一种基于高强度纤维材料的三分量力传感器校准装置及其校准方法与流程

本发明属于力学测量领域领域，尤其涉及一种基于高强度纤维材料的三分量力传感器校准装置及其校准方法。

背景技术：

1、随着生产力水平的不断提升，包含三分量力传感器在内的多分量力传感器在人工智能、机器人、航空航天、汽车工业、重型机械、智能制造、先进医疗等领域得到越来越广泛的应用，对三分量力传感器的量值溯源问题也随之浮现：利用传统力标准机进行校准时，需要定制特殊夹具以限制被测传感器在测试分量方向上的位移，且存在需要重复安装、定位精度有限、无法测试耦合误差、操作流程复杂等问题；利用针对六分量力传感器的专用校准装置时，则将面临由冗余自由度带来的精度下降和额外转接部件定制问题。因此，需要针对三分量力传感器的技术特点设计专用的校准装置。

2、按比对标准进行分类，国内外主流的多分量力传感器校准装置可分为：1.以砝码重力为比对标准的校准装置；2.以单分量标准测力仪为比对标准的校准装置；3.以多分量力传感器为比对标准的校准装置。以砝码重力为比对标准的校准装置，通常以钢索作为加载头和力源之间的连接件。为保证测试精度，同时受到砝码体积的限制，校准装置对安装空间的要求较大，故其测量上限一般不超过400kn，无法满足大力值传感器的校准需求，且该类装置只能进行分级加载，并主要针对航空航天领域中常见的、具备细长形几何外观的特种力传感器，较难对一般传感器进行测试。以单分量标准测力仪为比对比标准的校准装置，其力源的选择范围相对更广，故而能在大幅度提升测试量程的同时保证较小的安装空间，操作也更为方便。但因其一般通过刚性结构件将力值从力源系统传递给被测传感器，故而在测试耦合误差时，会因为寄生摩擦阻力产生较大误差。以多分量力传感器为比对标准的校准装置，通过直接对比被测传感器和装置自身的多分量力传感器的输出进行校准。但因为两台传感器的几何中心至少在一个方向上无法重合，直接测量结果天生带有因几何形位产生的系统误差。且为保证良好的灵敏度，作为比对标准的多分量力传感器在空间六个自由度上的刚度均不会太大，实际测量时因校准装置形变引入的误差将无法被忽略，从而降低校准精度。另，多分量力传感器自身亦存在溯源困难的缺点，将对装置的后续维护保养工作产生不利影响。此外，后两类校准装置需要额外的力源模块，而常见的模块大多基于电动缸或液压油缸，缺乏在小力值范围内提供较高输出精度的能力。

3、综上所述，就目前而言，如何在增强泛用性、降低串扰误差、提高测试精度的前提下，减小多分量力传感器校准装置所占的空间体积，并尽可能提升装置后续溯源的灵活性，是该类校准装置亟待解决的技术难题。

技术实现思路

1、针对上述现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于高强度纤维材料的三分量力传感器校准装置及其校准方法——尤其面向小量程三分量力传感器——在保证多分量力的单独精准加载、两两组合加载的同时，大幅精简了装置结构，降低了制造成本；基于相位差原理，极大提升校准装置在被测传感器所在子坐标xy平面上的可选择的施力方向；设置双重解耦机制，以提升径向加载模块和周向加载模块组合加载条件下校准装置的解耦水平；并提供了相应的校准方法，以满足用户的需求。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种基于高强度纤维材料的三分量力传感器校准装置，以被测传感器的中心为原点建立子直角坐标系，z轴平行于所述被测传感器的纵向设置，x轴或y轴沿重力方向设置，包括：

3、基座，其包括主基座、次基座和夹紧装置，所述主基座包括水平安装面，所述夹紧装置与所述水平安装面配合限位固定所述次基座，所述次基座包括垂直于所述水平安装面设置的垂直安装面，定义一水平轴线，所述水平轴线适于通过所述垂直安装面的中心，所述水平轴线与所述z轴重合。

4、标准测力平台，其适于作为比对标准，为了确保所述标准测力平台在z轴向上具备足够的刚度，由若干组高精度单分量的标准力传感器组成或由单一的轮辐式标准力传感器组成，所述标准力传感器关于所述水平轴线周向均布。

5、升降平台，其适于在驱动装置的驱使下沿所述水平轴线方向靠近或远离所述垂直安装面，并适于支承所述标准测力平台。

6、安装平台，其平行于所述升降平台设置，并适于沿所述水平轴线方向可拆卸地串联所述被测传感器和所述标准测力平台，所述标准测力传感器适于输出标准力值与所述被测传感器输出的被测力值进行比对。

7、夹具，其包括适于夹持于所述被测传感器的纵向两端的顶部夹具和底部夹具，所述底部夹具可拆卸地装配于所述安装平台，所述顶部夹具的中央沿所述水平轴线方向伸出一短轴。

8、径向加载模块，其包括可调整的标准力值砝码组和第一柔性连接机构，所述第一柔性连接机构包括高强度纤维材料，所述标准力值砝码组通过第一柔性连接机构可拆卸地悬挂于所述短轴，通过所述标准力值砝码组的重力对被测传感器进行力值加载。

9、轴向加载模块，其包括模块基体和若干关于所述水平轴线周向均布的挠性加载头，所述模块基体呈中心对称结构，所述挠性加载头的轴向一端固接于所述模块基体，所述模块基体通过若干关于所述水平轴线周向均布的第二柔性连接机构连接至所述次基座，所述第二柔性连接机构包括高强度纤维材料。

10、所述升降平台适于通过安装平台驱使所述被测传感器靠近所述模块基体，当所述挠性加载头的轴向另一端接触所述顶部夹具时，所述第二柔性连接机构处于张紧状态，所述第二柔性连接机构沿水平轴线方向保持绷紧以限制所述模块基体位移，所述升降平台适于通过所述挠性加载头进一步对所述被测传感器进行力值加载。

11、作为优选的，所述垂直安装面沿z轴方向延伸出两第一螺纹柱，所述升降平台内部设有适于配合所述第一螺纹柱的第一内螺纹套，所述次基座背部设有第一转轮，所述次基座内部设有第一传动机构，人工转动所述第一转轮使其作为动力源，经所述第一传动机构驱动所述第一螺纹柱转动，进而驱使所述第一内螺纹套带动所述升降平台沿所述第一螺纹轴的轴向往复移动。

12、具体地，所述第一内螺纹套固接于所述升降平台的内部。所述第一传动机构包括第一传动轴和第一齿轮机构，所述第一齿轮机构包括第一齿轮和第一配合齿轮，所述第一配合齿轮固接于所述第一螺纹柱，所述第一转轮通过所述第一传动轴驱动所述第一齿轮机构转动，所述第一齿轮与所述第一配合齿轮啮合，进而驱动所述第一螺纹柱转动，从而通过所述第一螺纹柱与所述第一内螺纹套的螺纹配合带动所述升降平台沿所述第一螺纹柱的轴向运动。

13、作为优选的，定义一全局直角坐标系，z轴正向沿重力反方向设置，x轴平行于z轴且x轴正向沿z轴正向设置，

14、所述主基座包括适于供部分所述次基座适于可拆卸地嵌入的次基座限位槽，所述次基座限位槽适于限制所述次基座的x向位移；

15、所述夹紧装置包括第二螺纹柱、移动横梁、刀承式定位工装，所述刀承式定位工装装配于所述移动横梁并面向所述次基座设置，所述第二螺纹柱并排设置于所述次基座的两侧，所述移动横梁内设置有第二内螺纹套，所述第二螺纹柱与所述第二内螺纹套螺纹配合进而引导所述移动横梁沿z轴往复运动，从而驱使所述刀承式定位工装配合所述次基座限位槽夹紧所述次基座以限制其z向位移，并且所述刀承式定位工装适于限制所述次基座的y向位移。

16、作为优选的，所述夹紧装置包括设置于所述移动横梁顶端的第二转轮，所述移动横梁内部设置有第二传动机构，人工转动所述第二转轮使其作为动力源，通过所述第二传动装置驱动所述第二内螺纹套与所述第二螺纹柱螺纹配合，进而带动所述移动横梁靠近或远离所述次基座。

17、具体地，所述第二传动机构包括第二传动轴和第二齿轮机构，所述第二齿轮机构包括第二齿轮和第二配合齿轮，所述第二内螺纹套的中部外轮廓适于形成所述第二配合齿轮。所述第二转轮通过所述第二传动轴带动所述第二齿轮转动，所述第二齿轮与所述第二配合齿轮啮合，进而带动所述第二内螺纹套与所述第二螺纹柱螺纹配合，从而实现所述移动横梁沿所述第二螺纹柱的轴向往复运动。

18、作为优选的，所述安装平台包括具有有正多边形凹槽，所述底部夹具具备正多边形外部轮廓并嵌入所述正多边形凹槽；和/或，所述次基座具备正多边体的周向外轮廓，所述刀承式定位工装适于配合所述次基座的周向外轮廓从而限制其y向位移，

19、从而，可通过调整所述底部夹具的摆放角度和/或，通过调整所述次基座的摆放角度实现针对所述被测传感器相对所述z轴的不同径向角度的标准力值施加。

20、作为优选的，所述次基座的正多边形外部轮廓应当具备奇数边数。

21、作为优选的，所述主基座还包括适于保持装置平衡的配重块。

22、作为优选的，所述刀承式定位工装可配合所述次基座的外部轮廓进行定制和替换。

23、作为优选的，所述被测传感器的纵向两端分别嵌入所述底部夹具和所述顶部夹具，具体地，所述底部夹具具有与所述被测传感器纵向一端轮廓一致的底部凹槽，所述顶部夹具下表面设有与被测传感器纵向另一端轮廓一致的顶部凹槽。

24、作为优选的，所述顶部夹具上表面形成有环形限位槽，所述水平轴线适于穿过所述限位槽的圆心，所述挠性加载头的轴向一端适于伸入所述限位槽并构成径向限位。所述顶部夹具的中央紧固嵌设有适于支撑所述短轴的低摩擦阻力的滚针轴承。

25、作为优选的，所述径向加载模块包括适于承托所述标准力值砝码组的托盘，所述标准力值砝码组可按实际校准要求放置在托盘上进行加载操作，所述托盘与所述第一柔性连接机构可拆卸连接。

26、作为优选的，所述高强度纤维材料可选择为凯夫拉芳纶纤维。

27、作为优选的，在所述模块基体四周均匀地布置有四根所述第二柔性连接机构。

28、作为优选的，所述挠性加载头应具备十字铰结构。

29、本发明还提供了一种基于高强度纤维材料的三分量力传感器校准装置的校准方法，当针对被测传感器所在子坐标z向力进行校准时，包括以下步骤：

30、1)取下所述径向加载模块中的所述标准力砝码；

31、2)通过所述底部夹具将所述被测传感器安装于所述安装平台；

32、3)安装所述顶部夹具；

33、4)清空所述被测传感器与所述标准力传感器的输出值，记录为零点；

34、5)通过所述升降平台驱使所述顶部夹具与所述挠性加载头相接触，所述第二柔性连接机构处于张紧状态；

35、6)手动调整轴向加载模块，确保所述水平轴线适于穿过所述模块基体的对称中心点；

36、7)明确若干待校准点的数值，驱使所述升降平台直至所述标准力传感器的输出值与第一待校准点的数值完全一致；

37、8)记录此时被测传感器的z向力输出值；

38、9)重复步骤7)～8)，直至所有待校准点均完成测试。

39、本发明还提供了一种基于高强度纤维材料的三分量力传感器校准装置的校准方法，当针对所述被测传感器所在子坐标的x轴/y轴力进行校准时，包括以下步骤：

40、1)将所述模块基体移至任意不妨碍径向校准活动的位置并固定；

41、2)安装所述被测传感器至所述安装平台，令其所在子坐标的x轴/y轴与重力方向一致；

42、3)安装所述顶部夹具；

43、4)清空此时所述被测传感器的输出值，记录为零点；

44、5)明确若干待校准点的数值，将对应第一待校准点力值的所述标准力值砝码组连接至所述第一柔性连接机构，记录此时被测传感器的输出；

45、6)继续调整所述标准力值砝码组直至其重力与下一个待校准点的数值完全一致，并记录此时所述被测传感器的输出；

46、7)重复步骤6)直至所有待校准点均完成测试。

47、本发明还提供了一种基于高强度纤维材料的三分量力传感器校准装置的校准方法，所述底部夹具为正m边形，所述次基座为正n边形，且m≠n，定义第一单元角度α＝2π/m、第二单元角度β＝2π/n，所述径向加载模块在重力作用下无约束下垂时，所述第一柔性连接机构与所述子坐标系中的x轴正向之间适于构成偏转角度θ，所述偏转角度θ在闭区间[0,2π]上可取离散值的集合θ显然是第一单元角度α和第二单元角度β的任意线性组合，即span(α,β)，将集合中第i个偏转角度θi表示为θi＝ci·α+di·β，式中第一单元角度α和第二单元角度β的系数ci和di均属于全体整数集合z。

48、作为优选的，当针对所述被测传感器在所述子直角坐标系中的任意空间矢量力进行校准时，包括以下步骤：

49、1)确定需要校准的标准力值点(fx,fy,fz)

50、2)计算目标偏转角度θaim＝[ε(-fy)+ε(-fx·fy)]·π+arctan(fy/fx)，式中ε是阶跃函数，其在自变量为正数时取值为1，其余情况取值为0。

51、3)依照公式argmin[(θi-θaim)2]求解得到可达集合θ中距离目标偏转角度θaim最接近的近似偏转角度θadj。

52、4)考察所述近似偏转角度θadj的表达式θadj＝cadj·α+dadj·β中系数cadj和dadj的正负性：若为正，则代表按顺时针旋转；若为负，则代表按逆时针旋转。

53、5)将所述次基座按对应方向旋转dadj·β角度后用所述夹紧装置固定。

54、6)将所述被测传感器与所述底部夹具固接后，再将所述底部夹具按对应方向旋转cadj·α角度后安装于所述安装平台。

55、7)安装所述顶部夹具至所述被测传感器，此时所述顶部夹具既不与所述轴向加载模块接触，也不与所述径向加载模块的标准力值砝码组相连。

56、8)转动所述第一转轮，直至所述顶部夹具与所述轴向加载模块相接触且所有第二柔性连接机构均处于张紧状态，确保所述水平轴线适于穿过所述模块基体的对称中心点；若否，则作相应调整。

57、9)清空所述被测传感器的所有输出值，记录为零点。

58、10)明确目标轴向力，继续转动所述第一转轮，直至所述高精度单分量的标准力传感器的输出值等于目标轴向力为止。

59、11)将所述标准力值砝码组悬挂于所述第一柔性连接机构。

60、12)调整所述标准力值砝码组直至其重力与与目标径向力的差值小于所述标准力值砝码组所能进行的调整的最小力值，并记此时所述标准力值砝码组的总重力为freal。

61、13)记录所述被测传感器对应的输出值，同时修正所述待校准的标准力值点为(freal·cosθadj,freal·sinθadj,fz)。

62、14)重复上述步骤依次校准每一待测校准点，直至所有待测的标准力值点均已完成数据采集。

63、作为优选的，在设计正多边形边数m和n时，应保证所述径向加载模块所包含的所述第一柔性连接机构、所述轴向加载模块所包含所述第二柔性连接机构、所述挠性加载头在任意角度下都不会发生干涉现象。

64、本发明的有益效果是：

65、(1)根据三分量力传感器的工作原理和工作方式，通过对轴向加载模块、径向对加载模块以及次基座和底部夹具几何外形进行精简设计，简化了被测传感器的安装过程，降低了制造成本，保证了分量力的单独精准加载、两两组合加载，实现了不同范围的fx,fy,fz三个正向力的校准，并且各个分量力的加载互不干扰，从而同时实现fx,fy,fz三个分量的组合校准，达到真实反映现实生活中三分量力耦合的状态。

66、(2)本发明基于相位差原理，对底部夹具和次基座进行不同边数的正多变形几何外形设计，提升了被测传感器在其子坐标xy平面上的可检测角度范围，减少了校准装置在径向对加载模块数量的要求或对转向机构的需求，降低了制造成本。

67、(3)通过设置挠性加载头和第二柔性连接机构实现双重解耦机制，确保轴向加载模块不会对被测传感器引入寄生摩擦阻力，达到提升耦合误差测量精度的目的。

技术特征：

1.一种基于高强度纤维材料的三分量力传感器校准装置，其特征在于，以被测传感器的中心为原点建立子直角坐标系，z轴平行于所述被测传感器的纵向设置，x轴或y轴沿重力方向设置，包括：

2.根据权利要求1所述的一种基于高强度纤维材料的三分量力传感器校准装置，其特征在于，所述垂直安装面沿z轴方向延伸出两第一螺纹柱，所述升降平台内部设有适于配合所述第一螺纹柱的第一内螺纹套，所述次基座背部设有第一转轮，所述次基座内部设有第一传动机构，人工转动所述第一转轮使其作为动力源，经所述第一传动机构驱动所述第一螺纹柱转动，进而驱使所述第一内螺纹套带动所述升降平台沿所述第一螺纹轴的轴向往复移动。

3.根据权利要求2所述的一种基于高强度纤维材料的三分量力传感器校准装置，其特征在于，定义一全局直角坐标系，z轴正向沿重力反方向设置，x轴平行于z轴且x轴正向沿z轴正向设置，

4.根据权利要求3所述的一种基于高强度纤维材料的三分量力传感器校准装置，其特征在于，所述夹紧装置包括设置于所述移动横梁顶端的第二转轮，所述移动横梁内部设置有第二传动机构，人工转动所述第二转轮使其作为动力源，通过所述第二传动装置驱动所述第二内螺纹套与所述第二螺纹柱螺纹配合，进而带动所述移动横梁靠近或远离所述次基座。

5.根据权利要求4所述的一种基于高强度纤维材料的三分量力传感器校准装置，其特征在于，

6.根据权利要求5所述的一种基于高强度纤维材料的三分量力传感器校准装置，其特征在于，至少满足下述的其中一条：

7.针对权利要求1-6中任一项所述的一种基于高强度纤维材料的三分量力传感器校准装置的校准方法，其特征在于，当针对被测传感器所在子坐标z向力进行校准时，包括以下步骤：

8.针对权利要求1-6中任一项所述的一种基于高强度纤维材料的三分量力传感器校准装置的校准方法，其特征在于，当针对所述被测传感器所在子坐标的x轴/y轴力进行校准时，包括以下步骤：

9.针对权利要求5-6任一所述的一种基于高强度纤维材料的三分量力传感器校准装置的校准方法，其特征在于，所述底部夹具为正m边形，所述次基座为正n边形，且m≠n，定义第一单元角度α＝2π/m、第二单元角度β＝2π/n，所述径向加载模块在重力作用下无约束下垂时，所述第一柔性连接机构与所述子坐标系中的x轴正向之间适于构成偏转角度θ，所述偏转角度θ在闭区间[0,2π]上可取离散值的集合θ显然是第一单元角度α和第二单元角度β的任意线性组合，即span(α,β)，将集合中第i个偏转角度θi表示为θi＝ci·α+di·β，式中第一单元角度α和第二单元角度β的系数ci和di均属于全体整数集合z。

10.根据权利要求9所述的一种基于高强度纤维材料的三分量力传感器校准装置的校准方法，其特征在于，当针对所述被测传感器在所述子直角坐标系中的任意空间矢量力进行校准时，包括以下步骤：

技术总结
本发明提供了一种三分量力传感器校准装置，包括基座、标准测力平台、升降平台、安装平台、夹具、径向和轴向加载模块。基座由主基座和次基座组成，次基座垂直于主基座。标准测力平台由高精度单分量传感器或轮辐式传感器组成，沿水平轴线周向均布。升降平台可沿轴线移动，支承标准测力平台。安装平台平行于升降平台，用于串联被测传感器和标准测力平台。夹具包括顶部和底部夹具，用于固定传感器。径向加载模块通过砝码组和柔性连接机构施加力值。轴向加载模块包括挠性加载头和柔性连接机构，通过升降平台实现力值加载。本发明通过设置挠性加载头和第二柔性连接机构实现双重解耦机制，确保无寄生摩擦阻力，提高耦合误差测量精度。

技术研发人员：陈稼宁,陈元杰,尹瑞多,谢晓斌,何翔军,闵玥
受保护的技术使用者：浙江省计量科学研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23