一種提升力值加載準確度的小量值脈衝力發生裝置的製作方法

2023-10-27 00:34:57 2

本發明涉及一種脈衝力發生裝置，特別涉及一種提升力值加載準確度的小量值脈衝力發生裝置，屬於動態力學計量技術領域。

背景技術：

脈衝力是在短暫時間間隔內由於力參量急劇變化而激起被作用系統瞬態脈衝運動，並引起系統產生明顯動量變化的一種動態力作用，是一種持續時間很短的瞬態能量交換。在工業領域中的結構加載、零部件測試、碰撞試驗、材料性能試驗、傳感監測以及生物醫學工程等領域中，廣泛存在著各種動態力測量。在各種動態力的測量中，呈現非周期性特點的脈衝力測量最為廣泛，如車輛安全碰撞力、工具機衝壓力、飛行器對接力、爆炸衝擊力、起落架著陸力等。隨著我國工業化進程的快速發展，生產加工能力日趨精密，工業產品生產過程的質量控制對脈衝力測量需求日益多元化，對於小量值脈衝力校準的需求開始逐步顯現，因此需要研製可準確實現小力值加載的脈衝力發生裝置以滿足測量中所使用的壓電類等動態力傳感器靈敏度校準需求。

國內現有的脈衝力發生裝置基本採用沿導向機構下落的錘體與需要校準的力傳感器撞擊的方式產生脈衝力激勵，脈衝力能夠溯源到下落錘體的質量及撞擊過程中錘體的運動加速度。這類裝置結構設計、工作原理簡單，直接採用豎直向下的重力作用於錘體產生脈衝力激勵，並通過改變錘體的豎直位移高度調節脈衝力量值大小。申請號為cn201510909749和cn201120462537等專利所提出的設計就是根據此種工作原理。該類裝置缺點在於整體結構笨重、下落錘體質量較大、可調節位移範圍有限，使得撞擊產生的脈衝力調節不夠精確且量值較大，導致校準結果波動性大、量程下限比較高。德國聯邦物理技術研究院(ptb)研製的採用水平氣浮軸系上兩個質量塊撞擊的方式產生脈衝力，力傳感器所受的脈衝力可溯源到質量和運動加速度，該裝置產生的脈衝力量值不易控制，結構比較複雜。

技術實現要素：

本發明的目的為了改善脈衝力發生裝置整體結構複雜、下落錘體質量較大、可調節位移範圍有限，使得撞擊產生的脈衝力調節不夠精確且量值較大，導致校準結果波動性大、量程下限比較高，提供一種可提升力值加載準確度的小量值脈衝力發生裝置。

本發明的目的是通過以下技術方案實現的。

本發明的一種提升力值加載準確度的小量值脈衝力發生裝置包括裝置基座、氣浮導軌、質量塊釋放擋板移動槽、質量塊釋放擋板鎖止鈕、氣浮導軌傾斜定位孔、鎖止裝置、氣浮導軌傾斜支杆、質量塊釋放擋板、質量塊套組、導軌刻度尺、緩衝墊層套組、傳感器安裝基座、轉動軸。

裝置基座用於向安裝於其上的各個部件提供安裝位置及穩定支撐；

氣浮導軌用於託舉、引導質量塊，使質量塊能夠在重力的分量作用下無摩擦的向氣浮導軌低端自由滑動；

質量塊釋放擋板移動槽用於引導質量塊釋放擋板在氣浮導軌上移動；

質量塊釋放擋板鎖止鈕安裝在質量塊釋放擋板上，用於將已調節到所需位置的質量塊釋放擋板固定在氣浮導軌上；

氣浮導軌傾斜定位孔在氣浮導軌傾斜支杆之上，用於使氣浮導軌實現不同的傾斜角度；

鎖止裝置穿過氣浮導軌傾斜定位孔聯接在氣浮導軌與氣浮導軌傾斜支杆二者之上，用於將已調節到所需傾斜角度後的氣浮導軌固定在氣浮導軌傾斜支杆之上；

氣浮導軌傾斜支杆安裝於裝置基座上，用於支承已調節到所需傾斜角度的氣浮導軌；

質量塊釋放擋板可在氣浮導軌上沿質量塊釋放擋板移動槽移動，用於將質量塊限定在氣浮導軌上所需的位置；

質量塊放置在氣浮導軌之上，用於通過由重力分量產生的向下自由滑動為力傳感器提供校準用的脈衝力；

導軌刻度尺固定安裝於氣浮導軌的側表面，用於指示質量塊在向下滑動時的起始位置；

緩衝墊層與需要校準的力傳感器相配合，安裝於其受力面，用於在發生碰撞時提供緩衝和控制脈衝力的脈寬，避免需要校準的力傳感器受損；

傳感器安裝基座通過轉動軸安裝在裝置基座上，用於安裝需要校準的力傳感器；

轉動軸安裝於裝置基座上，作為氣浮導軌與裝置基座之間夾角的旋轉點。

氣浮導軌傾斜支杆固定安裝在裝置基座的上表面，並且氣浮導軌傾斜支杆上開有多個用於調節氣浮導軌傾斜角度的氣浮導軌傾斜定位孔。轉動軸將裝置基座與傳感器安裝基座相連接，氣浮導軌的一端與傳感器安裝基座固定連接，二者可共同繞轉動軸旋轉。鎖止裝置穿過氣浮導軌傾斜定位孔將氣浮導軌固定在氣浮導軌傾斜支杆上。質量塊釋放擋板可沿質量塊釋放擋板移動槽在氣浮導軌上移動，並可通過質量塊釋放擋板鎖止鈕固定在氣浮導軌上。需要校準的力傳感器通過轉接螺釘剛性連接在傳感器安裝基座的安裝面。在需要校準的力傳感器的受力面上，可根據需要安裝不同軟硬程度及厚度的緩衝墊層，以獲得不同持續時間、不同幅值的脈衝力激勵。質量塊被氣浮導軌託舉，可在傾斜的氣浮導軌上無摩擦的向低端自由滑動。

工作過程：

在傳感器安裝基座上安裝需要校準的力傳感器，連接輸出信號至後端採集設備；將氣浮導軌與其控制器的線纜連接；將提升力值加載準確度的小量值脈衝力發生裝置的裝置基座調整至水平狀態；按照氣浮導軌傾斜定位孔的不同位置，調整氣浮導軌至所需的傾斜角度，通過鎖止裝置將其固定在氣浮導軌傾斜支杆之上；將緩衝墊層安放於力傳感器的受力面；根據導軌刻度尺的位置指示，沿質量塊釋放擋板移動槽調整質量塊釋放擋板至所需位置，並通過質量塊釋放擋板鎖止鈕固定；將質量塊放置在氣浮導軌上的質量塊釋放擋板之後防止其向下自由滑動；開啟氣浮導軌的氣浮功能，將質量塊通過氣膜託舉；開啟質量塊釋放擋板，質量塊在重力的分量作用下沿氣浮導軌向下自由滑動，向下自由滑動的質量塊與需要校準的力傳感器受力面之上的緩衝墊層發生碰撞，在二者撞擊過程中產生類似半正弦加速度，並施加脈衝力於需要校準的力傳感器受力面上。

作為優選，所述質量塊套組可由多個不同材料、尺寸的的質量塊組成，質量塊的材料應滿足剛度及硬度較大的條件。

作為優選，質量塊的受力面可採用平面、外弧面、錐面等不同的結構。

作為優選，可以在需要校準的力傳感器受力面上安裝不同軟硬程度及厚度的若干個緩衝墊層，獲得不同持續時間、不同幅值的脈衝力激勵。

作為優選，傳感器安裝基座的傳感器安裝面與氣浮導軌的承載面之間相互垂直。

作為優選，氣浮導軌對於質量塊的託舉方式也可採用磁懸浮方法實現。

作為優選，為實現所述裝置的精確校準，通過機械加工精度及所述氣浮導軌、傳感器安裝基座保證所述質量塊與需要校準的力傳感器撞擊的對中性。

作為優選，通過調整所述氣浮導軌與裝置基座之間的傾斜夾角，質量塊在滑動導軌上的初始位置來改變質量塊的等效提升高度，獲得不同持續時間、不同幅值的脈衝力激勵。

作為優選，裝置基座上可附有一組「位置-高度-力值對應表」以方便本裝置使用人員快速的対裝置進行調節。

在初始狀態時，根據平行四邊形定則，質量塊所受到的豎直向下的重力的分量如式(1)：

fs＝m×g×sinθ＝g×sinθ(1)

式中：fs--質量塊所受的豎直向下的重力的分量；

m--質量塊的質量；

g--重力加速度；

θ--氣浮導軌與裝置基座之間的夾角

g--質量塊在豎直向下方向受到的重力

撞擊過程產生近似半正弦的脈衝加速度運動，通過已知質量的質量塊作用於需要校準的力傳感器，對其產生脈衝力激勵。對該提升力值加載準確度的脈衝力校準裝置建立簡化脈衝力模型如式(2)：

f＝m×a(2)

式中：f--力傳感器所受的脈衝力；

m--質量塊的質量；

a--質量塊作用於力傳感器時的加速度；

有益效果

本發明技術方案與現有技術相比，具有如下特點:

(1)通過改變現有脈衝力發生裝置直接採用豎直向下的重力產生脈衝力激勵的方法，變為根據力的平行四邊形定則，採用豎直向下的重力的分量作用於質量塊產生脈衝力激勵；並通過改變氣浮導軌的傾斜角度和放置其上的質量塊位移距離來調節脈衝力量值；使得可調節位移範圍增大，從而有效提升了所施加脈衝力的加載準確度和和降低了校準量程下限。

(2)通過機械加工工藝和精度的保證，利用傳感器安裝基座12和氣浮導軌2的精密裝配及需要校準的力傳感器14的安裝，使校準裝置所產生脈衝力具有良好的垂直度和對中性。

(3)通過改變質量塊9的材質、體積，改變質量塊9與需要校準的力傳感器14的等效提升高度差或緩衝墊層11的材料、厚度、數量，可用多種方法容易、快速的調整脈衝力幅值和波形。

附圖說明：

圖1-為本發明實施例的一種提升力值加載準確度的小量值脈衝力發生裝置結構示意圖。

其中：1-裝置基座、2-氣浮導軌、3-質量塊釋放擋板移動槽、4-質量塊釋放擋板鎖止鈕、5-氣浮導軌傾斜定位孔、6-鎖止裝置、7-氣浮導軌傾斜支杆、8-質量塊釋放擋板、9-質量塊、10-導軌刻度尺、11-緩衝墊層、12-傳感器安裝基座、13-轉動軸、14-需要校準的力傳感器。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明。

一種提升力值加載準確度的小量值脈衝力發生裝置的結構如圖1所示，主要包括裝置基座1、氣浮導軌2、質量塊釋放擋板移動槽3、質量塊釋放擋板鎖止鈕4、氣浮導軌傾斜定位孔5、鎖止裝置6、氣浮導軌傾斜支杆7、質量塊釋放擋板8、質量塊9套組、導軌刻度尺10、緩衝墊層11套組、傳感器安裝基座12、轉動軸13。氣浮導軌傾斜支杆7固定安裝在裝置基座1的上表面，並且氣浮導軌傾斜支杆7上開有多個用於調節氣浮導軌2傾斜角度的氣浮導軌傾斜定位孔5。轉動軸13將裝置基座1與傳感器安裝基座12相連接，氣浮導軌2的一端與傳感器安裝基座12固定連接，二者可共同繞轉動軸13旋轉。鎖止裝置6穿過氣浮導軌傾斜定位孔(5)將氣浮導軌2固定在氣浮導軌傾斜支杆7上。質量塊釋放擋板8可沿質量塊釋放擋板移動槽3在氣浮導軌2上移動，並可通過質量塊釋放擋板鎖止鈕4固定在氣浮導軌2上。需要校準的力傳感器14通過轉接螺釘剛性連接在傳感器安裝基座12的安裝面。在需要校準的力傳感器14的受力面上，可根據需要安裝不同軟硬程度及厚度的緩衝墊層11，以獲得不同持續時間、不同幅值的脈衝力激勵。質量塊9被氣浮導軌2託舉，可在傾斜的氣浮導軌2上無摩擦的向低端自由滑動。

在本實施例中，通過調整氣浮導軌2與裝置基座1之間的傾斜夾角，質量塊9在滑動導軌2上的初始位置來改變質量塊9的等效提升高度，質量塊9與需要校準的力傳感器14的高度差將影響所施加脈衝力的量值大小。在質量塊9與需要校準的力傳感器14發生碰撞時，對施加在力傳感器14受力面上的半正弦衝力，可通過增加或更換不同的緩衝墊層11調整脈衝力的波形。

本實施例的提升力值加載準確度的的小量值脈衝力發生裝置產生的脈衝力幅值和脈寬主要受質量塊9的質量、質量塊9和需要校準的力傳感器14的高度差以及緩衝墊層11等因素影響，通過配置多個不同材質、體積的質量塊9產生不同幅值的脈衝力，不同材料、厚度、數量的緩衝墊層11決定脈衝力波形的持續時間；緩衝墊層11選用彈性材料，保證碰撞過程近似完全彈性碰撞，避免塑性形變；通過改變質量塊9和需要校準的力傳感器14的高度差，調節每一質量塊9的脈衝力幅值。

由於提升力值加載準確度的的小量值脈衝力發生裝置在使用中，質量塊9與需要校準的力傳感器14的碰撞位置對測量結果存在影響，因此需要通過精密機械加工和精密裝配實現傳感器安裝基座12的傳感器安裝面與氣浮導軌2承載面之間的垂直，從而保證質量塊9與需要校準的力傳感器14撞擊的對中性，減小碰撞位置偏移對測量結果造成的影響。

在本實施例中，通過對質量塊9與需要校準的力傳感器14碰撞過程進行測量，可得到脈衝力施加過程中質量塊9的運動加速度，計算後得出碰撞過程產生的脈衝力幅值。將該脈衝力幅值與需要校準的力傳感器14的輸出進行比較，就可得出被校準傳感器的靈敏度。對質量塊9的運動加速度可通過雷射幹涉儀等設備測量得到。