一種三角波力發(fā)生器及其力檢測(cè)系統(tǒng)特性測(cè)試方法
【專利摘要】本發(fā)明尤其涉及基于杠桿原理的三角波力源輸入裝置的設(shè)計(jì)，以及其測(cè)試力系統(tǒng)的裝置設(shè)計(jì)及其測(cè)試系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)測(cè)試方法。其特征是在在天平的支架上設(shè)有一個(gè)軌道，軌道上設(shè)有一個(gè)小球；天平的一端設(shè)置一個(gè)重物，另一端設(shè)有一個(gè)壓力傳感器與檢測(cè)電路連接；在天平的一側(cè)設(shè)有一個(gè)電動(dòng)機(jī)，在電動(dòng)機(jī)的皮帶上設(shè)有一個(gè)固定座，固定座上設(shè)有一個(gè)連桿，連桿的一端有一限位裝置與小球連接。該測(cè)試方法包括周期力源系統(tǒng)測(cè)試方法和非周期力源系統(tǒng)測(cè)試方法；本發(fā)明的目的在于應(yīng)用杠桿原理產(chǎn)生周期與非周期的三角波、正弦波等波形力源，并通過電子設(shè)備檢測(cè)出其輸出信號(hào)，進(jìn)而獲得其靜態(tài)與動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的測(cè)試方法。
【專利說明】一種三角波力發(fā)生器及其力檢測(cè)系統(tǒng)特性測(cè)試方法

【技術(shù)領(lǐng)域】：
[0001] 本發(fā)明涉及力發(fā)生器及力檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)試領(lǐng)域，尤其涉及基于杠桿原理的三角波力 源輸入裝置的設(shè)計(jì)，以及其測(cè)試力系統(tǒng)的裝置設(shè)計(jì)及其測(cè)試系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)測(cè)試方法。

【背景技術(shù)】：
[0002] 在儀器測(cè)量及機(jī)械工程中，力的測(cè)量是最常碰到的問題之一。力的測(cè)量對(duì)研究物 理現(xiàn)象機(jī)理，保證設(shè)備的安全運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)以及自動(dòng)控制等都具有重要的意義。動(dòng)態(tài) 檢定力傳感器、力的測(cè)量?jī)x器及整機(jī)設(shè)備時(shí)，需要提供穩(wěn)定的周期的力信號(hào)。若要從系統(tǒng)的 角度準(zhǔn)確地測(cè)試力傳感器、力的測(cè)量?jī)x器及整機(jī)設(shè)備的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性，需要系統(tǒng)特性測(cè) 試方法。
[0003] 分析已有專利：
[0004] (1)發(fā)明專利名稱：機(jī)器人六維腕力傳感器動(dòng)態(tài)性能標(biāo)定系統(tǒng)的研究（申請(qǐng)?zhí)枺?CN03113254. 5)。該發(fā)明專利提出通過剪斷懸吊祛碼的金屬絲給被測(cè)力傳感器施加階躍激 勵(lì)信號(hào)的動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)，這種方法的關(guān)鍵問題在于必須在極短的時(shí)問內(nèi)切斷金屬絲，以得到接 近理想的負(fù)階躍。該專利的操作方法受限且只適用于時(shí)域分析方法，且該專利對(duì)于系統(tǒng)的 響應(yīng)時(shí)間的要求極高。
[0005] (2)實(shí)用新型專利名稱：對(duì)力傳感器做動(dòng)態(tài)標(biāo)定的裝置（申請(qǐng)?zhí)枺篊N94246366. 8)。 該專利公開一種動(dòng)態(tài)測(cè)試裝置和方法。通過液壓系統(tǒng)加載裝置向脆性材料試件加載，直至 試件斷裂，給被測(cè)試件（力傳感器）施加階躍激勵(lì)，采集記錄傳感器的輸出，計(jì)算頻率特性。 該專利方法不涉及杠桿工作原理，且該專利的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，器件相互間會(huì)產(chǎn)生影響，如果 所加輸入的力過大，不適用于對(duì)小范圍力的傳感器進(jìn)行標(biāo)定。
[0006] (3)發(fā)明專利名稱：進(jìn)出口雙向調(diào)制正弦壓力發(fā)生器（申請(qǐng)?zhí)枺?00810167243. 9)。 該專利通過將氣體通過正弦壓力腔產(chǎn)生正弦壓力，通過調(diào)節(jié)排氣量與進(jìn)入腔體的氣量的比 例實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力動(dòng)靜幅值和波形畸變大小的調(diào)整。該專利不能給定準(zhǔn)確的輸入力的大小，且 輸入力波形畸變較大。
[0007] (4)實(shí)用新型專利名稱：一種動(dòng)態(tài)力發(fā)生裝置（申請(qǐng)?zhí)枺?01020510175. 4)。該專 利通過改變電流大小來控制線圈磁場(chǎng)變化進(jìn)而間接控制輸出力的大小及波形；而該專利只 能輸出大力值，易受外界電磁場(chǎng)的干擾，會(huì)產(chǎn)生較大的誤差。
[0008](5)專利名稱：對(duì)力傳感器做動(dòng)態(tài)標(biāo)定的裝置（專利號(hào)：CN94246366. 8)，由液壓缸 推動(dòng)壓頭產(chǎn)生一個(gè)負(fù)階躍力，負(fù)階躍力的值可以在大幅度內(nèi)調(diào)節(jié)，可適應(yīng)于各種不同形狀， 不同重量的力傳感器的動(dòng)態(tài)標(biāo)定。該專利對(duì)于給定的輸入力的大小不能準(zhǔn)確的測(cè)得。
[0009] (6)論文名稱：實(shí)現(xiàn)壓力傳感器的自動(dòng)標(biāo)定技術(shù)。將壓力同時(shí)加至標(biāo)準(zhǔn)壓力表和 壓力傳感器中，計(jì)算機(jī)同步采集兩路數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合從而對(duì)壓力傳感器進(jìn)行標(biāo)定。壓力表所 測(cè)得的壓力與實(shí)際給出的壓力還存在一定的誤差，同時(shí)計(jì)算機(jī)處理時(shí)也會(huì)引入其他誤差。


【發(fā)明內(nèi)容】
：
[0010] 本發(fā)明提供一種三角波力源發(fā)生器及其系統(tǒng)特性測(cè)試方法，其目的在于應(yīng)用杠 桿原理產(chǎn)生周期與非周期的三角波、正弦波等波形力源，并通過電子設(shè)備檢測(cè)出其輸出信 號(hào)，進(jìn)而獲得其靜態(tài)與動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的測(cè)試方法。
[0011] 本發(fā)明采用如下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的：
[0012] 一種三角波力發(fā)生器，其特征在于：在工作臺(tái)上設(shè)置有一個(gè)天平，在天平的支架上 設(shè)有一個(gè)軌道，軌道上設(shè)有一個(gè)小球；天平的一端設(shè)置一個(gè)重物，另一端設(shè)有一個(gè)壓力傳感 器與軌道接觸，壓力傳感器設(shè)置在懸臂梁上，與一個(gè)檢測(cè)電路連接；在天平的一側(cè)設(shè)有一個(gè) 電動(dòng)機(jī)，在電動(dòng)機(jī)的皮帶上設(shè)有一個(gè)固定座，固定座上設(shè)有一個(gè)連桿，連桿的一端有一限位 裝置與小球連接，小球運(yùn)動(dòng)由電動(dòng)機(jī)控制。
[0013] 一種如上所述三角波力發(fā)生器的力系統(tǒng)特性測(cè)試方法，其特征在于：該測(cè)試方法 包括周期力源系統(tǒng)測(cè)試方法和非周期力源系統(tǒng)測(cè)試方法；具體為：周期力源系統(tǒng)測(cè)試方 法：
[0014] 靜態(tài)測(cè)試：
[0015] 靜態(tài)測(cè)試采用單向運(yùn)動(dòng)控制進(jìn)行測(cè)試，設(shè)置單向運(yùn)動(dòng)時(shí)間為固定時(shí)間；
[0016] 測(cè)量一次單向運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)距離，依據(jù)杠桿原理求出壓力傳感器2輸入力的大?。?同時(shí)采用MTLAB數(shù)據(jù)采集平臺(tái)采集數(shù)據(jù)；
[0017] 首先測(cè)試出輸入Og對(duì)應(yīng)的輸出，然后控制小球3做單向運(yùn)動(dòng)，所測(cè)試的長(zhǎng)度依次 增加；得到其對(duì)應(yīng)輸入力的大小，并在系統(tǒng)的輸出端測(cè)得其對(duì)應(yīng)輸出力；
[0018] 根據(jù)上述測(cè)量數(shù)據(jù)可得到系統(tǒng)的靈敏度、分辨力；
[0019] 動(dòng)態(tài)測(cè)試數(shù)據(jù)采集：對(duì)該裝置施加一個(gè)已知的力信號(hào)，輸入信號(hào)為周期三角波信 號(hào)，其表達(dá)式為，
[0020]

【權(quán)利要求】
1. 一種三角波力發(fā)生器，其特征在于：在工作臺(tái)（7)上設(shè)置有一個(gè)天平（6)，在天平 (6)的支架上設(shè)有一個(gè)軌道（5)，軌道（5)上設(shè)有一個(gè)小球（3);天平（6)的一端設(shè)置一個(gè) 重物（14)，另一端設(shè)有一個(gè)壓力傳感器（2)與軌道（5)接觸，壓力傳感器（2)設(shè)置在懸臂梁 (1)上，與一個(gè)檢測(cè)電路連接；在天平（6)的一側(cè)設(shè)有一個(gè)電動(dòng)機(jī)（8)，在電動(dòng)機(jī)⑶的皮帶 (13)上設(shè)有一個(gè)固定座（11)，固定座（11)上設(shè)有一個(gè)連桿（12)，連桿（12)的一端有一限 位裝置與小球（3)連接。
2. -種如權(quán)利要求1所述三角波力發(fā)生器的力系統(tǒng)特性測(cè)試方法，其特征在于：該測(cè) 試方法包括周期力源系統(tǒng)測(cè)試方法和非周期力源系統(tǒng)測(cè)試方法；具體為：周期力源系統(tǒng)測(cè) 試方法： 靜態(tài)測(cè)試： 靜態(tài)測(cè)試采用單向運(yùn)動(dòng)控制進(jìn)行測(cè)試，設(shè)置單向運(yùn)動(dòng)時(shí)間為固定時(shí)間； 測(cè)量一次單向運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)距離，依據(jù)杠桿原理求出壓力傳感器2輸入力的大?。煌瑫r(shí) 采用MTLAB數(shù)據(jù)采集平臺(tái)采集數(shù)據(jù)； 首先測(cè)試出輸入Og對(duì)應(yīng)的輸出，然后控制小球3做單向運(yùn)動(dòng)，所測(cè)試的長(zhǎng)度依次增加； 得到其對(duì)應(yīng)輸入力的大小，并在系統(tǒng)的輸出端測(cè)得其對(duì)應(yīng)輸出力； 根據(jù)上述測(cè)量數(shù)據(jù)可得到系統(tǒng)的靈敏度、分辨力； 動(dòng)態(tài)測(cè)試數(shù)據(jù)采集：對(duì)該裝置施加一個(gè)已知的力信號(hào)，輸入信號(hào)為周期三角波信號(hào)，其 表達(dá)式為，
式中，xT(t)是周期輸入力信號(hào)，A是信號(hào)的幅值，TO是信號(hào)的周期，η= 1、2、3、4....; 三角波的頻域展開表達(dá)式為：
其中，x(t)為三角波的時(shí)域函數(shù)，wO為三角波頻率成分的基頻，Α/2為三角波的直流分 量； 從表達(dá)式中可以看出，三角波的頻譜在基頻的奇次諧波處含有頻率成分，在其它頻率 下頻率成分為〇 ;當(dāng)輸入的幅頻量化為接近于〇的很小的值時(shí)，在做除法時(shí)就會(huì)產(chǎn)生這種 幅值很大的尖峰值；為了消除這種現(xiàn)象，采用MTLAB編程去除輸入信號(hào)中幅頻成分為0的 占. 動(dòng)態(tài)測(cè)試采用小球在杠桿上作周期運(yùn)動(dòng)控制進(jìn)行測(cè)試，通過對(duì)輸入力裝置的分析，采 集到裝置對(duì)應(yīng)時(shí)間下的輸入力大小，同時(shí)采集到的輸出響應(yīng)數(shù)據(jù)作為輸出； 非周期力源系統(tǒng)測(cè)試方法： 靜態(tài)測(cè)試： 首先，測(cè)試輸入Og時(shí)，界面采集到輸出電壓，并將采集到的電壓求平均值，然后，對(duì)天 平裝置進(jìn)行測(cè)試，在軌道的另外一側(cè)懸掛質(zhì)量不等的砝碼，采集輸入力下的輸出數(shù)據(jù)；根據(jù) 上述測(cè)量數(shù)據(jù)可得到系統(tǒng)的靈敏度、分辨力； 動(dòng)態(tài)測(cè)試： 提取從系統(tǒng)穩(wěn)定到小球3在軌道5上運(yùn)行至杠桿最低點(diǎn)時(shí)間為一部分，小球3下落的 時(shí)刻保留，小球3從最低點(diǎn)恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)時(shí)間段為部分； 取以上兩部分作為非周期力源信號(hào)，得到的已知力信號(hào)為，
其中，x(t)為非周期輸入力信號(hào)， TO為輸入力信號(hào)時(shí)間， 作為一種優(yōu)選方案，本方法對(duì)此非周期信號(hào)應(yīng)用周期信號(hào)的處理方式進(jìn)行處理； 作為一種優(yōu)選方案，對(duì)非周期信號(hào)進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)試仿真分析，對(duì)于輸入和輸出信號(hào)只選 取一個(gè)周期來進(jìn)行分析； 在對(duì)周期信號(hào)與非周期信號(hào)的輸入信號(hào)和輸出數(shù)據(jù)采集時(shí)，由于系統(tǒng)的運(yùn)算電路部分 疊加了直流成分的信號(hào)，所示輸出信號(hào)首先要去除直流部分； 作為一種優(yōu)選方法，信號(hào)的周期大于采樣時(shí)間間隔的兩倍，即T0 彡 2*TS 其中，TO為輸入信號(hào)周期， Ts為系統(tǒng)采樣頻率； 作為一種優(yōu)選方法，在時(shí)域進(jìn)行輸入輸出信號(hào)采集時(shí)，在采集時(shí)間一定的情況下，增大 了系統(tǒng)的采樣頻率，以減小頻域的混疊失真現(xiàn)象；對(duì)采集到的輸入輸出信號(hào)采用離散傅里 葉變換； 作為一種優(yōu)選方案，本方法選擇快速傅里葉變換； 快速傅里葉變換是針對(duì)周期性信號(hào)而言的，所以本方法的輸入和輸出的離散數(shù)據(jù)都是 周期信號(hào)離散化得到的； 之后采用頻域動(dòng)態(tài)特性的求解方法求出對(duì)應(yīng)頻率下的幅頻和相頻； 具體的計(jì)算方法為： 系統(tǒng)輸入信號(hào)和輸出信號(hào)，其傅里葉變換分別X(jw)，Y(jw)， 則其傳遞函數(shù)可表示為： XLM 即系統(tǒng)的頻域動(dòng)態(tài)特性可表示為將輸入、輸出頻域信號(hào)的幅值求模后相除，相位求角 度后做差的結(jié)果。
【文檔編號(hào)】G01L25/00GK104458116SQ201410729793
【公開日】2015年3月25日 申請(qǐng)日期:2014年12月3日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月3日
【發(fā)明者】車新生, 孫娟, 陳爽, 寧益丹, 高東云 申請(qǐng)人:沈陽工業(yè)大學(xué)