一种应变式S变形六分力传感器的标定装置及标定方法

一种应变式s变形六分力传感器的标定装置及标定方法
技术领域
1.本发明属于传感器标定技术领域，具体涉及一种针对应变式s变形六分力传感器的标定装置及标定方法。


背景技术：

2.应变式六分力传感器是目前应用最广泛且最成熟的一种六分力传感器，六分力包括三个分力和三个力矩，即沿三个坐标方向的力fx、fy、fz和绕三个坐标的力矩mx、my、mz。其中s变形(也可称为平行梁式)六分力传感器在结构上由三节相互垂直的平行梁组成(如图1所示)，其中第一节负责测量fx与mx、第二节负责测量fy与my，第三节负责测量fz与mz，虽然该种结构具有灵敏度高、抗偏载力强、维间耦合小的特点，但是其z方向上的长度较其他结构形式(垂直筋结构、十字结构、三梁结构)传感器大，即三个分力的力作用中心距离间隔较大。
3.传感器在使用前都需要进行标定，以确定其性能参数以及标定系数。六分力传感器根据标定系数矩阵计算测量力的计算公式为其中cij(i，j＝1,2,3,4,5,6)为标定系数。目前，单分力传感器可以达到万分之几的精度，而六分力传感器只能达到百分之几的精度。六分力传感器精度难以提高的其主要原因有：(1)单分力传感器只承受拉压，其作用力方向单一，容易找到力的作用中心，加载时不会有其他干扰力或力矩，即加载的为纯力；而在六分力传感器上任意施加力，总会有多个力或力矩同时产生，各分力之间的耦合干扰必然发生，所以在标定过程中需要把各分力之间的耦合干扰系数标定出来，但是六分力传感器不容易加载纯力或纯力偶，导致各分力之间的干扰系数标定不准确。(2)为了解决标定过程中六分力传感器加载纯力或纯力偶的问题，传统的标定方法是通过设置多组滑轮组(如图2所示)，调整加载力的方向和位置，进而实现加载纯力和纯力偶。
4.但是，滑轮组标定机构存在以下问题：(1)滑轮组标定机构庞大且操作复杂；(2)由于滑轮绳索具有张力，在传感器标定过程中会引入额外的绳索的张力，影响标定精度；(3)由于滑轮与绳索之间接触具有摩擦力，且由于每次绳索预紧力的不同，会导致摩擦力不同，影响标定的精度和重复性。


技术实现要素：

5.本发明要解决的技术问题在于针对上述现有技术存在的不足，提供一种应变式s变形六分力传感器的标定装置及标定方法，标定装置采用悬挂式，其结构简单、体积小、易操作，标定方法可以间接实现加载纯力和纯力偶，可以提高该类型六分力传感器的标定精度与重复性。
6.本发明为解决上述提出的技术问题所采用的技术方案为：
7.一种应变式s变形六分力传感器的标定装置，所述标定装置包括支架、转接法兰、
加载法兰、加载杆；所述转接法兰固定安装于支架上，转接法兰包括相互垂直的两个法兰面，分别为a面和b面；待标定的应变式s变形六分力传感器的固定面与所述转接法兰的a面或b面连接，其模型安装面与所述加载法兰连接；所述加载法兰x方向为加载杆预留通孔e，通孔e轴向与传感器z向同向，加载法兰z方向为加载杆预留通孔f，通孔f轴向与传感器x向或y向同向，加载法兰x方向还设有吊环孔，所述吊环孔中心线与传感器第三节中fz受力中心点重合，以方便通过吊环加载拉力；所述加载杆上有刻度尺，加载杆一端设有凹槽且凹槽处为零点，通过将加载杆插入通孔e或通孔f中以方便加载纯力和力矩。
8.上述方案中，所述标定装置还包括加载挂钩和砝码，加载挂钩及砝码为标定过程中加载所用，加载挂钩悬挂于加载杆的凹槽处，砝码悬挂于加载挂钩上。
9.相应的，本发明还提出一种应变式s变形六分力传感器的标定方法，采用上述标定装置进行纯力和纯力偶标定：对x方向和y方向的纯力标定时，传感器与转接法兰的a面连接，把加载杆插入加载法兰预留孔e中，通过移动加载杆，使加载杆零点与各分力的受力中心对齐，然后在加载杆零点处施加载荷，即可实现纯力fx和fy的标定；对z方向的纯力标定时，传感器与转接法兰的b面连接，加载法兰的吊环孔中心线与第三节中fz受力中心点重合，在吊环处施加载荷，即可实现纯力fz的标定；对纯力偶my和mx标定时，传感器与转接法兰的a面连接，把加载杆插入加载法兰预留孔e中，通过移动加载杆，使加载杆零点与力矩作用中心相距额定力臂，然后在加载杆零点处施加载荷，即可实现纯力偶的间接标定；对纯力偶mz标定时，传感器与转接法兰的a面连接，把加载杆插入加载法兰预留孔f中，通过移动加载杆，使加载杆零点与力矩作用中心相距额定力臂，然后在加载杆零点处施加载荷，即可实现纯力偶的间接标定。
10.上述方法中，该标定方法对x方向作用力系数及干扰系数的标定，具体包括如下步骤：
11.步骤11，把转接法兰a面安装在支架上的圆台上，传感器固定端面与转接法兰a面连接，保证传感器x轴方向与地面垂直，加载法兰y轴正方向朝上，加载法兰y方向与地面垂直，加载法兰与传感器模型安装端面连接；
12.步骤12，把加载杆插入加载法兰预留孔e中，通过调整加载杆使其刻度尺长度等于z1，即加载杆凹槽部分与传感器第一节中fx受力中心点对齐，再在加载杆凹槽处挂上加载挂钩；
13.步骤13，在加载挂钩上多次等额加载砝码，得到fx的输出以及其他五个分力上产生的干扰输出，fx的输出的斜率即为fx的标定系数c11，其他五个分力上产生干扰输出的斜率即为c12、c13、c14、c15、c16。
14.上述方法中，该标定方法对my方向作用力系数及干扰系数的标定，具体包括如下步骤：
15.步骤21，按照步骤11操作；
16.步骤22，把加载杆插入加载法兰预留孔e中，使加载杆凹槽部分与传感器第二节中fy受力中心点相距l1的长度，my的额定载荷
÷
fx的额定载荷＝l1，再在加载杆凹槽处挂上加载挂钩，这样就同时施加了力fx和my两种力；
17.步骤23，按步骤13中的加载工况在加载挂钩上多次等额加载砝码，得到在fx、my同时存在时的六个分力的输出，将此输出减去纯力fx时的输出，即可得到仅有my时(即纯力
偶)的my的输出和my对其他五个分力的干扰输出，my的输出的斜率即为my的标定系数c55，其他五个分力上产生干扰输出的斜率即为c51、c52、c53、c54、c56。
18.上述方法中，该方法对mz方向作用力系数及干扰系数的标定，通过加载fx方向力实现，具体包括如下步骤：
19.步骤51，按照步骤11操作；
20.步骤52，把加载杆插入加载法兰预留孔f中，使加载杆凹槽部分与传感器第三节中fz受力中心点相距l2的长度，mz的额定载荷
÷
fx的额定载荷＝l2，再在加载杆凹槽处挂上加载挂钩，这样就同时施加了力fx和mz两种力；
21.步骤53，按步骤13中的加载工况在加载挂钩上多次等额加载砝码，得到在fx、mz同时存在时的六个分力的输出，将此输出减去纯力fx时的输出，即可得到仅有mz时(即纯力偶)的mz的输出和mz对其他五个分力的干扰输出，mz的输出的斜率即为mz的标定系数c66，其他五个分力上产生干扰输出的斜率即为c61、c62、c63、c64、c65。
22.上述方法中，该标定方法对y方向作用力系数及干扰系数的标定，具体包括如下步骤：
23.步骤31、把转接法兰a面安装在支架上的圆台上，传感器固定端面与转接法兰a面连接，保证传感器y轴方向与地面垂直，加载法兰y轴正方向朝上，加载法兰y方向与地面垂直，加载法兰与传感器模型安装端面连接；
24.步骤32，把加载杆插入加载法兰预留孔e中，通过调整加载杆使其刻度尺长度等于z2，即加载杆凹槽部分与传感器第二节中fy受力中心点对齐，再在加载杆凹槽处挂上加载挂钩；
25.步骤33，在加载挂钩上多次等额加载砝码，得到fy的输出以及其他五个分力上产生的干扰输出，fy的输出的斜率即为fy的标定系数c22，其他五个分力上产生干扰输出的斜率即为c21、c23、c24、c25、c26。
26.上述方法中，该标定方法对mx方向作用力系数及干扰系数的标定，具体包括如下步骤：
27.步骤41，按照步骤31操作；
28.步骤42，把加载杆插入加载法兰预留孔e中，使加载杆凹槽部分与传感器第一节中fx受力中心点相距l3的长度，mx的额定载荷
÷
fy的额定载荷＝l3，再在加载杆凹槽处挂上加载挂钩，这样就同时施加了力fy和mx两种力；
29.步骤43，按步骤33中的加载工况在加载挂钩上多次等额加载砝码，得到在fy、mx同时存在时的六个分力的输出，将此输出减去加载纯力fy时的输出，即可得到仅有mx时(即纯力偶)的mx的输出和mx对其他五个分力的干扰输出，mx的输出的斜率即为mx的标定系数c44，其他五个分力上产生干扰输出的斜率即为c41、c42、c43、c45、c46。
30.上述方法中，该方法对mz方向作用力系数及干扰系数的标定，通过加载fy方向力实现，具体包括如下步骤：
31.步骤51’，按照步骤31操作；
32.步骤52’，把加载杆插入加载法兰预留孔f中，使加载杆凹槽部分与传感器第三节中fz受力中心点相距l2’的长度，mz的额定载荷
÷
fy的额定载荷＝l2’，再在加载杆凹槽处挂上加载挂钩，这样就同时施加了力fy和mz两种力；
33.步骤53’，按步骤33中的加载工况在加载挂钩上多次等额加载砝码，得到在fy、mz同时存在时的六个分力的输出，将此输出减去纯力fy时的输出，即可得到仅有mz时(即纯力偶)的mz的输出和mz对其他五个分力的干扰输出，mz的输出的斜率即为mz的标定系数c66，其他五个分力上产生干扰输出的斜率即为c61、c62、c63、c64、c65。
34.上述方法中，该方法对z方向作用力系数及干扰系数的标定，具体包括如下步骤：
35.步骤61，把转接法兰a面安装在支架上的圆台上，传感器固定端面与转接法兰b面连接，保证传感器z轴方向与地面垂直，加载法兰x轴正方向朝上，加载法兰x方向与地面垂直，加载法兰与传感器模型安装端面连接；
36.步骤62，加载法兰的吊环位置与第三节中fz受力中心点重合，在吊环处挂上加载挂钩；
37.步骤63，在加载挂钩上多次等额加载砝码，得到fz的输出以及其他五个分力上产生的干扰输出，fz的输出的斜率即为fz的标定系数c33，其他五个分力上产生干扰输出的斜率即为c31、c32、c34、c35、c36。
38.本发明的有益效果在于：
39.本发明针对应变式s变形六分力传感器的标定，提出了一种标定装置及相应的标定方法，该标定方法既不会引入外界干扰力，又可以间接实现加载纯力和纯力偶，进而提高该类型六分力传感器的标定精度与标定重复性。且该标定装置为悬挂式，结构简单、体积小、易操作。
附图说明
40.下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
41.图1是应变式s变形六分力传感器的结构示意图。
42.图2是六分力传感器标定装置的现有技术示意图。
43.图3是本发明悬挂式标定装置的支架结构示意图。
44.图4是本发明悬挂式标定装置的转接法兰结构示意图。
45.图5是本发明悬挂式标定装置的加载法兰结构示意图。
46.图6是本发明悬挂式标定装置的加载杆结构示意图。
47.图7是本发明悬挂式标定装置的加载挂钩结构示意图。
48.图8是本发明悬挂式标定装置标定fx/my/fy/mx过程示意图。
49.图9是图8标定fx和my的局部结构示意图。
50.图10是图8标定fy和mx的局部结构示意图。
51.图11是本发明悬挂式标定装置标定mz过程示意图。
52.图12是图11的局部结构示意图。
53.图13是本发明悬挂式标定装置标定fz过程示意图。
54.图中：1、支架；11、圆台；12、立板；13、底座；14、筋板；15、支撑板；
55.2、转接法兰；21、减轻孔；
56.3、加载法兰；31、通孔e；32、通孔f；33、吊环；34、吊环孔；
57.4、加载杆；41、凹槽；
58.5、加载挂钩；
59.200、六分力传感器。
具体实施方式
60.为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
61.如图3-7所示，为本发明实施例提供的一种应变式s变形六分力传感器的标定装置，该标定装置为悬挂式，包括支架1、转接法兰2、加载法兰3、加载杆4、加载挂钩5和砝码。
62.参见图3，支架1为l形，包括圆台11、立板12和底座13，形成l形标定腔；立板12为人字形，垂直于地面；圆台11安装于立板12顶部，圆台11为凹字型或内空形，以降低标定架重心，圆台11表面按照传感器装配孔位置及尺寸进行开孔；底座13安装于立板12底部，底座13是由槽钢焊接而成的长方形，底座13与立板12和支撑板焊接。支架1还包括筋板14和支撑板15；筋板14位于圆台11和立板12的相交处，筋板14与圆台11和立板12焊接，以增强支架1抗弯能力；支撑板15位于立板12的另一面，支撑板15与立板12焊接，以增强立板12强度。
63.参见图4，转接法兰2为l形，包括相互垂直的两个法兰面，分别为a面和b面，加载法兰3的a面垂直于地面，加载法兰3的b面垂直设于a面的上端；两个法兰面上分别按照传感器装配孔位置及尺寸进行打孔。转接法兰2a面与支架1的圆台11固定连接，待标定的应变式s变形六分力传感器200的固定面与转接法兰2的a面或b面连接，其模型安装面与加载法兰3连接。转接法兰2的两个法兰面上均设有减轻孔21，以降低标定架重心。
64.参见图5，加载法兰3面上按照传感器装配孔位置及尺寸进行开孔；加载法兰3x方向为加载杆4预留通孔e31，通孔e31轴向与传感器z向同向；加载法兰3z方向为加载杆4预留通孔f32，通孔f32轴向与传感器x向或y向同向，通过将加载杆4插入通孔e31或通孔f32中以方便加载纯力和力矩；加载法兰3x方向还设有吊环孔34，吊环孔34位于加载法兰3yz平面的装配孔对角线相交处，吊环孔34中心线与传感器第三节中fz受力中心点重合；吊环33通过螺纹连接在加载法兰3上，以方便通过吊环33加载拉力。
65.参见图6，加载杆4为加载纯力和力矩时的辅助工件，加载杆4上有刻度尺，加载杆4一端设有凹槽41且凹槽41处为零点。由于本发明针对s变形的六分力传感器，传感器结构由三节组成，即每个分力的力作用中心不一样，模型安装面距传感器第一节中fx的受力中心点的距离记为z1、模型安装面距传感器第二节中fy的受力中心点的距离记为z2(如图1所示)。设置加载杆4后，通过移动加载杆4，使其零点与各分力的受力中心对齐，即可实现纯力的标定；由于传感器的尺寸相对于满量程力矩的力臂而言为小量，因此可以通过加载杆4增大力臂实现力矩的满量程标定。
66.加载挂钩5如图7所示，加载挂钩5及砝码为标定过程中加载所用，加载挂钩5悬挂于加载杆4的凹槽41处，砝码悬挂于加载挂钩5上。
67.采用本发明提出的上述应变式s变形六分力传感器的标定装置进行纯力和纯力偶标定的方法为：对x方向和y方向的纯力标定时，传感器与转接法兰2的a面连接，把加载杆4插入加载法兰3预留孔e中，通过移动加载杆4，使加载杆4零点与各分力的受力中心对齐，然后在加载杆4零点处施加载荷，即可实现纯力fx和fy的标定；对z方向的纯力标定时，传感器与转接法兰2的b面连接，加载法兰3的吊环孔34中心线与第三节中fz受力中心点重合，在吊环33处施加载荷，即可实现纯力fz的标定；对my和mx标定时，传感器与转接法兰2的a面连
接，把加载杆4插入加载法兰3预留孔e中，通过移动加载杆4，使加载杆4零点与力矩作用中心相距额定力臂，然后在加载杆4零点处施加载荷，即可实现间接纯力偶的标定；对mz标定时，传感器与转接法兰2的a面连接，把加载杆4插入加载法兰3预留孔f中，通过移动加载杆4，使加载杆4零点与力矩作用中心相距额定力臂，然后在加载杆4零点处施加载荷，即可实现间接纯力偶的标定。
68.进一步优化，该标定方法对x方向作用力系数及干扰系数的标定(c1i，i＝1,2,3,4,5,6)，参见图8-9，具体包括如下步骤：
69.步骤11，把转接法兰2a面安装在支架1上的圆台11上，传感器固定端面与转接法兰2a面连接，保证传感器x轴方向与地面垂直，加载法兰3y轴正方向朝上，加载法兰3y方向与地面垂直，加载法兰3与传感器模型安装端面连接；
70.步骤12，把加载杆4插入加载法兰3预留孔e中，通过调整加载杆4使其刻度尺长度等于z1，即加载杆4凹槽41部分与传感器第一节中fx受力中心点对齐，再在加载杆4凹槽41处挂上加载挂钩5；
71.步骤13，在加载挂钩5上多次等额加载砝码，得到fx的输出以及其他五个分力上产生的干扰输出，fx的输出的斜率即为fx的标定系数c11，其他五个分力上产生干扰输出的斜率即为c12、c13、c14、c15、c16。
72.进一步优化，该标定方法对my方向作用力系数及干扰系数的标定(c5i，i＝1,2,3,4,5,6)，参见图8-9，具体包括如下步骤：
73.步骤21，按照步骤11操作；
74.步骤22，把加载杆4插入加载法兰3预留孔e中，使加载杆4凹槽41部分与传感器第二节中fy受力中心点相距l1的长度(my的额定载荷
÷
fx的额定载荷＝l1)，再在加载杆4凹槽41处挂上加载挂钩5，这样就同时施加了力fx和my两种力；
75.步骤23，按步骤13中的加载工况在加载挂钩5上多次等额加载砝码，得到在fx、my同时存在时的六个分力的输出，将此输出减去纯力fx时的输出，即可得到仅有my时(即纯力偶)的my的输出和my对其他五个分力的干扰输出，my的输出的斜率即为my的标定系数c55，其他五个分力上产生干扰输出的斜率即为c51、c52、c53、c54、c56。
76.进一步优化，该标定方法对y方向作用力系数及干扰系数的标定(c2i，i＝1,2,3,4,5,6)，参见图8和图10，具体包括如下步骤：
77.步骤31、把转接法兰2a面安装在支架1上的圆台11上，传感器固定端面与转接法兰2a面连接，保证传感器y轴方向与地面垂直，加载法兰3y轴正方向朝上，加载法兰3y方向与地面垂直，加载法兰3与传感器模型安装端面连接；
78.步骤32，把加载杆4插入加载法兰3预留孔e中，通过调整加载杆4使其刻度尺长度等于z2，即加载杆4凹槽41部分与传感器第二节中fy受力中心点对齐，再在加载杆4凹槽41处挂上加载挂钩5；
79.步骤33，在加载挂钩5上多次等额加载砝码，得到fy的输出以及其他五个分力上产生的干扰输出，fy的输出的斜率即为fy的标定系数c22，其他五个分力上产生干扰输出的斜率即为c21、c23、c24、c25、c26。
80.进一步优化，该标定方法对mx方向作用力系数及干扰系数的标定(c4i，i＝1,2,3,4,5,6)，参见图8和图10，具体包括如下步骤：
81.步骤41，按照步骤31操作；
82.步骤42，把加载杆4插入加载法兰3预留孔e中，使加载杆4凹槽41部分与传感器第一节中fx受力中心点相距l3的长度(mx的额定载荷
÷
fy的额定载荷＝l3)，再在加载杆4凹槽41处挂上加载挂钩5，这样就同时施加了力fy和mx两种力；
83.步骤43，按步骤33中的加载工况在加载挂钩5上多次等额加载砝码，得到在fy、mx同时存在时的六个分力的输出，将此输出减去加载纯力fy时的输出，即可得到仅有mx时(即纯力偶)的mx的输出和mx对其他五个分力的干扰输出，mx的输出的斜率即为mx的标定系数c44，其他五个分力上产生干扰输出的斜率即为c41、c42、c43、c45、c46。
84.进一步优化，该方法对mz方向作用力系数及干扰系数的标定(c6i，i＝1,2,3,4,5,6)，参见图11-12，具体包括如下步骤：
85.步骤51，按照步骤11操作；
86.步骤52，把加载杆4插入加载法兰3预留孔f中，使加载杆4凹槽41部分与传感器第三节中fz受力中心点相距l2的长度(mz的额定载荷
÷
fx的额定载荷＝l2)，再在加载杆4凹槽41处挂上加载挂钩5，这样就同时施加了力fx和mz两种力；
87.步骤53，按步骤13中的加载工况在加载挂钩5上多次等额加载砝码，得到在fx、mz同时存在时的六个分力的输出，将此输出减去纯力fx时的输出，即可得到仅有mz时(即纯力偶)的mz的输出和mz对其他五个分力的干扰输出，mz的输出的斜率即为mz的标定系数c66，其他五个分力上产生干扰输出的斜率即为c61、c62、c63、c64、c65。
88.进一步优化，该方法对mz方向作用力系数及干扰系数的标定(c6i，i＝1,2,3,4,5,6)的另一种加载方法，参见图11-12，具体包括如下步骤：
89.步骤51’，按照步骤31操作；
90.步骤52’，把加载杆4插入加载法兰3预留孔f中，使加载杆4凹槽41部分与传感器第三节中fz受力中心点相距l2’的长度(mz的额定载荷
÷
fy的额定载荷＝l2’)，再在加载杆4凹槽41处挂上加载挂钩5，这样就同时施加了力fy和mz两种力；
91.步骤53’，按步骤33中的加载工况在加载挂钩5上多次等额加载砝码，得到在fy、mz同时存在时的六个分力的输出，将此输出减去纯力fy时的输出，即可得到仅有mz时(即纯力偶)的mz的输出和mz对其他五个分力的干扰输出，mz的输出的斜率即为mz的标定系数c66，其他五个分力上产生干扰输出的斜率即为c61、c62、c63、c64、c65。
92.进一步优化，该方法对z方向作用力系数及干扰系数的标定(c3i，i＝1,2,3,4,5,6)，参见图13，具体包括如下步骤：
93.步骤61，把转接法兰2a面安装在支架1上的圆台11上，传感器固定端面与转接法兰2b面连接，保证传感器z轴方向与地面垂直，加载法兰3x轴正方向朝上，加载法兰3x方向与地面垂直，加载法兰3与传感器模型安装端面连接；
94.步骤62，加载法兰3的吊环33位置与第三节中fz受力中心点重合，在吊环33处挂上加载挂钩5；
95.步骤63，在加载挂钩5上多次等额加载砝码，得到fz的输出以及其他五个分力上产生的干扰输出，fz的输出的斜率即为fz的标定系数c33，其他五个分力上产生干扰输出的斜率即为c31、c32、c34、c35、c36。
96.最终得到由纯力和纯力偶标定的六分力传感器标定系数cij(i＝1～6，j＝1～6)。
97.上述标定流程只是其中的一种优选方案，可根据需求进行调整。
98.上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。