺寸。
传感器基体2对整个测量装置起支撑和保护作用，加载螺栓1对上试块5和下试块10结合面施加轴向预紧力，轴心预留通孔，凸台结构无螺纹，不仅保证轴向预紧力均匀作用与结合面，还避免对轴向推力球轴承3的损伤。推力球轴承3位于加载螺栓1下方，隔离加载螺栓1施加轴向载荷时产生的扭转力，保证上试块5和下试块10形成的结合面只承受轴向载荷作用，且防止应变片变形和传感器引线缠绕；敏感元件端盖12为凸台结构，传递推力球轴承3轴向压力，轴心预留通孔，凸台嵌入敏感元件4内部，保护敏感元件4；敏感元件4为环状柱形结构，侧壁对称粘贴四个应变片，两个沿轴向粘贴，两个沿周向粘贴；上压块11的长方块上部中心设有台阶轴，台阶轴预留螺纹孔，台阶轴的台阶伸入敏感元件4环状内部的，起到敏感元件4下端盖作用，台阶轴使上压块11与传感器基体之2间存在一定活动空间，便于上试块5和下试块10更换，长方块用于固定上试块5；下压块6的长方块下部中心设有光轴，光轴的轴心预留螺纹孔，保证与激振器连接后沿轴向激振；连接螺栓13穿过加载螺栓1和预紧力测力测量单元，并固定于上压块11台阶轴的螺纹孔中，实现以上部件一体化，便于试块更换。
测量结合面法向动态特性的传感器基本原理是基于单自由度简谐振动系统。为方便叙述，设结合面下试块10等效于B试块，上试块5、传感器基体2、上压块11、预紧力测量单元、加载螺栓1、连接螺栓13和两个电涡流传感器共同等效于A试块，并视其为质量块。加载螺栓1通过轴向推力球轴承3作用于上试块5和下试块10形成的结合面，轴向推力球轴承3可以隔离加载螺栓1施加轴向载荷时产生的扭转力，使结合面只承受法向载荷，A、B试块结合面产生动刚度和阻尼，并沿法向出现微位移。此系统等效为质量块—弹簧—阻尼器单自由度振动系统。由图3、图4所示的结合面，建立动力学模型
以B试块作为研究对象，可列出如下关系式
xn＝x1-x2 3)
其中，为待测B试块的加速度；xn为结合面间的法向动态相对位移；f为作用于B试块的激振力；fn为结合面间的法向动态力；m1为B试块的质量。结合面的法向动力学特性可以等效为线性刚度kn和线性阻尼cn。x1为激振力作用下B试块的微位移；x2为激振力作用下A试块的微位移。为结合面的法向相对速度。
用激振器对设计的结合面法向力动力学特性测试实验装置进行简谐激励时，根据傅里叶级数原理忽略高次谐波的影响，令
fn＝Fn cosωt 4)
式4)、5)代入式1)和2)可得：
f和xn可分别通过阻抗头和微位移测量单元直接测得，利用式1)可求得fn，通过求取fn和xn相对于f的相位差进而可得到结合面法向刚度kn和阻尼cn参数。
本发明测量结合面动态特性传感器对上试块5和下试块10形成结合面施加轴向预紧力范围为0～20KN，一般测力传感器无法满足该量程，且预紧力测量精度对本发明结合面动态特性传感器性能具有重要影响，所以需要设计专用压力传感器。专用压力传感器设计过程如下：
考虑加载螺栓1的尺寸和最大轴向预紧力因素，以加载螺栓1尺寸为30mm例，选定敏感元件4内径d为20mm。根据机械手册选定铝合金5052作为弹性敏感元件4材料，此铝合金的弹性模量为E＝70Gpa,所能承受的最大应力极限为σ＝195MPa，取材料承受应力即安全系数约为2.1，施加最大预紧力Fmax＝20KN，敏感元件4设计如图6：
结合面面积为：
由式8)和9)得D＝25.84mm，取外径D＝26mm。
本发明测量结合面法向动态特性的传感器设计具体步骤如下：
步骤1：传感器加工材料选用45钢，施加最大预紧力20KN，根据材料和预紧力参数要求，确定加载螺栓1尺寸，轴心预留通孔，底部设计成无螺纹凸台结构。
步骤2：加载螺栓1凸台作用与轴向推力球轴承3，并决定其尺寸，据此选定轴向推力球轴承3型号。
步骤3：根据轴向推力球轴承3、敏感元件4外径D和内径d尺寸设计敏感元件端盖12，且轴心预留通孔。
步骤4：根据计算参数设计敏感元件4，并对称粘贴4个应变片，两个沿轴向粘贴，两个沿周向粘贴。为提高测量结果准确性和精度，需对专用压力传感器标定。
专用压力传感器标定过程：标定机械装置→专用压力传感器→传感器桥路接线→电阻应变仪→数据采集卡→PC机→LabVIEW。专用压力传感器标定数据及标定方程如表1所示：
表1 专用压力传感器标定数据及标定方程
对标定后专用压力传感器进行检验，检验结果见表2。
表2 传感器检验结果
根据表1和表2数据可知，1#传感器灵敏度高，线性度好，拟合曲线误差小，为提高测量精度，测量结合面法向动态特性的传感器使用1#专用压力传感器测结合面轴向预紧力。
步骤5：根据敏感元件4内径尺寸设计上压块11顶端凸台参数，根据传感器待测试块参数设计上压块11尺寸，台阶轴预留螺纹孔。用连接螺栓13贯穿加载螺栓、预紧力测量单元，通过螺纹固定于上压块，实现结构一体化，便于上试块5，下试块10更换和结合面面积调整。
步骤6：根据上试块5和下试块10结合面参数设计下压块6，下压块6的长方块下部中心设有光轴，光轴预留螺栓孔。
步骤7：根据各个部分构造和功能设计传感器基体2，并将所设计的加载螺栓1，连接螺栓13、预紧力测量单元，上压块11，下压块6，两个电涡流传感器7、连接螺杆9和阻抗头8进行装配，形成一个完整的测量结合面法向动态特性的传感器。
结合面动态特性传感器工作过程：固定测量结合面法向动态特性的传感器，用螺栓连接阻抗头8及外接激振器，保证沿待测试块轴向激振；连接其他外围设备，测试过程辅助外围设备如表3所示。释放加载螺栓1，根据测试条件在上压块11，下压块6之间放置上试块5和下试块10；根据测试条件施加轴向预紧力，轴向预紧力传递过程：加载螺栓→预紧力测量单元→上压块→试块结合面。启动激振器对传感器激振，阻抗头8采集激振力和加速度信号，两个电涡流传感器7采集上试块5和下试块10结合面微位移信号，采集信号经处理，即可获得在相应预紧力作用下上试块5和下试块10形成的结合面的动刚度与阻尼。
表3 传感器测试辅助外部设备
综上所述，本发明的测量结合面法向动态特性的传感器的加载螺栓、预紧力测量单元和上压块采用同心孔结构，通过连接螺栓，实现以上部件一体化，便于试块更换。可以测量不同接触条件(接触面积，实验样品表面粗糙度，法向接触载荷)结合面动态特性参数。