本發(fā)明涉及一種通過隨機力校準力傳感器的裝置，屬于計量測試領域。

背景技術：

隨著科學技術的進步，航空航天、機器人、汽車﹑機械制造、材料試驗等諸多領域對動態(tài)力測量準確度的要求不斷提高，對動態(tài)力計量提出了迫切的需求。飛行器采用舵機進行飛行控制，動態(tài)力是重要的反饋量，力的幅值和相位準確與否直接關系到飛行控制的精度。在飛行器結構強度試驗中動態(tài)力測量準確度對評價結構的壽命和可靠性具有重要意義。高精度數(shù)控加工、機械裝配過程需要對動態(tài)力進行準確監(jiān)測與控制。近年來，動態(tài)力計量是國際計量界的研究熱點之一，但迄今為止，動態(tài)力計量體系尚未建立。在動態(tài)力測量中，力傳感器大都處于靜態(tài)標定動態(tài)使用狀態(tài)(即“靜標動用”)，導致測量準確度很低。

動態(tài)力計量分為絕對法、相對法與比較法。絕對法是采用將動態(tài)力值直接溯源到國際單位制(SI)的方式建立動態(tài)力原級標準(primary standard)，具有最高等級的計量性能。基于激光干涉法的動態(tài)力校準是將動態(tài)力溯源到SI的基本方法，它基于牛頓第二定律，力等于質量與加速度之積，質量可以溯源到質量基準，加速度可以通過激光干涉法溯源到長度和時間。近年來動態(tài)力校準技術發(fā)展較快，德國PTB研究了基于振動臺和激光干涉加速度測量的正弦力校準方法。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種通過隨機力校準力傳感器動態(tài)特性的裝置，該裝置能夠采用振動臺作為激勵源，將力傳感器安裝在振動臺臺面，將質量塊安裝在力傳感器的另一端，通過振動臺驅動力傳感器和質量塊產(chǎn)生隨機力。質量塊的質量可以直接測量，質量塊的加速度采用激光干涉儀測量，通過質量和加速度將隨機力用絕對法溯源到國際單位制(SI)。

本發(fā)明是通過下述技術方案實現(xiàn)的。

一種通過隨機力校準傳感器的裝置，包括激光干涉儀，計算機，數(shù)字電壓表，高準確度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，任意波發(fā)生器，高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，信號發(fā)生器，放大器，功率放大器，第一混頻器，第二混頻器，第一濾波器，第二濾波器，二維位移機構，反射鏡，質量塊，力傳感器，振動臺；

采用振動臺驅動力傳感器和質量塊的方式產(chǎn)生動態(tài)力，力傳感器安裝于振動臺的臺面，將質量塊安裝于力傳感器上端。

激光干涉儀和位移機構安裝在一個有支撐的平臺上，該平臺中部開孔以便光束通過，其孔位于質量塊的上方。激光干涉儀的光束通過反射鏡折射到質量塊的上表面。該光束被質量塊上表面反射，經(jīng)反射鏡返回激光干涉儀。當質量塊運動時，返回激光干涉儀的光束相位將隨之變化。反射鏡安裝在位移機構的移動端，計算機控制位移機構的移動端帶動反射鏡運動，以實現(xiàn)激光光束反射到質量塊上表面的不同位置進行測量，定位準確度優(yōu)于10μm。

光電探測器輸出的電信號及信號源輸出的電信號分別與信號發(fā)生器輸出信號在第一混頻器和第二混頻器進行混頻，混頻后的兩路信號分別通過第一濾波器及第二濾波器進行低通濾波，然后由多通道高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行同步采集，經(jīng)計算機進行處理后獲得位移隨時間變化信號。力傳感器的輸出信號經(jīng)放大器放大后由高準確度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和數(shù)字電壓表進行測量，獲得電壓隨時間變化信號。高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和高準確度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由內部觸發(fā)系統(tǒng)控制同步采集數(shù)據(jù)。計算機產(chǎn)生有限帶寬的高斯分布隨機信號，任意波發(fā)生器將隨機信號轉換成電信號，電信號經(jīng)功率放大器放大后驅動振動臺，使其產(chǎn)生隨機力；采用激光干涉儀進行隨機加速度測量。隨機力通過質量和加速度溯源到國際單位制(SI)。施加在力傳感器上的動態(tài)力F是質量塊﹑傳感器與質量塊之間的聯(lián)接機構以及力傳感器的等效質量所產(chǎn)生的動態(tài)力之和。通過比較施加在力傳感器上的動態(tài)力F和力傳感器的輸出，實現(xiàn)隨機力校準。

所述激光干涉儀為外差式激光干涉儀，主要由激光器、第一偏振分光鏡、第二偏振分光鏡、棱鏡、布拉格盒，分光鏡，信號源和光電探測器構成。激光器產(chǎn)生頻率穩(wěn)定的激光，其出射光被第一偏振分光鏡分為兩路，一路是測量光，另一路是參考光。測量光經(jīng)過第二偏振分光鏡、反射鏡至質量塊上表面進行振動測量，該光束被質量塊上表面反射，經(jīng)反射鏡返回至第二偏振分光鏡，第二偏振分光鏡將其反射至分光鏡，然后入射至光電探測器。參考光經(jīng)棱鏡至布拉格盒，信號源驅動布拉格盒使參考光經(jīng)布拉格盒后產(chǎn)生頻移f_B，該光束經(jīng)分光鏡后入射至光電探測器。測量光和參考光在光電探測器處產(chǎn)生干涉，光電探測器將其轉換為電信號。

所述力傳感器在振動臺上的安裝方式為：質量塊通過力傳感器與質量塊連接機構與力傳感器連接。力傳感器通過力傳感器安裝螺釘與力傳感器連接板連接。力傳感器連接板通過臺面安裝螺釘與振動臺臺面連接。在安裝過程中，采用數(shù)字扭矩扳手對擰緊扭矩進行測量和控制。

隨機力校準信號處理流程為：激光干涉儀及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)測量分析得到質量塊的位移信號和力傳感器輸出電壓信號被帶通濾波，然后采用DFT方法將其轉換到頻域。將位移的頻譜在對應的頻點乘以(jω)²后直接轉換成加速度譜，再乘以質量m轉換成力譜。對兩路信號進行帶通濾波，然后計算其在各頻點的幅值和相位。兩路信號在各頻點幅值相除，獲得力傳感器的幅頻特性；相位相減，獲得力傳感器的相頻特性。重復進行多次測量，在各頻點進行平均，獲得力傳感器在各頻點的幅頻特性和相頻特性平均值。

有益效果

采用振動臺驅動力傳感器和質量塊的方式產(chǎn)生隨機力，通過激光干涉儀測量加速度，隨機力值通過質量和加速度溯源到國際單位制(SI)。與正弦法校準相比，本方法具有校準效率高，更接近于力傳感器的實際測量狀態(tài)等優(yōu)點。

附圖說明

圖1隨機力校準裝置；

其中：1-激光器，2-第一偏振分光鏡，3-第二偏振分光鏡，4-棱鏡，5-布拉格盒，6-分光鏡，7-信號源，8-光電探測器，9-激光干涉儀，10-計算機，11-數(shù)字電壓表，12-高準確度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，13-任意波發(fā)生器，14-高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，15-信號發(fā)生器，16-放大器，17-功率放大器，18-第一混頻器，19-第二混頻器，20-第一濾波器，21-第二濾波器，22-二維位移機構，23-反射鏡，24-質量塊，25-力傳感器，26-振動臺

圖2力傳感器及質量塊安裝示意圖；

其中:27-振動臺臺面，28-力傳感器連接板，29-力傳感器與質量塊連接機構，30-力傳感器安裝螺釘，31-臺面安裝螺釘

圖3隨機力信號分析方法。

具體實施方式

下面結合附圖與實施例對本發(fā)明作進一步說明。

實施例1

隨機力校準裝置的數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)可基于PXI總線儀器或其它具有同類功能的儀表組合。系統(tǒng)的各數(shù)據(jù)采集模塊之間可以同步采集數(shù)據(jù)，以保持動態(tài)測量過程中相位的一致性。如附圖1所示，計算機10產(chǎn)生有限帶寬的高斯分布隨機信號，任意波發(fā)生器13將其轉換成電信號，經(jīng)功率放大器17放大后驅動振動臺26，使其產(chǎn)生隨機力。

力傳感器在振動臺上的安裝如附圖2示。質量塊24通過力傳感器與質量塊連接機構29與力傳感器25連接。力傳感器25通過力傳感器安裝螺釘30與力傳感器連接板28連接。力傳感器連接板28通過臺面安裝螺釘31與振動臺臺面27連接。在安裝過程中，采用數(shù)字扭矩扳手對擰緊扭矩進行測量和控制。

一種通過隨機力校準傳感器的裝置，如附圖1所示，包括激光干涉儀9，計算機10，數(shù)字電壓表11，高準確度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)12，任意波發(fā)生器13，高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)14，信號發(fā)生器15，放大器16，功率放大器17，第一混頻器18，第二混頻器19，第一濾波器20，第二濾波器21，二維位移機構22，反射鏡23，質量塊24，力傳感器25，振動臺26；其中激光干涉儀9包括激光器1、第一偏振分光鏡2、第二偏振分光鏡3、棱鏡4、布拉格盒5，分光鏡6，信號源7和光電探測器8。

激光干涉儀9和位移機構22安裝在一個有支撐的平臺上，該平臺中部開孔以便光束通過，其孔位于質量塊24的上方。激光干涉儀9的光束通過反射鏡23折射到質量塊24的上表面。該光束被質量塊24上表面反射，經(jīng)反射鏡23返回激光干涉儀9。當質量塊24運動時，返回激光干涉儀9的光束相位將隨之變化。反射鏡23安裝在位移機構22的移動端，計算機10控制位移機構22的移動端帶動反射鏡23運動，以實現(xiàn)激光光束反射到質量塊上表面的不同位置進行測量，定位準確度優(yōu)于10μm。

可以采用多種激光干涉儀進行測量。附圖1所示的外差式激光干涉儀9主要由激光器1、第一偏振分光鏡2、第二偏振分光鏡3、棱鏡4、布拉格盒5，分光鏡6，信號源7和光電探測器8構成。激光器1產(chǎn)生頻率穩(wěn)定的激光，其出射光被第一偏振分光鏡2分為兩路，一路是測量光，另一路是參考光。測量光經(jīng)過第二偏振分光鏡3、反射鏡23至質量塊24上表面進行振動測量，該光束被質量塊24上表面反射，經(jīng)反射鏡23返回至第二偏振分光鏡3，第二偏振分光鏡3將其反射至分光鏡6，然后入射至光電探測器8。參考光經(jīng)棱鏡4至布拉格盒5，信號源7驅動布拉格盒5使參考光經(jīng)布拉格盒5后產(chǎn)生頻移f_B，該光束經(jīng)分光鏡6后入射至光電探測器8。測量光和參考光在光電探測器8處產(chǎn)生干涉，光電探測器8將其轉換為電信號。

光電探測器8輸出的電信號及信號源7輸出的電信號分別與信號發(fā)生器15輸出信號在第一混頻器18和第二混頻器19進行混頻，混頻后的兩路信號分別通過第一濾波器20及第二濾波器21進行低通濾波，然后由多通道高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)14進行同步采集，經(jīng)計算機進行處理后獲得位移隨時間變化信號。力傳感器25的輸出信號經(jīng)放大器16放大后由高準確度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)12和數(shù)字電壓表11進行測量，獲得電壓隨時間變化信號。高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)14和高準確度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)12由內部觸發(fā)系統(tǒng)控制同步采集數(shù)據(jù)。

隨機力通過質量和加速度溯源到國際單位制(SI)。施加在力傳感器上的動態(tài)力F是質量塊﹑傳感器與質量塊之間的聯(lián)接機構以及力傳感器的等效質量所產(chǎn)生的動態(tài)力之和(見公式1)，即：

式中，m₁是質量塊的質量；m₂是力傳感器與質量塊連接機構的質量；m_e是力傳感器的等效質量；是質量塊上表面的平均加速度；k₀是無量綱的加速度修正因子。

信號處理流程見附圖3。系統(tǒng)測量到的位移信號和力傳感器輸出的電壓信號分別被帶通濾波，濾波器的參數(shù)相同，以保證其對位移和電壓信號的幅值和相位產(chǎn)生同樣的影響。采用DFT方法分別將信號轉換到頻域。將位移的頻譜乘以(jω)²后直接轉換成加速度譜，再依據(jù)公式(1)轉換成力譜。對力譜信號進行帶通濾波，然后計算其在各頻點的幅值F(ω)和相位θ_F(ω)；對電壓譜信號進行帶通濾波，然后計算其在各頻點的幅值V(ω)和相位θ_V(ω)。兩路信號在各頻點幅值相除獲得力傳感器的幅頻特性相位相減獲得力傳感器的相頻特性Δθ(ω)＝θ_F(ω)-θ_V(ω)。重復進行多次測量，在各頻點分別進行平均，獲得力傳感器在各頻點的幅頻特性平均值和相頻特性平均值

理論上隨機力一次可以進行全頻段校準?？紤]到頻段過寬則在各頻點力的量值較小，由此導致信噪比較低，因而隨機力校準可劃分成多個頻段，依次進行。隨機力校準中，對振動臺可以采用開環(huán)控制的方式，也可采用閉環(huán)控制的方式。閉環(huán)控制時，可采用力傳感器的輸出或激光干涉儀的輸出作為反饋信號，通過計算機的計算，產(chǎn)生控制信號。