一种基于线圈模块的电磁力测量装置及其测量方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及电磁力测量技术领域，具体为一种基于线圈模块的电磁力测量装置及其测量方法，电磁力测量装置包括支撑机构、转动件、多个永磁体、线圈模块、多个力传感器和外骨架；转动件转动连接在所述支撑机构上，多个永磁体安装在转动件的外圈上；线圈模块通过外骨架安装在转动件的底部边缘位置，多个永磁体在转动件转动过程中从线圈模块的内侧穿过；多个力传感器安装在线圈模块和外骨架之间，用于测量线圈模块与外骨架之间的作用力。本发明专利技术设立了多个三维力传感器，多个三维力传感器通过最小二乘法在多个方向上进行标定，标定后多个三维力传感器测量误差低，本发明专利技术借助标定好的多个三维力传感器基进行电磁力测量，提高了电磁力的测量精度。精度。精度。

【技术实现步骤摘要】
一种基于线圈模块的电磁力测量装置及其测量方法


[0001]本专利技术涉及电磁力测量
，特别涉及一种基于线圈模块的电磁力测量装置及其测量方法。

技术介绍

[0002]按照轨道的不同形式，电动悬浮结构可以分为连续型结构和离散型结构。线圈式结构是一种典型的离散型电动悬浮结构，其中尤以8字形零磁通线圈，简称八字线圈，得到研究人员的重视。该结构由Danby和Powell在二十世纪六十年代提出。
[0003]离散型电动悬浮系统中，电磁力是一种分布力，很难用一种标准信号去表征其电磁力，这就加大了力传感器的标定难度，同时也增大了力传感器的测量误差，降低了电磁力测量精度。

技术实现思路

[0004]本专利技术提供了一种基于线圈模块的电磁力测量装置及其测量方法，以解决现有技术中电磁力测量精度低的技术问题。
[0005]为达到上述目的，本专利技术的技术方案是这样实现的：
[0006]本专利技术提供了一种基于线圈模块的电磁力测量装置，包括支撑机构、转动件、多个永磁体、线圈模块、多个力传感器和外骨架；
[0007]所述转动件转动连接在所述支撑机构上，多个所述永磁体安装在所述转动件的外圈上；
[0008]所述线圈模块通过所述外骨架安装在所述转动件的底部边缘位置，多个所述永磁体在所述转动件转动过程中从所述线圈模块的内侧穿过；
[0009]多个所述力传感器安装在所述线圈模块和所述外骨架之间，用于测量所述线圈模块与所述外骨架之间的作用力。
[0010]优选的，所述线圈模块包括多个牵引线圈、多个八字线圈和内骨架；多个所述牵引线圈和多个所述八字线圈均分成两组，并对称设置在所述转动件的前后两侧；所述牵引线圈通过同组内的所述八字线圈安装在所述内骨架的内侧，多个所述牵引线圈均位于贴近所述转动件边缘的一侧；
[0011]所述内骨架包括第一内支架和第二内支架，所述外骨架包括第一外支架和第二外支架，多个所述力传感器均分成两组，所述第一内支架、所述第二内支架分别通过两组所述力传感器安装在所述第一外支架的内侧、所述第二外支架的内侧。
[0012]优选的，所述牵引线圈的数量为两个，所述八字线圈的数量为六个。
[0013]优选的，所述转动件包括转盘和轮毂，所述转盘呈圆柱形且转动连接在所述支撑机构上，所述轮毂固定套装在所述转盘的外圈上，多个所述永磁体安装在所述轮毂的前后侧。
[0014]优选的，所述电磁力测量装置还包括位置调节机构，所述位置调节机构安装在所
述外骨架的底部，所述位置调节机构用于调节所述外骨架的位置。
[0015]所述力传感器的数量为六个，两组所述力传感器分别安装在所述线圈模块的前侧和后侧，多个所述力传感器均选用三维力传感器。
[0016]本专利技术另一方面还提供一种基于线圈模块的电磁力测量方法，使用以上所述的电磁力测量装置进行电磁力测量，其具体包括如下步骤：
[0017]步骤S1、搭建电磁力测量装置，并使用位置调节机构对线圈模块和外骨架进行位置固定；
[0018]步骤S2、结合砝码并利用最小二乘法对多个力传感器在悬浮方向上进行标定；
[0019]步骤S3、结合砝码并利用最小二乘法对多个力传感器在牵引方向上进行标定；
[0020]步骤S4、结合砝码并利用最小二乘法对多个力传感器在导向方向上进行标定，得到标定后的多个力传感器；
[0021]步骤S5、使用标定完成的多个力传感器对线圈模块和多个永磁体之间的电磁力进行测量。
[0022]优选的，所述步骤S2具体包含如下步骤：
[0023]步骤S21、首先对第一内支架上的三个力传感器在悬浮方向上进行标定，即首先在第一内支架的上表面选定a1个不同的位置点；在一个位置点上放置不同质量的b1种砝码，同时记录放置不同砝码时各个力传感器的输出值，a1个位置点依次进行以上操作，得到力传感器输出的m1组数据，m1＝a1×
b1；
[0024]步骤S22、借助最小二乘法构建多变量输入单变量输出的悬浮方向线性函数，悬浮方向线性函数具体为：
[0025]y
i
＝X
i
ω
z
＝ω
z,1
x
i,1+
ω
z,2
x
i,2
+
…
ω
z,n
x
i,n
+ω
z,n+1
[0026]其中i＝1,2,
…
,m1，i表示为三维力传感器输出数据的组数；x
i,1 x
i,2
ꢀ…ꢀ
x
i,n
均为三维力传感器的n位输出值，位数输出值表示为：位数＝传感器维数
×
传感器个数，X
i
＝[x
i,1 x
i,2
ꢀ…ꢀ
x
i,n 1]为由三维力传感器的输出值构成的向量，其作为悬浮方向线性函数的输入，y
i
为该次测量所放砝码的实际重量，作为悬浮方向线性函数的输出，为悬浮方向修正矩阵；其中ω
z,n+1
为悬浮方向修正矩阵中的元素，表示悬浮方向线性函数中第n+1个常数项；
[0027]步骤S23、定义第一损失函数L
z
，具体为：
[0028][0029]其中X表示由X
i
构成的m1×
(n+1)维矩阵；y表示由y
i
构成的m1维向量，上标T表示矩阵的转置；
[0030]步骤S24、求解第一损失函数L
z
最小化时ω
z
的值，利用ω
z
的值对三个三维力传感器在悬浮方向上的输出数据进行修订，实现在悬浮方向上对第一内支架上的三个三维力传感器进行标定；
[0031]步骤S25、采用步骤S21至步骤S24同样的方式对第二内支架上的三个三维力传感器在悬浮方向上标定，实现在悬浮方向上对六个三维力传感器进行标定。
[0032]优选的，所述步骤S3具体包含如下步骤：
[0033]步骤S31、首先对第一内支架上的三个力传感器在牵引方向上进行标定，即首先在第一内支架的左右两侧面上选择a2个不同位置点，利用定滑轮和连接绳将砝码的重量加在线圈模块的牵引方向上，连接绳的一端与砝码固定连接，另一端固定连接在线圈模块上，依次更换不同的b2种砝码，共进行m2＝a2×
b2次测量，得到m2组数据，在选择不同位置时，连接绳与线圈模块相连的一端应平行于y轴，y轴即线圈模块的前侧面和底面的交叉线所在的轴线，以确保砝码的重量完全作用在牵引方向上；
[0034]步骤S32、借助最小二乘法构建多变量输入单变量输出的牵引方向线性函数，牵引方向线性函数具体为：
[0035]y
i
＝X
i
ω
y
＝ω
y,1
x
i,1+
ω...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于线圈模块的电磁力测量装置，其特征在于：包括支撑机构(1)、转动件(2)、多个永磁体(3)、线圈模块(4)、多个力传感器(5)和外骨架(6)；所述转动件(2)转动连接在所述支撑机构(1)上，多个所述永磁体(3)安装在所述转动件(2)的外圈上；所述线圈模块(4)通过所述外骨架(6)安装在所述转动件(2)的底部边缘位置，多个所述永磁体(3)在所述转动件(2)转动过程中从所述线圈模块(4)的内侧穿过；多个所述力传感器(5)安装在所述线圈模块(4)和所述外骨架(6)之间，用于测量所述线圈模块(4)与所述外骨架(6)之间的作用力。2.根据权利要求1所述的电磁力测量装置，其特征在于，所述转动件(2)包括转盘(21)和轮毂(22)，所述转盘(21)呈圆柱形且转动连接在所述支撑机构(1)上，所述轮毂(22)固定套装在所述转盘(21)的外圈上，多个所述永磁体(3)安装在所述轮毂(22)的前后侧。3.根据权利要求1所述的电磁力测量装置，其特征在于，还包括位置调节机构(7)，所述位置调节机构(7)安装在所述外骨架(6)的底部，所述位置调节机构(7)用于调节所述外骨架(6)的位置。4.根据权利要求1或3所述的电磁力测量装置，其特征在于，所述线圈模块(4)包括多个牵引线圈(41)、多个八字线圈(42)和内骨架(43)；多个所述牵引线圈(41)和多个所述八字线圈(42)均分成两组，并对称设置在所述转动件(2)的前后两侧；所述牵引线圈(41)通过同组内的所述八字线圈(42)安装在所述内骨架(6)的内侧，多个所述牵引线圈(41)均位于贴近所述转动件(2)边缘的一侧；所述内骨架(43)包括第一内支架和第二内支架，所述外骨架(6)包括第一外支架和第二外支架，多个所述力传感器(5)均分成两组，所述第一内支架、所述第二内支架分别通过两组所述力传感器(5)安装在所述第一外支架的内侧、所述第二外支架的内侧。5.根据权利要求4所述的电磁力测量装置，其特征在于，所述牵引线圈(41)的数量为两个，所述八字线圈(42)的数量为六个。6.根据权利要求5所述的电磁力测量装置，其特征在于，所述力传感器(5)的数量为六个，两组所述力传感器(5)分别安装在所述线圈模块(4)的前侧和后侧，多个所述力传感器(5)均选用三维力传感器。7.一种基于线圈模块的电磁力测量方法，其特征在于，使用权利要求6所述的电磁力测量装置进行电磁力测量，其具体包括如下步骤：步骤S1、搭建电磁力测量装置，并使用位置调节机构(7)对线圈模块(4)和外骨架(6)进行位置固定；步骤S2、结合砝码并利用最小二乘法对多个力传感器(5)在悬浮方向上进行标定；步骤S3、结合砝码并利用最小二乘法对多个力传感器(5)在牵引方向上进行标定；步骤S4、结合砝码并利用最小二乘法对多个力传感器(5)在导向方向上进行标定，得到标定后的多个力传感器(5)；步骤S5、使用标定完成的多个力传感器(5)对线圈模块(4)和多个永磁体(3)之间的电磁力进行测量。8.根据权利要求7所述的电磁力测量方法，其特征在于，所述步骤S2具体包含如下步骤：
步骤S21、首先对第一内支架上的三个力传感器(5)在悬浮方向上进行标定，即首先在第一内支架的上表面选定a1个不同的位置点；在一个位置点上放置不同质量的b1种砝码，同时记录放置不同砝码时各个力传感器(5)的输出值，a1个位置点依次进行以上操作，得到力传感器(5)输出的m1组数据，m1＝a1×
b1；步骤S22、借助最小二乘法构建多变量输入单变量输出的悬浮方向线性函数，悬浮方向线性函数具体为：y
i
＝X
i
ω
z
＝ω
z,1
x
i,1+
ω
z,2
x
i,2
+...ω
z,n
x
i,n
+ω
z,n+1
其中i＝1,2,
…
,m1，i表示为力传感器(5)输出数据的组数，力传感器(5)选用三维力传感器；x
i,1 x
i,2
…
x
i,n
均为三维力传感器的n位输出值，位数输出值表示为：位数＝传感器维数
×
传感器个数，X
i
＝[x
i,1 x
i,2
...x
i,n 1]为由三维力传感器的输出值构成的向量，其作为悬浮方向线性函数的输入，y
i
为该次测量所放砝码的实际重量，作为悬浮方向线性函数的输出，为悬浮方向修正矩阵，其中ω
z,n+1
为悬浮方向修正矩阵中的元素，表示悬浮方向线性函数...

【专利技术属性】
技术研发人员：李杰，刘铭鑫，谭亦秋，周丹峰，陈强，余佩倡，贾真，冷鹏，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：