基于微小负阶跃力的微力传感器动态标定系统及方法技术方案

本申请公开一种基于微小负阶跃力的微力传感器动态标定系统，包括微小负阶跃力信号发生与调节装置、传感器固定与调节装置、信号放大与采集装置。所述微小负阶跃力信号发生与调节装置包括电磁发射装置、静载装置和弹止装置；所述微小负阶跃力信号发生与调节装置通过所述静载装置与所述传感器固定与调节装置连接；所述传感器固定与调节装置通过同轴电缆和所述信号放大与采集装置连接；所述电磁发射装置包括充放电回路和发射轨道，所述充放电回路包括充电电压可调电容组、整流桥路、触点开关、充电开关和电磁线圈；所述电磁线圈内嵌于所述发射轨道内或紧密缠绕在所述发射轨道外。本申请还公开一种基于微小负阶跃力的微力传感器动态标定方法。

【技术实现步骤摘要】

本申请涉及动态冲激实验力学
，具体地说，涉及一种。
技术介绍
随着纤维、薄膜等低维材料应用领域越来越广，对其动态力学性能的表征越来越迫切，其中在动态力学性能表征中广泛使用的压电式微力传感器的动态标定技术正受到越来越多的关注。目前对压电式力传感器动态标定主要采用正阶跃力信号标定和利用负阶跃力信号标定两大类。其中落锤标定系统(如:CN 102401707 A)以落锤试验机作为传感器激励装置，由落锤试验机产生正阶跃力信号对传感器进行标定。气动冲击法动态标定系统(如:北京理工大学，张训文等，气动冲击法动态标定系统)，基于气动冲击原理，结合变截面放大原理和材料动态断裂，实现正阶跃力信号的产生，以此为激励实现传感器标定。基于材料动态断裂的负阶跃力信号的标定系统，包括如压断(如:浙江大学，魏燕定等，标准负阶跃力的实现及其测量研究)与预压-冲断(如:浙江大学，陈辉等，一种新型的大力值，宽频带的负阶跃力产生方法)方案，以及基于钢丝绳快速切断装置(如:中国石油大学，刘广孚等，车轮力传感器的侧向力动态标定)的负阶跃动态标定系统。此类方法预先施加静载，通过材料脆断或剪断装置实现负阶跃力信号的产生，由脆断材料不同尺寸的设计实现不同大小负阶跃力信号的调节。上述标定方法中，落锤系统装置体积庞大；气动冲击法装置复杂，噪声大；材料脆断法中脆断材料为一次性设计，设计复杂，标定实验无法重复；钢丝绳快速切断法稳定性差、可重复性差。另外，以上标定方法由于提供的载荷较大，难以实现微力传感器的动态标定。综上所述，如何研制与发展一种可精确提供微小动态载荷，同时重复性好、稳定性高、噪声小、高精度的压电式微力传感器动态标定系统与技术成为亟待解决的技术问题。
技术实现思路
有鉴于此，本申请所要解决的技术问题是提供了一种，可精确产生微小负阶跃力，且重复性好、稳定性高、噪声小、结构紧凑、简单实用、精度高，能够解决材料动态拉伸实验中，尤其是薄膜或纤维材料动态拉伸实验中的微力传感器动态标定问题。为了解决上述技术问题，本申请有如下技术方案:—种基于微小负阶跃力的微力传感器动态标定系统，其特征在于，包括:微小负阶跃力信号发生与调节装置、传感器固定与调节装置、信号放大与采集装置， 所述微小负阶跃力信号发生与调节装置包括电磁发射装置、静载装置和弹止装置； 所述微小负阶跃力信号发生与调节装置通过所述静载装置与所述传感器固定与调节装置连接；所述传感器固定与调节装置通过同轴电缆和所述信号放大与采集装置连接； 所述电磁发射装置包括充放电回路和发射轨道，所述充放电回路包括充电电压可调电容组、整流桥路、触点开关、充电开关和电磁线圈；所述电磁线圈内嵌于所述发射轨道内或紧密缠绕在所述发射轨道外。 优选地，其中，所述发射轨道是由低摩擦系数、非导磁、非导电材料制成的圆柱形中空管道，所述发射轨道上端外表面制作螺纹，下端开有用于装卸电磁砝码的对称开口。优选地，其中，所述弹止装置包括弹止轨道、调节螺母、弹簧、卡扣、中心通孔和径向通孔；所述弹止轨道中心沿轴线方向包含内侧带中心螺纹的变截面的中心通孔，所述发射轨道与所述弹止轨道通过所述中心通孔上的中心螺纹对接；所述弹止轨道周向对称设计有两个带特定长度内螺纹的等截面通孔，所述弹簧和所述卡扣置于该周向等截面通孔中，所述调节螺母通过该周向等截面通孔的内螺纹与所述弹止轨道以及所述弹簧连接；所述弹簧与所述调节螺母通过球铰链铰接并与所述卡扣的平端面一端刚接，所述卡扣另一端为朝下倾斜的斜截面。优选地，其中，所述弹止轨道的中心通孔为变截面通孔。优选地，其中，所述静载装置包括电磁砝码和静载细线，所述电磁砝码是由高磁导率材料制成的不同质量相同形状的砝码，所述电磁砝码的头部设计成梯形锥状砝码帽，所述静载细线由砝码帽连接砝码；所述静载细线一端连接到所述传感器固定与调节装置的安装与调节螺母上，另一端贯穿弹止轨道和所述电磁发射轨道，并连接所述电磁砝码；所述静载细线是由密度较小的柔性材料制成的细丝；标定实验前，所述电磁砝码通过所述静载细线连接并悬置于所述发射轨道中，并与所述发射轨道同轴。优选地，其中，标定实验时，所述悬置的电磁砝码被发射到所述弹止装置内，由卡扣卡死固定。优选地，其中，所述传感器固定与调节装置包括安装与调节螺母和待标定的压电式微力传感器，所述安装与调节螺母的一端带有螺纹，另一端中心带有接线孔；所述安装与调节螺母与所述待标定的压电式微力传感器通过螺纹串联连接；所述静载细线通过所述接线孔固定连接在所述安装与调节螺母上。本专利技术还提供一种基于微小负阶跃力的微力传感器动态标定系统进行的标定方法，其特征在于，包括:一次标定实验前:优选合适质量的电磁砝码，用静载细线连接并悬置于发射轨道内，与发射轨道同轴；所述电磁砝码在重力作用下对待标定的压电式微力传感器产生一向下作用力，此时，待标定的压电式微力传感器产生一个微小的且不规律的正阶跃力信号，该信号将迅速衰减为零；—次标定实验时:优选合适的电压给充电电压可调电容组充电，充电完成后，触点开关开启，电磁砝码在电磁线圈产生的脉冲磁力作用下沿电磁轨道发射出去，迅速进入弹止轨道，并被卡扣卡死；此时，待标定的压电式微力传感器原先承受的电磁砝码的重力迅速消失，瞬间产生一个微小的且精确的负阶跃力信号，该负阶跃力大小等于电磁砝码的重力，该负阶跃力在时间轴上将长久稳定存在；—次标定实验后:旋开弹止轨道内调节螺母连接的卡扣，电磁砝码被释放下来；在发射轨道下端的开口处更换不同质量的电磁砝码，重复以上三步标定实验，执行不同大小负阶跃力信号的标定。与现有技术相比，本申请所述的系统及方法，达到了如下效果:第一，由于应用于动态测量的压电式微力传感器的主要缺点(或特点)之一是不可避免的将作用于其上的静态力信号快速衰减为零，而动态力信号随时间变化可以长久记录下来。本专利技术将充分利用该缺点(或特点)，将缺点转化为优点，利用压电式微力传感器悬挂一电磁砝码，电磁砝码的重力这一静态力信号产生的正阶跃力快速衰减为零，当采用电磁发射技术竖直向上发射该悬挂的电磁砝码，电磁砝码被发射的同时与之相连的压电式微力传感器原先受到的已经衰减为零的正阶跃力信号将迅速转变为精确的微小负阶跃力信号，且该负阶跃力大小等于电磁砝码的重力，方向相反。因电磁砝码被发射出去而在弹止轨道内被卡死固定，从而该负阶跃力可在时间轴上长久稳定的存在。可见，本专利技术提出的系统和技术具有巧妙当前第1页1 2 3 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于微小负阶跃力的微力传感器动态标定系统，其特征在于，包括：微小负阶跃力信号发生与调节装置、传感器固定与调节装置、信号放大与采集装置，所述微小负阶跃力信号发生与调节装置包括电磁发射装置、静载装置和弹止装置；所述微小负阶跃力信号发生与调节装置通过所述静载装置与所述传感器固定与调节装置连接；所述传感器固定与调节装置通过同轴电缆和所述信号放大与采集装置连接；所述电磁发射装置包括充放电回路和发射轨道，所述充放电回路包括充电电压可调电容组、整流桥路、触点开关、充电开关和电磁线圈；所述电磁线圈内嵌于所述发射轨道内或紧密缠绕在所述发射轨道外。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：刘战伟，董杰，刘爽，花韬，谢惠民，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京;11