CN102564684B - 基于稳态正弦激振力的多维力传感器动态实验装置的方法 - Google Patents

Abstract

基于稳态正弦激振力的多维力传感器动态实验装置的方法，是旋转电动机带动偏心激振块与旋转电动机输出轴同步旋转产生的离心力，通过调节旋转电动机转速、偏心激振块质心位置，以及调整T型台架、L型台架加载时与旋转电动机和待测力传感器的安装方位，利用永磁钢块周期性激发霍尔传感器输出脉冲响应信号，还原已知的正弦激振力信号，实现待测力传感器各个维向频率和幅值连续变化的正弦激振力和激振力矩。基于稳态正弦激振的多维力传感器动态实验装置的物理方法产生不受外界环境影响的、可预知的正弦激振力信号，实现幅值稳定、易于调整、频率连续变化的正弦激励力，方法操作简单方便，能够获得待测力传感器在整个使用频带范围内的动态传输特性。

Description

基于稳态正弦激振力的多维力传感器动态实验装置的方法

技术领域

本发明的技术领域涉及多维力传感器动态测试仪器，特别涉及多维力传感器动态测试方法。

背景技术

目前，随着航空、航天、机器人等产业的快速发展，实际使用工况下对多维力传感器的综合性能指标尤其是动态特性提出更高的要求，因此多维力传感器动态标定和参数测试俨然成为重要的研究课题。目前多维力传感器的动态实验法依据标准动态力源形式的不同分为阶跃响应法、脉冲响应法和频率响应法。阶跃响应法和脉冲响应法是在时域内测试多维力传感器的动态特性，如：文献[机器人六维腕力传感器动态性能标定系统的研究，电子测量与仪器学报，Vol20，No.3，2006]提出通过剪断悬吊祛码的金属丝给被测力传感器施加阶跃激励信号的动态实验，这种方法的关键问题在于必须在极短的时问内切断金属丝，以得到接近理想的负阶跃。文献[Investigation of dynamic rocket thrust measurement techniques，(AD823181，1967)]介绍了一种采用电切断金属丝的方法，即采用充了电的大容量电容器在短时间里大电流放电的方法快速熔断金属丝，由于当金属丝较粗时，快速切断存在可行性的问题，所以这种方法仅适合于小力值的情形。

专利ZL94246366.8和CN1125845A公开一种动态测试装置和方法。通过液压系统加载装置向脆性材料试件加载，直至试件断裂，给被测试件(力传感器)施加阶跃激励。

文献[激波管在压力传感器动态性能校准和实验上的应用，宇航计测技术，24:(4)，2004]和[气动助推负阶跃力校准装置研究，仪器仪表学报，No.2，2010]等提出利用激波管实现阶跃激励的方法，利用压力波传播在激波前后形成压力阶跃，这种方案在小力值时可实现较陡峭时延的正阶跃信号，但很难实现大的阶跃力，不适用于质量大或形状不规则的力传感器动态测试。

专利CN101776506A公开了一种大型多维力传感器标定加载台，该加载台由上十字架，加载台立柱，下十字架，多维力传感器固定支座，加载单元及加载块组成。加载单元由加载框架,加载液压缸，单维拉压力传感器，拉杆组成。通过组合两个加载单元的不同安装位置，及拉杆与加载块的连接位置，用于多维力传感器的标定加载。通过液压伺服或比例加载系统控制液压油缸压力实现传感器标定力连续加载。

以上所述的测试装置及方法仅适用于在时域内测试力传感器的动态特性，获得完全意义上的脉冲力或阶跃力比较困难、测量精度低，难以获得力传感器系统在整个使用频带范围内的传输特性。

在系统动态特性测试、或实现系统模型辨识时，最理想的方法是在频域内测试系统的动态特性，频率响应法则弥补了上述的阶跃响应法和阶跃响应法的局限性。经国家知识产权局专利检索咨询中心文献查新，检索到在频域内开展多维力传感器动态特性测试研究的有专利CN1442682A和文献(多维力／力矩传感器动态实验台的一种实现方法，刊于《电子测量与仪器学报》，2005(19):1)，公开了一种基于激励电磁力发生器的动态实验装置及其方法，由台架和多个电磁力发生器组成，电磁力发生器包括固定组件和可动组件两部分，其由数控系统输出多路幅度和频率分别可控的正弦波电流信号，分别控制多组励磁线圈，产生多个方向电磁激励力或电磁激励力矩施加到被测传感器上，能够获得力传感器在整个使用频带范围内的传输特性。该试验台结构复杂，难于调整，特别对于小量程和外形尺寸小的多维力传感器难以保证精确加载位置，并且两个及以上电磁力发生器同时工作情况下，难以保证激励力同步加载。

文献[The results of comparisons between two different dynamic force measurementsystems”，Measurement，Vol.10，No.3，1992]提出一种用于力传感器的动态测试的电磁振动台，由信号源产生一定频率的正弦周期信号，推动电磁振动台工作，负载质量块上安装加速度计以测量施加到力传感器上的激振力，该装置可以在一定频率范围内改变信号源输出信号的频率，得到不同频率点下的传感器灵敏度，但是很难实现大力值、宽频带的动态力，并且计算方法存在误差。

上述基于频域内的力传感器动态测试装置，均由信号发生器产生一定频率的正弦周期信号激励电磁力发生器，受电源波动及外界环境干扰影响大，电压变化而引起激振力发生大的变化，测试精度低。

迄今为止，从国内外均较少采用频率响应法开展多维力传感器动态实验研究，主要问题集中在标准力源难以实现，缺少相应的动态标准力源装置，即获得幅值稳定、易于调整、频率连续变化的激励力比较困难，文献检索结果也说明了这一点。

综上所述，从多维力传感器动态试验台的国内外专利和有关文献材料看，多维力动态实验加载装置及方法还没有涉及到本发明所提出的技术原理及实验装置，其核心技术均有别于本发明中提到的基于偏心激振块离心力产生稳态正弦激励的多维力传感器动态测试装置。

发明内容

基于上述测试装置及方法在多维力传感器动态性能测试方面的不足，本发明的目的是，提出基于稳态正弦激振力的多维力传感器动态实验装置的方法，该方法使用简单，操作方便，在频域内利用基于绝对物理方法产生的幅值和频率连续变化的稳态正弦激励力源，实现多维力传感器各个维向在整个使用频带范围内的动态传输特性(主要指幅频特性和相频特性)的测试。

本发明的技术方案是基于稳态正弦激振力的多维力传感器动态实验装置的方法，特别是：该方法基于物理的方法，利用旋转电动机带动偏心激振块与旋转电动机输出轴同步旋转产生的离心力，通过调节旋转电动机转速、偏心激振块的重量及重心位置，利用永磁钢块的磁场周期性激发霍尔传感器输出脉冲响应信号，产生出不受外界环境影响的、预知的正弦激振力信号，实现幅值稳定、易于调整、频率连续变化的稳态正弦激励力，通过T型台架竖直板方向定位孔、T型台架水平板方向定位孔、L型台架竖直板方向定位孔以及L型台架水平板方向定位孔调整T型台架或L型台架与旋转电动机以及待测力传感器的安装方位，实现多维力传感器各个维向在整个使用频带范围内的动态加载测试，其中：

永磁钢块周期性接近和远离霍尔传感器，偏心激振块匀速旋转过程中，霍尔传感器受到永磁钢块的磁场周期性触发而输出脉冲响应信号，该脉冲响应信号输出频率与旋转电动机的转速成正比，作为旋转电动机控制系统的反馈信号，用于测试旋转电动机的实时转速；

旋转电动机输出轴穿过T型台架竖直板方向定位孔并与T型台架的竖直板垂直，旋转电动机输出轴通过端部加工有平键槽或矩形键槽与偏心激振块的回转中心孔配合，偏心激振块与旋转电动机输出轴同步旋转以输出幅值和频率稳定的激振力，调整偏心激振块与旋转电动机输出轴的相对位置，使霍尔传感器、永磁钢块及偏心激振块的回转中心孔三者共线，且位于同一个基准面内，该基准面过旋转电动机输出轴的轴线且垂直于T型台架的水平板端面；

霍尔传感器受永磁钢块的磁场触发输出脉冲响应信号，偏心激振块旋转产生的离心力在该方向上的分力即激振力幅值也同时刻达到最大值，利用脉冲信号触发时刻即为离心力在待测力传感器的某个受力方向上的分力幅值的最大值时刻，还原已知的正弦激振力输入信号，实现待测力传感器的相频特性测试；

利用旋转电动机带动偏心激振块与旋转电动机输出轴同步旋转产生的离心力，离心力在待测力传感器的某个受力方向上的分力为周期变化正弦激振力，激振力频率与旋转电动机转速同步正比变化，通过控制旋转电动机的转速，实现正弦激振力频率的调节；通过增减调节块数量或调整调节块在变径滑槽内的方位，改变偏心激振块的重心位置沿偏心激振块的回转中心孔与永磁钢块的连线方向移动，在旋转电动机相同转速情况下，实现正弦激振力幅值的调节。

待测力传感器的Z轴向上置于基座水平板端面上并用T型台架加载时，实现激振力Fz独立加载或激振力Fz与激振力矩Mx、激振力Fz与激振力矩My组合加载。旋转电动机和偏心激振块通过T型台架固定在力传感器上端面，通过T型台架水平板方向定位孔调整T型台架与待测力传感器的相对位置，使偏心激振块的回转中心孔与偏心激振块的质心间的连线与待测力传感器的Z轴重合，获得待测力传感器受Fz独立加载，或者使偏心激振块的质心在T型台架的水平板端面上的投影点位于X轴之上或Y轴之上的不同工况下，获得待测力传感器受激振力Fz与激振力矩Mx、激振力Fz与激振力矩My组合加载。

待测力传感器的X轴或Y轴垂直置于基座水平板端面并用L型台架加载时，L型台架作为待测力传感器与T型台架的转接件，用于改变待测力传感器的受力方向，待测力传感器的Z轴与基座的竖直板端面垂直放置，通过基座竖直板端面上加工呈圆形分布的六个基座竖直板方向定位孔，待测力传感器绕Z轴实现90度、180度、270度的旋转定位。

通过L型台架水平板方向定位孔和T型台架水平板方向定位孔，实现激振力Fx激振力或Fy的独立加载，或激振力Fx与激振力矩Mz、激振力Fy与激振力矩Mz组合加载，是调整T型台架的水平板与L型台架的水平板的方位，使旋转电动机输出轴的轴线位于待测力传感器的Z-X面或Z-Y面内，并与基座水平面平行。调整偏心激振块的质心位于待测力传感器的X-Y面内，调整偏心激振块的回转中心孔与偏心激振块的质心间的连线与待测力传感器的X轴或Y轴重合的工况下，获得待测力传感器受激振力Fx或激振力Fy的独立加载；通过T型台架水平板方向定位孔、L型台架水平板方向定位孔和L型台架竖直板方向定位孔，调整偏心激振块的质心在T型台架的水平板端面上的投影点位于X轴之上或Y轴之上的不同工况下，获得待测力传感器受激振力Fx和激振力矩Mz，或激振力Fy和激振力矩Mz的组合加载。

在本方法中，改变偏心激振块与待测力传感器的安装方位，能够实现各维向激振力和激振力矩动态独立或组合加载，获得待测力传感器在整个频带内的幅频和相频特性测试，进而获得待测力传感器的其它动态特性参数，如固有频率，阻尼比，动态刚度；

具体地说，旋转电动机设定在某一转速n下匀速带动偏心激振块旋转，待测力传感器则相应输入一固定频率为f的动态激振力F_J(ω)＝Fsin(ωt+θ)，此时待测力传感器输出稳态值F_S{ω}，同时测量并记录霍尔传感器受激发输出脉冲信号时刻对应的动态激振力F_J幅值的相位角θ_J(t)，和待测力传感器的此时输出幅值的峰值相位角θ_s(t)，获得该频率f下的待测力传感器输入与输出信号的相位差角

依次调节旋转电动机转速实现在不同设定频率下的激振力输人给待测力传感器，并依次记录各频率下待测力传感器的激振力输入的幅值X、稳态输出的幅值Y以及输出与输人的相位差角θ_J(t)-θ_S(t)，由此，依据不同频率下对应的待测力传感器的输出、输入的幅值比和相位角差数据实验点，绘制出待测力传感器在该维向的幅频传输特性曲线和相频传输特性曲线，即：

$A\left\{\mathrm{\ω}\right\}=\frac{F_S\left\{\mathrm{\ω}\right\}}{F_J\left\{\mathrm{\ω}\right\}}\→\mathrm{\ω}$

其中，A{ω}为幅频特性函数；

为相频特性函数。

作为对现有技术的进一步改进：

a、实现激振力Fz独立加载或激振力Fz与激振力矩Mx、激振力Fz与激振力矩My组合加载的方法步骤是：

将待测力传感器水平安放在基座的水平板端面上固定，检查装置连结附件固联完好；

调整T型台架与待测力传感器的安装方位；

启动旋转电动机并设定转速，进行Fz独立加载或Fz与Mx、My的组合加载；

记录并保存各次加载过程中待测力传感器和霍尔传感器的输出以及相应的旋转电动机的实时转速，同时检测待测力传感器是否达到满量程输出；

当待测力传感器输出达到满量程输出时，缩小调节块与偏心激振块的回转中心孔的距离，或减小调节块的重量，或减少调节块的数量，降低相同转速情况下的离心力值；

增加旋转电动机的转速，继续进行加载；

当激振力频率达到预期指标，将旋转电动机停车断电，保存并整理数据，绘制待测力传感器在Fz、Mx、My各维向的动态特性曲线以及后续处理。

b、实现激振力Fx或激振力Fy的独立加载，或激振力Fx与激振力矩Mz、激振力Fy与激振力矩Mz组合加载的工作方法的步骤是：

将待测力传感器竖直安放在基座的竖直板端面上固定，检查装置连结附件固联完好；调整T型台架和L型台架与待测力传感器的安装方位；

启动旋转电动机并设定转速，进行激振力Fx独立加载或激振力Fx与激振力矩Mz组合加载；

记录并保存各次加载过程中待测力传感器和霍尔传感器的输出以及相应的旋转电动机的实时转速，同时检测待测力传感器是否达到满量程输出？

当待测力传感器输出达到满量程输出时，缩小调节块与偏心激振块的回转中心孔的距离，或减小调节块的重量，或减少调节块的数量，降低相同转速情况下的离心力值；

增加旋转电动机的转速，继续进行加载；

当激振力频率达到预期指标，将旋转电动机停车断电，保存数据以备后续处理；

将待测力传感器绕Z坐标轴旋转90度，再次通过T型台架和L型台架安装固定；

启动旋转电动机并设定转速，进行激振力Fy独立加载，或激振力Fy与激振力矩Mz组合加载；

当待测力传感器达到满量程输出时，调整调节块的位置，降低在相同转速下的离心力值后，增加旋转电动机的转速，继续进行加载；

当激振力频率达到预期指标，将旋转电动机停车断电，保存并整理数据，绘制待测力传感器在Fx、Fy、Mz各维向的动态特性曲线以及后续处理。

本发明的有益效果是：

其一，相对于现有技术，基于稳态正弦激振力的多维力传感器动态实验装置的方法是基于偏心激振块替代多维力传感器静态实验台中的砝码或其它静载加力装置的方法，包括T型台架加载和L型台架、T型台架加载。该方法在其运行方式上，通过调节旋转电动机转速和偏心激振块重心的位置，实现力源输出频率和幅值连续调节，利用台架变换待测力传感器的受载方位完成不同维向加载。

调节块在偏心激振块的变径滑槽内能够任意调节位置，其中：缩小调节块与偏心激振块的回转中心孔的距离，激振力的幅值将减小；增加调节块与偏心激振块的回转中心孔的距离，激振力的幅值将增大（见图5），即在旋转电动机某一转速下，通过调整调节块在偏心激振块的变径滑槽中的位置，能够获得不同幅值的正弦激振力，实现幅频特性测试；

偏心激振块旋转过程中，永磁钢块周期性激发霍尔传感器输出脉冲信号，利用脉冲信号触发确定离心力在某个受力方向分力幅值的最大值时刻，还原已知的正弦激振力信号，实现相频特性测试（见图6、图7）；

利用偏心激振块旋转产生离心力，调整旋转电动机的转速和偏心激振块的质心位置，获得频率和幅值连续可调的动态正弦激振力，调节旋转电动机与待测力传感器的安装方位，获得多种激振力和激振力矩组合加载：

当待测力传感器固定在基座的水平板端面上用T型台架加载时，霍尔传感器在T型台架的水平板上端面，调整偏心激振块与旋转电动机输出轴的相对位置，使霍尔传感器、永磁钢块及偏心激振块的回转中心孔三者共线，且位于同一个基准面内，该基准面过旋转电动机输出轴的轴线且垂直于T型台架的水平板端面，电动机输出轴带动偏心激振块旋转，永磁钢块周期性激发霍尔传感器输出脉冲信号，测量旋转电动机的转速，获得激振力Fz，或激振力矩My，或激振力矩Mx组合加载（见图1A、图10、图11）；

当待测力传感器固定在基座竖直板端面上用L型台架加载时，L型台架作为待测力传感器与T型台架的转接件，用于改变待测力传感器的受力方向和实现不同组合方式加载。待测力传感器Z轴与基座的竖直板端面垂直放置，通过基座竖直板端面上加工呈圆形分布的六个基座竖直板方向定位孔，待测力传感器绕Z轴实现90度、180度、270度的旋转定位；

通过L型台架水平板方向定位孔和T型台架水平板方向定位孔，调整T型台架的水平板与L型台架的水平板的方位，使旋转电动机输出轴的轴线位于待测力传感器的Z-X面或Z-Y面内，并与基座水平面平行，调整偏心激振块的质心位于待测力传感器的X-Y面内，调整偏心激振块的回转中心孔位于X轴或Y轴的工况下，获得待测力传感器受激振力Fx或激振力Fy的独立加载（见图12、图13）；

通过L型台架水平板方向定位孔和T型台架水平板方向定位孔，调整T型台架沿待测力传感器Y轴或X轴移动某一距离的工况下，获得待测力传感器受激振力Fx和激振力矩Mz，或激振力Fy和激振力矩Mz的组合加载（见图1B、图12、图13）；

在本方法中，改变偏心激振块与待测力传感器的安装方位，能够实现各维向激振力和激振力矩动态独立或组合加载，获得待测力传感器在整个频带内的幅频和相频特性测试，进而获得待测力传感器的其它动态特性参数，如固有频率，阻尼比，动态刚度；

具体地说，旋转电动机设定在某一转速n下匀速带动偏心激振块旋转，待测力传感器则相应输入一固定频率为f的动态激振力F_J(ω)＝Fsin(ωt+θ)，此时待测力传感器输出稳态值F_S{ω}，同时测量并记录霍尔传感器受激发输出脉冲信号时刻对应的动态激振力F_J幅值的相位角θ_J(t)，和待测力传感器的此时输出幅值的峰值相位角θ_s(t)，获得该频率f下的待测力传感器输入与输出信号的相位差角

依次调节旋转电动机转速实现在不同设定频率下的激振力输人给待测力传感器，并依次记录各频率下待测力传感器的激振力输入的幅值X、稳态输出的幅值Y以及输出与输人的相位差角θ_J(t)-θ_S(t)，由此，依据不同频率下对应的待测力传感器的输出、输入的幅值比和相位角差数据实验点，绘制出待测力传感器在该维向的幅频传输特性曲线和相频传输特性曲线，即：

$A\left\{\mathrm{\ω}\right\}=\frac{F_S\left\{\mathrm{\ω}\right\}}{F_J\left\{\mathrm{\ω}\right\}}\→\mathrm{\ω}$

其中，A{ω}为幅频特性函数，

为相频特性函数。

其二，基于稳态正弦激振力的多维力传感器动态实验装置的方法是一种真正意义上的不受外界环境影响的、物理的方法，该方法产生可预知的稳态正弦激振力作为动态力源，力源输出的激振力频率成分单一、稳定、能量集中，受电源波动的影响小，加载测试精度高，操作方法简单、方便，能够实现被测力传感器各个维向的动态特性测试或动态标定。

附图说明：

图1.为本发明的实验方法流程图，其中，左图A为待测力传感器受激振力Fz、激振力矩Mx或激振力矩My组合加载的实验方法流程图，右图B为待测力传感器受激振力Fx、激振力Fy及激振力矩Mz组合加载的动态实验方法流程图；

图2.为基于稳态正弦激振力的多维力传感器动态实验装置的立体结构示意图；

图3.为多维力/力矩在空间直角坐标系中的分布示意图；

图4.为多维力传感器坐标系布置示意图；

图5.为偏心激振块对称安装两个调节块的示意图；

图6.为偏心激振块旋转产生的离心力在Z方向输出的稳态正弦激振力波形示意图；

图7.为霍尔传感器输出脉冲信号时刻对应于激振力幅值的峰值时刻的示意图；

图8为本发明的T型台架示意图；

图9为本发明的L型台架示意图；

图10.为被测力传感器受激振力Fz、激振力矩My加载的正视图；

图11.为被测力传感器受激振力Fz、激振力矩Mx加载的俯视图；

图12.为待测力传感器受激振力Fy、激振力矩Mz加载的正视图；

图13.为待测力传感器受激振力Fx、激振力矩Mz加载的俯视图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：

图1.是本发明的实验方法流程图。本发明由旋转电动机输出轴6带动偏心激振块5旋转产生的离心力作为动态激励力，施加到待测力传感器1上实现动态加载。通过调节旋转电动机10的转速、偏心激振块5的重量及重心位置，并利用永磁钢块3的磁场周期性激发霍尔传感器2输出脉冲响应信号，获得不受外界环境影响的、可预知的正弦激振力信号，实现幅值稳定、易于调整、频率连续变化的稳态正弦激励力。

调整T型台架8A或L型台架8B与旋转电动机10以及待测力传感器1的安装方位，实现待测力传感器1各个维向在整个使用频带范围内的动态加载测试。

图1A为待测力传感器1受激振力Fz、激振力矩Mx或激振力矩My组合加载的实验方法流程图，其方法操作步骤是：

准备好待测力传感器1，开始进行加载实验测试；(步骤100)

将待测力传感器1水平安装在基座11的水平板端面上，检查装置联结附件完好后，通过固支端13与基座11固联，然后将旋转电动机10、偏心激振块5及T型台架8A组装成一体位于待测力传感器1的适配端12面上；(步骤110)

调整T型台架8A与待测力传感器1安装方位，开始进行加载；(步骤120)

启动旋转电动机10并依次设定不同转速下，旋转电动机输出轴6带动偏心激振块5输出给待测力传感器1相应频率和幅值的激振力，进行激振力Fz单独加载，或激振力Fz与激振力矩Mx、My的组合动态加载；(步骤130)

记录并保存各次加载过程中待测力传感器1和霍尔传感器2的输出以及相应的旋转电动机10实时转速数据；(步骤140)

检测待测力传感器1输出是否达到满量程输出？(步骤150)

否则转到（步骤130）进行循环，是则缩小调节块4与偏心激振块的回转中心孔5A的距离，或减小调节块4重量，或减少调节块4数量，降低相同转速情况下的离心力值；(步骤160)

设定旋转电动机10转速大于（步骤130）中的旋转电动机10转速后，继续进行加载；(步骤170)

检测激振力频率是否达到预期指标？(步骤180)

否则转到（步骤160）进行循环，是则将旋转电动机10停车断电，整理保存的数据，绘制待测力传感器1在激振力Fz、激振力矩Mx、My各维向的特性曲线，并求得所需动态参数(步骤190)；

动态实验测试结束。(步骤200)

图1B为待测力传感器受激振力Fx、激振力Fy及激振力矩Mz组合加载的动态实验方法流程图，其方法操作步骤是：

开始，准备好待测力传感器1，进行加载实验测试(步骤300)；

将待测力传感器1竖直安装在基座11的竖直板端面上，检查装置联结附件完好后，调整待测力传感器1的X坐标轴正向垂直指向基座11的水平板端面，通过待测力传感器1的固支端13与基座11的固联；L型台架8B一端与待测力传感器1的适配端12固联，另一端面与基座11水平板端面平行，并与T型台架8A联结；调整T型台架8A与待测力传感器1安装方位，进行加载；(步骤310)

启动旋转电动机10并依次设定不同转速下，旋转电动机输出轴6带动偏心激振块5输出给待测力传感器1相应频率和幅值的激振力，进行激振力Fx单独加载，或激振力Fx与激振力矩Mz组合动态加载；(步骤320)

同时记录并保存各次加载过程中待测力传感器1和霍尔传感器2的输出以及相应的旋转电动机10实时转速数据；(步骤330)

检测待测力传感器1输出是否达到满量程输出？(步骤340)

否则转到（步骤320）进行循环，是则缩小调节块4与偏心激振块的回转中心孔5A距离，或减小调节块4重量，或减少调节块4数量，降低同转速情况下离心力值；(步骤350)

设定旋转电动机10转速大于（步骤320）中的旋转电动机10转速，继续增大旋转电动机10转速进行加载；(步骤360)

激振力频率达到预期指标？(步骤370)

否则转到（步骤350）进行循环，是则将旋转电动机10停车断电，断开待测力传感器1与L型台架8B间的联结，将待测力传感器1绕Z坐标轴旋转90度后安装固定；（步骤380)

启动电动机进行激振力Fy单独加载，或激振力Fy与激振力矩Mz的组合动态加载；(步骤390)

检测激振力频率达到指标？(步骤400)

否则转到（步骤390）进行循环，是则整理保存的数据，绘制待测力传感器1在激振力Fx、Fy、激振力矩Mz各维向的特性曲线并求得所需动态参数；(步骤410)

结束。(步骤420)

图2.是基于稳态正弦激振力的多维力传感器动态实验装置的结构示意图。整个实验装置固定在基座11的平面上，旋转电动机10经由法兰盘固定在T型台架8A上，旋转电动机输出轴6穿过T型台架垂直板方向定位孔8A1，偏心激振块5通过偏心激振块的回转中心孔5A套合在旋转电动机输出轴6的端部键槽上，两者由锁紧螺钉7紧固。旋转电动机输出轴6带动偏心激振块5同步旋转产生的离心力作为动态力源，以实现待测力传感器1动态加载；

T型台架8A作为旋转电动机10固定支撑和传递激振力，在待测力传感器1竖直安装工况下，L型台架8B与T型台架8A配合安装以改变激振力与待测力传感器1坐标轴的方位，进行不同维向独立或组合加载；

偏心激振块5的质心的最下方圆弧中心边缘处嵌有永磁钢块3，霍尔传感器2位于旋转电动机输出轴6的轴线在T型台架8A平板上端面的投影线上，且在偏心激振块5回转中心孔5A正下方，永磁钢块3的磁场周期性触发霍尔传感器2输出脉冲响应信号，用于测试旋转电动机10实时转速和记录离心力在待测力传感器1的某个受力方向上的分力幅值的峰值时刻，实现待测力传感器1的相频特性测试。

图3.是多维力/力矩在空间直角坐标系中的分布示意图。图中，O-XYZ表示空间直角坐标系，Fx、Fy、Fz分别表示沿空间三个直角坐标轴方向的力，Mx、My、Mz分别表示绕空间三个直角坐标轴向旋转的力矩。

图4．是多维力传感器坐标系布置示意图。X、Y、Z表示力传感器的空间三个直角坐标轴，O点为传感器坐标形心，过该点的外力引起传感器沿三个直角坐标轴的力矩均为零。

图5.为偏心激振块5对称安装两个调节块4的示意图。在Y型变径滑槽5B或U型变径滑槽5B中，为增大激振力的幅值，可采用两个相同规格的调节块4，分别反向置于偏心激振块5的变径滑槽5B中，且相对于偏心激振块的回转中心孔5A与偏心激振块5的质心连线左右对称锁紧；在位于中线处的变径滑槽5B中，可以同时锁紧一个或多个调节块4；调整调节块4在变径滑槽5B中的位置，改变偏心激振块5的质心，进而调节激振力的幅值。方法是：在同一旋转电动机10的转速下，缩小调节块4与偏心激振块的回转中心孔5A的距离，激振力的幅值将减小；增加调节块4与偏心激振块的回转中心孔5A的距离，激振力的幅值将增大。

图6.是偏心激振块5旋转产生的离心力在Z方向输出的稳态正弦激振力波形示意图。旋转电动机输出轴6带动偏心激振块5旋转产生离心力F，在Z方向产生的分力即为稳态正弦激振力F_J，其大小为：

F_J(ω)＝Fsin(ωt+θ)

其中：

F(ω)＝mrω²

ω＝2πf

f＝n/60

式中：m—偏心激振块5的质量（g）；

F_J—周期变化的稳态正弦激振力(N)

n—旋转电动机10的转速（m/s）

r—偏心激振块5的质心位置(m)

ω—频率(rad/s)；

F(ω)—不同频率下的激振力。

随着偏心激振块5旋转，通过调节旋转电动机10的转速n或调节偏心激振块5的质心位置r，即可实现频率ω和幅值F(ω)的连续变化的激振力。

图7.是霍尔传感器2输出脉冲信号时刻对应于激振力幅值的峰值时刻的示意图。偏心激振块5中心的最下方边缘处嵌有永磁钢块3，旋转电动机10带动偏心激振块5匀速旋转过程中，当偏心激振块5旋转至其中线与T型台架8A水平板端面垂直(即与待测力传感器1的Z轴向平行)时，永磁钢块3的磁场将激发霍尔传感器2输出脉冲信号，利用脉冲信号触发时刻判断最大激振力幅值Fm的发生时刻。随着偏心激振块5在某固定转速下匀速旋转，永磁钢块3将周期性激发霍尔传感器2输出脉冲信号，该过程可以获得输入的正弦激振力信号的峰值时刻对应的相位角θ，结合待测力传感器1输出信号的F_S幅值和相位角θ_S，实现力传感器频率响应特性测试。

具体地说，旋转电动机10设定在某一转速n下匀速带动偏心激振块5旋转，待测力传感器1则相应输入一固定频率为f的动态激振力F_J(ω)＝Fsin(ωt+θ)，此时待测力传感器1输出稳态值F_S{ω}，同时测量并记录霍尔传感器2受激发输出脉冲信号时刻对应的动态激振力F_J幅值的相位角θ_J(t)，和待测力传感器1的此时输出幅值的峰值相位角θ_s(t)，可获得该频率f下的待测力传感器1输入与输出信号的相位差角

依次调节旋转电动机10转速实现在不同设定频率下的激振力输人给待测力传感器1，并依次记录各频率下待测力传感器1的激振力输入的幅值X、稳态输出的幅值Y以及输出与输人的相位差角θ_J(t)-θ_S(t)。由此，依据不同频率下对应的待测力传感器1的输出、输入的幅值比和相位角差数据实验点，绘制出待测力传感器1在该维向的幅频传输特性曲线和相频传输特性曲线，即：

$A\left\{\mathrm{\ω}\right\}=\frac{F_S\left\{\mathrm{\ω}\right\}}{F_J\left\{\mathrm{\ω}\right\}}\→\mathrm{\ω}$

其中，A{ω}为幅频特性函数；

为相频特性函数。

依此方法，改变偏心激振块5与待测力传感器1的安装方位，能够实现各维向激振力和激振力矩动态独立或组合加载，获得待测力传感器1在整个频带内的幅频和相频特性测试，进而获得待测力传感器1的其它动态特性参数，如固有频率、阻尼比、动态刚度等。

图8是本发明的T型台架示意图，T型台架8A的竖直板加工有T型台架竖直板方向定位孔8A1，T型台架8A的水平板上加工有与待测力传感器1的适配端12相配合的T型台架水平板方向定位孔8A2。

图9是本发明的L型台架示意图，L型台架8B的竖直板端面上加工有与待测力传感器1的适配端12相配合的L型台架竖直板方向定位孔8B1，L型台架8B的水平板端面上加工有L型台架水平板方向定位孔8B2。

图10.是被测力传感器受激振力Fz、激振力矩My加载的正视图。将待测力传感器1的Z轴向上固定在基座11水平板端面上，旋转电动机10和偏心激振块5通过T型台架8A固定在力传感器上端面，调整旋转电动机输出轴6的轴线位于力传感器坐标Z-X面内，偏心激振块5的质心调整至旋转电动机输出轴6的轴线正下方，激振力沿Z轴方向作用到待测力传感器1上，即产生激振力-Fz；调整T型台架8A沿X轴正向平移，使偏心激振块5质心在待测力传感器1的X-Y面内的投影点与Y轴存在偏心距e，此时投影点在待测力传感器1的坐标系的位置为e,0,0，该工况下待测力传感器1同时受激振力-Fz和激振力矩-My作用；调整T型台架8A沿X轴负向平移，使偏心激振块5的质心在待测力传感器1的X-Y坐标面内的投影点与Y轴存在偏心距e，此时投影点在待测力传感器1的坐标系的位置为-e,0,0，该工况下待测力传感器1同时受激振力-Fz和激振力矩+My作用；调整T型台架8A使偏心激振块的回转中心孔5A与偏心激振块5的质心间的连线与待测力传感器1的Z轴重合，该工况下待测力传感器1实现激振力-Fz独立加载。

图11.是被测力传感器受激振力Fz、力矩Mx加载的俯视图。将待测力传感器1的Z轴向上固定在基座11水平板端面上，旋转电动机10和偏心激振块5通过T型台架8A固定在力传感器上端面，使旋转电动机输出轴6的轴线位于力传感器坐标Z-X面内，偏心激振块5的质心调整至旋转电动机输出轴6的轴线正下方，激振力沿Z轴负方向作用到待测力传感器1上，产生激振力-Fz；调整T型台架8A沿Y轴正向平移，使偏心激振块5的质心在待测力传感器1的X-Y面内的投影点与X轴存在偏心距e，此时投影点在待测力传感器1的坐标系的位置为0,e,0，该工况下待测力传感器1同时受激振力-Fz和激振力矩+Mx作用；调整T型台架8A沿Y轴负向平移，使偏心激振块5的质心在待测力传感器1的X-Y坐标面内的投影点与X轴存在偏心距e，此时投影点在待测力传感器1的坐标系的位置为0,-e,0，该工况下待测力传感器1同时受激振力-Fz和激振力矩-Mx作用。

图12.是待测力传感器1受激振力Fy、力矩Mz加载的正视图。待测力传感器1的Y轴正向垂直指向基座11的水平板端面，固支端13通过螺钉固定在基座11竖直板端面上，L型台架8B一端面固定在待测力传感器1上，另一端面与基座11水平板端面平行，旋转电动机10和偏心激振块5通过T型台架8A固定在L型台架8B水平板端面，使旋转电动机输出轴6的轴线位于待测力传感器1的坐标Z-Y面内，偏心激振块5的质心调整至旋转电动机输出轴6的轴线正下方；调整T型台架8A沿X轴正向平移，使偏心激振块5的质心在待测力传感器1的Z-X面内的投影点与Z轴存在偏心距e，此时投影点在待测力传感器1的坐标系

的位置为e,0,0，该工况下待测力传感器1同时受激振力+Fy和激振力矩-Mz作用；调整T型台架8A沿X轴负向平移，使偏心激振块5的质心在待测力传感器1的Z-X面内的投影点与Z轴存在偏心距e，此时投影点在待测力传感器1的坐标系的位置为-e,0,0，该工况下待测力传感器1同时受激振力+Fy和激振力矩+Mz作用；调整T型台架8A使偏心激振块的回转中心孔5A与偏心激振块5的质心间的连线与待测力传感器1的Z轴重合，该工况下待测力传感器1实现激振力+Fy独立加载；待测力传感器1绕Z轴旋转180度，按上述方法安装和调整，待测力传感器1实现激振力-Fy与+Mz、-Fy与-Mz组合加载和-Fy独立加载。

图13.是待测力传感器1受激振力Fx、力矩Mz加载的俯视图。待测力传感器1的X轴正向垂直指向基座11的水平板端面，固支端13通过螺钉固定在基座11竖直板端面上。L型台架8B一端面固定在待测力传感器1上，另一端面与基座11水平板端面平行，旋转电动机10和偏心激振块5通过T型台架8A固定在L型台架8B水平板端面，使旋转电动机输出轴6的轴线位于待测力传感器1的坐标Z-X面内，偏心激振块5的质心调整至旋转电动机输出轴6的轴线正下方；

调整T型台架8A沿Y轴正向平移，使偏心激振块5的质心在待测力传感器1的Z-Y面内的投影点与Z轴存在偏心距e，此时投影点在待测力传感器1的坐标系的位置为0,e,0，该工况下待测力传感器1受激振力+Fx与+Mz组合加载；调整T型台架8A沿Y轴负向平移，使偏心激振块5的质心在待测力传感器1的Z-Y面内的投影点与Z轴存在偏心距e，此时投影点在待测力传感器1的坐标系的位置为0,-e,0，该工况下待测力传感器1受激振力+Fx与-Mz组合加载；调整T型台架8A使偏心激振块的回转中心孔5A与偏心激振块5的质心间的连线与待测力传感器1的Z轴重合，该工况下待测力传感器1实现激振力+Fx独立加载；待测力传感器1的绕Z轴旋转180度，按上述方法安装和调整，待测力传感器1实现激振力-Fx与+Mz、-Fx与-Mz组合加载和-Fx独立加载。

本发明的方法实现了多维力传感器动态实验或动态标定，由偏心激振块5替代多维力传感器静态实验台中的砝码或其它静载加力装置力源，激振力输出稳定，抗干扰能力强。利用偏心激振块5旋转产生离心力，调整旋转电动机10的转速和偏心激振块5的重量与质心位置，实现频率和幅值连续可调的稳态正弦激振力。调节T型台架8A和L型台架8B与待测力传感器1之间的安装方位，改变激振力与待测力传感器1的作用点的方位，实现多种激振力和激振力矩组合的动态组合加载。

Claims (3)

1.一种基于稳态正弦激振力的多维力传感器动态实验装置的方法，其特征在于：

该方法基于物理的方法，利用旋转电动机（10）带动偏心激振块（5）与旋转电动机输出轴（6）同步旋转产生的离心力，通过调节旋转电动机（10）的转速、偏心激振块（5）的重量及重心位置，利用永磁钢块（3）的磁场周期性激发霍尔传感器（2）输出脉冲响应信号，产生正弦激振力信号，实现幅度稳定、易于调整、频率连续变化的稳态正弦激励力，通过T型台架竖直板方向定位孔（8A1）、T型台架水平板方向定位孔（8A2）、L型台架竖直板方向定位孔（8B1）以及L型台架水平板方向定位孔（8B2），调整T型台架（8A）或L型台架（8B）与旋转电动机（10）以及待测力传感器（1）的安装方位，实现多维力传感器各个维向在整个使用频带范围内的动态加载测试，其中：

所述永磁钢块（3）周期性接近和远离霍尔传感器（2），偏心激振块（5）匀速旋转过程中，霍尔传感器（2）受到永磁钢块（3）的磁场周期性触发而输出脉冲响应信号，该脉冲响应信号输出频率与旋转电动机（10）的转速成正比，作为旋转电动机（10）控制系统的反馈信号，用于测试旋转电动机（10）的实时转速；

所述旋转电动机输出轴（6）穿过T型台架竖直板方向定位孔（8A1）并与T型台架(8A)的竖直板垂直，旋转电动机输出轴（6）通过端部加工有平键槽或矩形键槽与偏心激振块的回转中心孔（5A）配合，偏心激振块（5）与旋转电动机输出轴（6）同步旋转以输出幅值和频率稳定的激振力，调整偏心激振块（5）与旋转电动机输出轴（6）的相对位置，使霍尔传感器（2）、永磁钢块（3）及偏心激振块的回转中心孔（5A）三者共线，且位于同一个基准面内，该基准面过旋转电动机输出轴(6)的轴线且垂直于T型台架（8A）的水平板端面；

所述霍尔传感器（2）受永磁钢块（3）的磁场触发输出脉冲响应信号，偏心激振块（5）旋转产生的离心力在该方向上的分力即激振力幅度也同时刻达到最大值，利用脉冲信号触发时刻即为离心力在待测力传感器（1）的某个受力方向上的分力幅值的最大值时刻，还原已知的正弦激振力输入信号，实现待测力传感器（1）的相频特性测试；

所述利用旋转电动机（10）带动偏心激振块（5）与旋转电动机输出轴（6）同步旋转产生的离心力，离心力在待测力传感器（1）的某个受力方向上的分力为周期变化正弦激振力，激振力频率与旋转电动机（10）转速同步正比变化，通过控制旋转电动机（10）的转速，实现正弦激振力频率的调节；通过增减调节块（4）数量或调整调节块（4）在变径滑槽（5B）内的方位，改变偏心激振块（5）的重心位置沿偏心激振块的回转中心孔（5A）与永磁钢块（3）的连线方向移动，在旋转电动机（10）相同转速情况下，实现正弦激振力幅值的调节；

所述待测力传感器（1）的Z轴向上置于基座（11）水平板端面上并用T型台架（8A）加载时，旋转电动机（10）和偏心激振块（5）通过T型台架（8A）在待测力传感器（1）上端面，通过T型台架水平板方向定位孔（8A2）调整T型台架（8A）与待测力传感器（1）的相对位置，使偏心激振块的回转中心孔（5A）与偏心激振块（5）的质心间的连线与待测力传感器（1）的Z轴重合，获得待测力传感器（1）受激振力Fz独立加载，或者使偏心激振块（5）的质心在T型台架（8A）的水平板端面上的投影点位于X轴之上或Y轴之上的不同工况下，获得待测力传感器（1）受激振力Fz与激振力矩Mx、激振力Fz与激振力矩My组合加载；

所述待测力传感器（1）的X轴或Y轴垂直置于基座（11）水平板端面并用L型台架（8B）加载时，L型台架（8B）作为待测力传感器（1）与T型台架（8A）的转接件，用于改变待测力传感器（1）的受力方向，待测力传感器（1）的Z轴与基座（11）的竖直板端面垂直，通过基座（11）竖直板端面上呈圆形分布的六个基座竖直板方向定位孔(11A)，待测力传感器（1）绕Z轴实现90度、180度、270度的旋转定位；

通过L型台架水平板方向定位孔（8B2）和T型台架水平板方向定位孔（8A2），调整T型台架（8A）的水平板与L型台架（8B）的水平板的方位，使旋转电动机输出轴（6）的轴线位于待测力传感器（1）的Z-X面或Z-Y面内，并与基座（11）水平板端面平行，调整偏心激振块（5）的质心位于待测力传感器（1）的X-Y面内，调整偏心激振块的回转中心孔（5A）与偏心激振块（5）的质心间的连线与待测力传感器（1）的X轴或Y轴重合的工况下，获得待测力传感器（1）受激振力Fx或激振力Fy的独立加载；

通过T型台架水平板方向定位孔（8A2）、L型台架水平板方向定位孔（8B2）和L型台架竖直板方向定位孔（8B1），调整偏心激振块（5）的质心在T型台架（8A）的水平板端面上的投影点位于X轴之上或Y轴之上的不同工况下，获得待测力传感器（1）受激振力Fx和激振力矩Mz，或激振力Fy和激振力矩Mz的组合加载；

在本方法中，改变偏心激振块（5）与待测力传感器(1)的安装方位，能够实现各维向激振力和激振力矩动态独立或组合加载，获得待测力传感器（1）在整个频带内的幅频和相频特性测试，进而获得待测力传感器（1）的其它动态特性参数，如固有频率，阻尼比，动态刚度；

具体地是，旋转电动机（10）设定在某一转速n下匀速带动偏心激振块（5）旋转，待测力传感器（1）则相应输入一固定频率为f的动态激振力F_J(ω)＝Fsin(ωt+θ)，此时待测力传感器（1）输出稳态值F_S{ω}，同时测量并记录霍尔传感器（2）受激发输出脉冲信号时刻对应的动态激振力F_J幅值的相位角θ_J(t)，和待测力传感器（1）的此时输出幅值的峰值相位角θ_s(t)，获得该频率f下的待测力传感器1输入与输出信号的相位差角

依次调节旋转电动机（10）转速实现在不同设定频率下的激振力输人给待测力传感器（1），并依次记录各频率下待测力传感器（1）的激振力输入的幅值X、稳态输出的幅值Y以及输出与输人的相位差角θ_J(t)-θ_S(t)，由此，依据不同频率下对应的待测力传感器（1）的输出、输入的幅值比和相位角差数据实验点，绘制出待测力传感器（1）在该维向的幅频传输特性曲线和相频传输特性曲线，即：

$A\left\{\mathrm{\ω}\right\}=\frac{F_S\left\{\mathrm{\ω}\right\}}{F_J\left\{\mathrm{\ω}\right\}}\→\mathrm{\ω}$

其中，A{ω}为幅频特性函数；

为相频特性函数。

2.根据权利要求1所述一种基于稳态正弦激振力的多维力传感器动态实验装置的方法，其特征是：所述获得待测力传感器（1）受激振力Fz独立加载，或激振力Fz与激振力矩Mx、激振力Fz与激振力矩My组合加载的方法步骤是：

将待测力传感器（1）水平安放在基座（11）的水平板端上固定，检查装置连结附件固联完好；

调整T型台架（8A）与待测力传感器（1）安装方位；

启动旋转电动机（10）并设定转速，进行激振力Fz独立加载，或激振力Fz与激振力矩Mx、激振力矩My的组合加载；

记录并保存各次加载过程中待测力传感器（1）和霍尔传感器（2）的输出以及相应的旋转电动机（10）的实时转速，同时检测待测力传感器（1）是否达到满量程输出；

当待测力传感器（1）输出达到满量程输出时，缩小调节块（4）与偏心激振块的回转中心孔（5A）的距离，或减小调节块（4）的重量，或减少调节块（4）的数量，降低相同转速情况下的离心力值；

增加旋转电动机（10）的转速后，继续进行加载；

当激振力频率达到预期指标，将旋转电动机（10）停车断电，保存并整理数据，绘制待测力传感器（1）在激振力Fz、激振力矩Mx、My各维向的动态特性曲线以及后续处理。

3.根据权利要求1所述一种基于稳态正弦激振力的多维力传感器动态实验装置的方法，其特征是：所述获得激振力Fx或激振力Fy的独立加载，或激振力Fx与激振力矩Mz、激振力Fy与激振力矩Mz组合加载的工作方法的步骤是：

开始，将待测力传感器（1）竖直安放在基座（11）的竖直板端面上，检查装置连结附件固联完好，调整T型台架（8A）和L型台架（8B）与待测力传感器（1）的安装方位；

启动旋转电动机（10)）并设定转速，进行激振力Fx独立加载，或激振力Fx与激振力矩Mz组合加载；

记录并保存各次加载过程中待测力传感器（1）和霍尔传感器（2）的输出以及相应的旋转电动机（10）的实时转速，同时检测待测力传感器（1）是否达到满量程输出；

当待测力传感器（1）输出达到满量程输出时，缩小调节块（4）与偏心激振块的回转中心孔（5A）的距离，或减小调节块（4）的重量，或减少调节块（4）的数量，减小相同转速情况下的离心力值；

调整激振力幅值后，增加旋转电动机（10）的转速，继续进行加载；

激振力频率达到指标：当激振力频率达到预期指标，将旋转电动机（10）停车断电，保存数据以备后续处理；

将待测力传感器（1）绕Z坐标轴旋转90度，再次通过T型台架（8A）和L型台架（8B）安装固定；

启动旋转电动机（10)）并设定转速，进行激振力Fy独立加载，或激振力Fy与激振力矩Mz组合加载；

激振力频率达到指标：当待测力传感器（1）满足满量程输出时，调整调节块（4）的位置，降低在相同转速下的离心力值后，增加旋转电动机（10）的转速，继续进行加载；

激振力频率满足预期指标，将旋转电动机（10）停车断电，保存并整理数据，绘制待测力传感器（1）在激振力Fx、Fy、Mz各维向的动态特性曲线，结束。

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