全文摘要
本发明公开了一种失重环境下的拉力传感器静态标定装置及方法。装置包括底盘和安装在底盘上的外壳；刻度盘通过支撑柱固定于底盘上，刻度盘的上表面设有刻度尺；转轴贯穿底盘和刻度盘且通过轴承与底盘和刻度盘连接，转轴的下端带有第一齿轮；伺服电机安装在底盘上，其输出轴上带有第二齿轮，该第二齿轮与第一齿轮垂直且互相咬合；转轴上连接有微调臂，该微调臂位于刻度盘的上方且与刻度盘存在间距，微调臂的一端通过细绳连接待标定的拉力传感器的一端，拉力传感器的另一端通过细绳连接标准质量配重，微调臂上设有调节微调臂伸缩长度的微调旋钮，在微调臂的对侧设置一根平衡梁。本发明解决了失重环境下传统标定方法不再适用的问题。
主设计要求
1.一种失重环境下的拉力传感器静态标定装置，其特征在于：包括底盘和安装在底盘上的外壳；刻度盘通过支撑柱固定于底盘上，刻度盘的上表面设有刻度尺；转轴贯穿底盘和刻度盘且通过轴承与底盘和刻度盘连接，该转轴能够自由旋转，且转轴的下端带有第一齿轮；伺服电机安装在底盘上，其输出轴上带有第二齿轮，该第二齿轮与第一齿轮垂直且互相咬合；转轴上连接有微调臂，且旋转过程中两者不发生相对滑动，该微调臂位于刻度盘的上方且与刻度盘存在间距，微调臂的一端通过细绳连接待标定的拉力传感器的一端，拉力传感器的另一端通过细绳连接标准质量配重，微调臂上设有微调旋钮，用于调节微调臂的伸缩长度；标准质量配重的外形呈菱形块，其较长的对角线与微调臂垂直，其质心处于这条较长的对角线上；在微调臂的对侧设置一根平衡梁，该平衡梁的一端与微调臂的一端相连于转轴处，用于平衡旋转过程中拉力传感器和标准质量配重对转轴产生的拉力；在外壳上表面的两端之间设有一根横梁，转轴贯穿该横梁并通过轴承与该横梁连接。
设计方案
1.一种失重环境下的拉力传感器静态标定装置，其特征在于：包括底盘和安装在底盘上的外壳；刻度盘通过支撑柱固定于底盘上，刻度盘的上表面设有刻度尺；转轴贯穿底盘和刻度盘且通过轴承与底盘和刻度盘连接，该转轴能够自由旋转，且转轴的下端带有第一齿轮；伺服电机安装在底盘上，其输出轴上带有第二齿轮，该第二齿轮与第一齿轮垂直且互相咬合；转轴上连接有微调臂，且旋转过程中两者不发生相对滑动，该微调臂位于刻度盘的上方且与刻度盘存在间距，微调臂的一端通过细绳连接待标定的拉力传感器的一端，拉力传感器的另一端通过细绳连接标准质量配重，微调臂上设有微调旋钮，用于调节微调臂的伸缩长度；标准质量配重的外形呈菱形块，其较长的对角线与微调臂垂直，其质心处于这条较长的对角线上；在微调臂的对侧设置一根平衡梁，该平衡梁的一端与微调臂的一端相连于转轴处，用于平衡旋转过程中拉力传感器和标准质量配重对转轴产生的拉力；在外壳上表面的两端之间设有一根横梁，转轴贯穿该横梁并通过轴承与该横梁连接。
2.根据权利要求1所述失重环境下的拉力传感器静态标定装置，其特征在于：转轴为空心圆柱，转轴的顶端设有滑环，转轴的侧面开有小孔，拉力传感器的电缆线沿着微调臂穿过小孔进入转轴内部，并与转轴顶端的滑环连接，再通过电刷将电缆线引出，横梁上开有凹槽，引出的电缆线沿着横梁上的凹槽引至装置外。
3.根据权利要求1所述失重环境下的拉力传感器静态标定装置，其特征在于：平衡梁的质量应接近或等于标准质量配重与拉力传感器的质量之和。
4.根据权利要求1所述失重环境下的拉力传感器静态标定装置，其特征在于：与拉力传感器相连的细绳采用受拉伸不易变形且强度足够的钢丝绳。
5.根据权利要求1所述失重环境下的拉力传感器静态标定装置，其特征在于：伺服电机的最大转速为10πrad\/s。
6.根据权利要求5所述失重环境下的拉力传感器静态标定装置，其特征在于：第一齿轮与第二齿轮的齿数之比为4，则转轴的最大转速为40πrad\/s。
7.基于权利要求1所述失重环境下的拉力传感器静态标定装置的拉力传感器静态标定方法，其特征在于，步骤如下：
(1)首先将待标定的拉力传感器连接在微调臂的一端，且拉力传感器不连接标准质量配重；拉紧拉力传感器，保持与刻度盘平行，通过微调旋钮调节微调臂，使得拉力传感器处于刻度盘合适位置，为后续加标准质量配重进行标定留下足够的空间；控制伺服电机以转速ω0<\/sub>转动，在伺服电机的驱动下，拉力传感器随转轴在平行于刻度盘的平面内做匀速圆周运动，记录此时拉力传感器的输出电压为V1<\/sub>；
(2)选择质量已知为m2<\/sub>的标准质量配重，并将其连接在拉力传感器上，拉紧标准质量配重，保持与刻度盘平行，读出此时标准质量配重的较长对角线在刻度尺上的位置r2<\/sub>，再控制伺服电机以转速ω0<\/sub>转动，使拉力传感器和标准质量配重随转轴在平行于刻度盘的平面内做转速为ω0<\/sub>′的匀速圆周运动，记录此时拉力传感器的输出电压V；
(3)记Δ＝m1<\/sub>r1<\/sub>，其中m1<\/sub>和r1<\/sub>分别为拉力传感器自身在旋转过程中对敏感元件产生作用力的部分的等效质量和等效质心在刻度尺上的位置，计算Δ：
设计说明书
技术领域
本发明属于计量校准技术领域，特别涉及了一种失重环境下的拉力传感器静态标定装置及方法。
背景技术
拉力传感器在空间站或者宇宙飞船上的使用十分广泛，而这些拉力传感器的精度会随着使用时间和温度变化而变化，时间久了，传感器会发生一定的漂移，这时候就要对其进行标定。在地面时，常采用施加不同质量砝码产生相应标准力的方法，对拉力传感器进行静态标定。而在宇宙飞船或者空间站等失重环境下，该方法就不再适用了。
发明内容
为了解决失重环境下传统标定方法不再适用的问题，本发明提出了一种失重环境下的拉力传感器静态标定装置及方法。
为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：
一种失重环境下的拉力传感器静态标定装置，包括底盘和安装在底盘上的外壳；刻度盘通过支撑柱固定于底盘上，刻度盘的上表面设有刻度尺；转轴贯穿底盘和刻度盘且通过轴承与底盘和刻度盘连接，该转轴能够自由旋转，且转轴的下端带有第一齿轮；伺服电机安装在底盘上，其输出轴上带有第二齿轮，该第二齿轮与第一齿轮垂直且互相咬合；转轴上连接有微调臂，且旋转过程中两者不发生相对滑动，该微调臂位于刻度盘的上方且与刻度盘存在间距，微调臂的一端通过细绳连接待标定的拉力传感器的一端，拉力传感器的另一端通过细绳连接标准质量配重，微调臂上设有微调旋钮，用于调节微调臂的伸缩长度；标准质量配重的外形呈菱形块，其较长的对角线与微调臂垂直，其质心处于这条较长的对角线上；在微调臂的对侧设置一根平衡梁，该平衡梁的一端与微调臂的一端相连于转轴处，用于平衡旋转过程中拉力传感器和标准质量配重对转轴产生的拉力。
进一步地，在外壳上表面的两端之间设有一根横梁，转轴贯穿该横梁并通过轴承与该横梁连接。
进一步地，转轴为空心圆柱，转轴的顶端设有滑环，转轴的侧面开有小孔，拉力传感器的电缆线沿着微调臂穿过小孔进入转轴内部，并与转轴顶端的滑环连接，再通过电刷将电缆线引出，横梁上开有凹槽，引出的电缆线沿着横梁上的凹槽引至装置外。
进一步地，平衡梁的质量应接近或等于标准质量配重与拉力传感器的质量之和。
进一步地，与拉力传感器相连的细绳采用受拉伸不易变形且强度足够的钢丝绳。
进一步地，伺服电机的最大转速为10πrad\/s。
进一步地，第一齿轮与第二齿轮的齿数之比为4，则转轴的最大转速为40πrad\/s。
基于上述失重环境下的拉力传感器静态标定装置的拉力传感器静态标定方法，步骤如下：
(1)首先将待标定的拉力传感器连接在微调臂的一端，且拉力传感器不连接标准质量配重；拉紧拉力传感器，保持与刻度盘平行，通过微调旋钮调节微调臂，使得拉力传感器处于刻度盘合适位置，为后续加标准质量配重进行标定留下足够的空间；控制伺服电机以转速ω0<\/sub>转动，在伺服电机的驱动下，拉力传感器随转轴在平行于刻度盘的平面内做匀速圆周运动，记录此时拉力传感器的输出电压为V1<\/sub>；
(2)选择质量已知为m2<\/sub>的标准质量配重，并将其连接在拉力传感器上，拉紧标准质量配重，保持与刻度盘平行，读出此时标准质量配重的较长对角线在刻度尺上的位置r2<\/sub>，再控制伺服电机以转速ω0<\/sub>转动，使拉力传感器和标准质量配重随转轴在平行于刻度盘的平面内做转速为ω0<\/sub>′的匀速圆周运动，记录此时拉力传感器的输出电压V；
(3)记Δ＝m1<\/sub>r1<\/sub>，其中m1<\/sub>和r1<\/sub>分别为拉力传感器自身在旋转过程中对敏感元件产生作用力的部分的等效质量和等效质心在刻度尺上的位置，计算Δ：
(4)正行程的标定，先控制伺服电机以一个较低的转速ω*<\/sup>转动，记录此时伺服电机的转速以及拉力传感器的输出电压，再等间隔增大伺服电机转速，记录每个伺服电机转速及对应的拉力传感器的输出电压，直到拉力传感器输出电压接近拉力传感器最大量程所对应的电压时为止，正行程标定结束；反行程的标定，等间隔减小伺服电机转速，并记录各伺服电机转速对应的拉力传感器的输出电压，直到伺服电机转速减小到正行程开始时的转速ω*<\/sup>为止，反行程标定结束。
采用上述技术方案带来的有益效果：
本发明可以避免失重的影响，可以在空间站、宇宙飞船等失重环境下实现拉力传感器的标定。此外伺服电机可以在程序控制下输出较为精确的转速，带动配重产生精确的拉力，并考虑传感器自身在旋转过程中产生的作用力对敏感元件的影响，即可获得该系统产生的总的拉力，从而实现对3拉力传感器的精确标定。
附图说明
图1为本发明标定装置的结构示意图；
图2为本发明标定装置的三维结构示意图；
图3为本发明标定装置的主视图；
图4为本发明标定装置的左视图；
图5为本发明标定装置俯视图；
图6为不加配重的情况下在旋转过程中拉力传感器受力分析示意图；
图7为记载配重的情况下在旋转过程中拉力传感器受力分析示意图。
标号说明：1：底盘；2：刻度盘；3：外壳；4：支撑柱；5：伺服电机；6、7：齿轮；8：转轴；9、10、11：轴承；12：微调臂；13：微调旋钮；14：拉力传感器；15：标准质量配重；16：细绳；17：平衡梁；18：刻度尺；19：电缆线；20：小孔；21：滑环；22：电刷；23：横梁。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。
本发明设计了一种失重环境下的拉力传感器静态标定装置，如图1-5所示，包括底盘1、刻度盘2、外壳3、支撑柱4、伺服电机5、齿轮6和7、转轴8、轴承9、10和11、微调臂12、微调旋钮13、拉力传感器14、标准质量配重15、细绳16、平衡梁17、刻度尺18、传感器电缆线19、小孔20、滑环21、电刷22以及横梁23。
底盘1需要固定在工作台上。转轴8贯穿底盘1和刻度盘2，分别通过轴承9、10、11与底盘1、刻度盘2以及横梁23相连接，可以自由转动。支撑柱4对刻度盘2起到支撑和固定的作用。外壳3将装置外围封闭起来。刻度盘2的上表面有刻度尺18。
伺服电机5在程序控制下可以产生精确并可调的转速，带动齿轮6以同样的速度转动，齿轮6与连接在转轴8上的齿轮7垂直且互相咬合，齿轮6与齿轮7的齿数之比与转轴8的转速成反比。
在刻度盘2的上方，微调臂12连接在转轴8上，两者之间存在键结构，转动过程中不会产生相对滑动。微调臂12与刻度盘平行，且两者之间存在一段间隔，在转动过程中也可以避免产生摩擦，影响标定精度。微调臂上有一个微调旋钮13，转动微调旋钮13可以改变微调臂伸缩长度。微调臂12的一端通过细绳16连接拉力传感器14的一端，拉力传感器14的另一端通过细绳16连接标准质量配重15。标准质量配重15整体外形呈菱形块，菱形块较长对角线与微调臂12相垂直，其质心也处于这条对角线上。
微调臂12的对侧设置一根平衡梁17，平衡梁的质量应该等于或者接近配重与拉力传感器的质量之和，其作用在于平衡旋转过程中拉力传感器14及配重15对转轴8所产生的拉力。
用于连接微调臂12与拉力传感器14及拉力传感器14与配重15的细绳应采用受拉伸不易变形且强度足够的钢丝绳，减小形变导致旋转臂长度发生变化从而引起的误差并确保标定过程的安全性。
转轴8为空心圆柱，在其上部侧面有一小孔20，将拉力传感器的电缆线19沿着微调臂12从小孔20引入空心转轴8的内部，之后将电缆线19接到位于转轴8顶部的滑环21上，再通过电刷22将电缆线19引出，电缆线19沿着横梁23上的凹槽引出到装置外部。这样的设计避免了标定过程中电缆线缠绕问题。
伺服电机可以输出较为精确的转速，记伺服电机上的齿轮齿数为N1<\/sub>，转轴上的齿轮齿数为N2<\/sub>，因此当伺服电机转速为ω(单位：rad\/s)时，则转轴的角速度ω′如下：
在进行标定时，首先将待标定的拉力传感器连接在装置的微调臂的一端。此时先不连接配重。拉紧拉力传感器，保持与刻度盘平行，调节微调臂，使得拉力传感器处于刻度盘合适位置，给后续加配重进行标定留下足够的空间。程序控制伺服电机以转速ω0<\/sub>转动。在伺服电机的驱动下，传感器将在和刻度盘平行的面内做匀速圆周运动，此时，记拉力传感器的输出电压为V1<\/sub>。此输出电压V1<\/sub>为旋转过程中拉力传感器自身某部分质量产生离心力并作用在拉力传感器敏感元件上的所产生的输出，记此作用力大小为F1<\/sub>，其方向沿细绳方向向外。同时，记下此时的输出V1<\/sub>及转速ω0<\/sub>。
接着，选择合适已知质量的标准质量配重，通过钢丝绳将砝码连接在拉力传感器的另一端，拉紧配重，并保持于刻度盘平行，读出此时配重与微调臂垂直的较长的那条对角线在刻度盘上的位置，记此位置为r2<\/sub>。之后，控制伺服电机以相同的转速ω0<\/sub>转动，则拉力传感器和砝码将一起在于刻度盘平行的平面内做转速为ω0<\/sub>′的匀速圆周运动。记此时拉力传感器的输出电压为V。
由于两次伺服电机的转速均为ω0<\/sub>，且微调臂没有再次被调节，拉力传感器距离转轴中心距离不变，则由于拉力传感器自身旋转产生的作用力作用在敏感元件上而产生的输出电压仍为V1<\/sub>。记由配重在旋转过程中对拉力传感器产生拉力作用而引起的传感器输出电压为V2<\/sub>：
V2<\/sub>＝V-V1<\/sub>(2)
根据匀速圆周运动拉力计算公式：
F＝mrω2<\/sup>(3)
由于配重的质心位置在刻度盘上可以直接读出，即r2<\/sub>为已知量，配重质量m2<\/sub>同样已知，转速为ω0<\/sub>′。记配重在旋转过程中对拉力传感器产生的拉力为F2<\/sub>：
F2<\/sub>＝m2<\/sub>r2<\/sub>ω0<\/sub>′ (4)
电压V1<\/sub>、V2<\/sub>及拉力F2<\/sub>已知，而电压V1<\/sub>、V2<\/sub>与拉力F1<\/sub>、F2<\/sub>之间满足关系：
则可求出F1<\/sub>的大小：
又有：
F1<\/sub>＝m1<\/sub>r1<\/sub>(ω0<\/sub>′)2<\/sup>(7)
上式中m1<\/sub>及r1<\/sub>分别为拉力传感器自身在旋转过程中对敏感元件产生作用力的部分的等效质量及等效质心在刻度盘上的位置。记Δ＝m1<\/sub>r1<\/sub>，由于F1<\/sub>及ω0<\/sub>′已知，m1<\/sub>由传感器自身特性决定，为一固定值。则在r1<\/sub>不变，即保持微调臂伸缩长度不变，也就是拉力传感器距离转轴中心距离不变的情况下，Δ为一定值：
通过上述步骤，确定了一个关键的值Δ。接下来进行拉力传感器正反行程的标定，首先是正行程的标定。在上述步骤中已经将配重连接在拉力传感器上。先控制伺服电机以一个较低的转速转动，记录此时伺服电机的转速以及传感器的输出电压。接着，等间隔增大伺服电机转速，记录每个转速及对应拉力传感器输出电压，直到拉力传感器输出电压接近拉力传感器最大量程所对应的电压时为止，正行程标定结束。之后，进行反行程的标定，等间隔减小伺服电机转速，并记录各转速对应的拉力传感器输出电压，直到速度减小到正行程开始时的转速为止，反行程标定结束。
记录的数据包括伺服电机转速ω及对应的拉力传感器输出电压V。而电压对应的拉力是由两部分组成的，一部分是由所加载的配重在旋转过程中对拉力传感器施加的拉力F2<\/sub>，r2<\/sub>和m2<\/sub>已知，通过公式(4)可计算得出F2<\/sub>的值。另一部分是传感器自身在旋转过程中对敏感元件产生的作用力F1<\/sub>，在进行正反行程过程中微调臂伸缩长度保持不变，则在之前已测出的Δ也保持不变。根据下式计算出F1<\/sub>的值：
F1<\/sub>＝Δ·(ω0<\/sub>′)2<\/sup>(9)
在标定过程实际的总拉力为F：
F＝F1<\/sub>+F2<\/sub>(10)
得到拉力传感器实际受到的总拉力F及对应的电压输出V，进行数据拟合，做出拉力(F)-电压(V)图，即可实现对拉力传感器的标定。
以30kg量程拉力传感器为例，则可以设计如下优选方案。
1、底盘的半径为350mm，厚度为20mm，刻度盘与底盘半径相同，厚度为10mm。刻度盘与底盘之间距离100mm。在装置的最外围是一个厚度为10mm，高度为220mm的圆筒状外壳。
2、设伺服电机的最大转速为ω1max<\/sub>＝10πrad\/s。与伺服电机连接的齿轮齿数N1<\/sub>与连接在转轴上的齿轮的齿数N2<\/sub>之比为4。则转轴可以产生的最大转速：
3、标准质量配重有50g、100g两个质量可供选取。在进行标定时，需要根据传感器的测量范围选取合适质量大小的配重。
4、微调臂有一段固定长度为10cm的部分，螺杆可伸缩范围为0～5cm，旋转微调旋钮，可实现对螺杆伸缩长度的调节。考虑到用于连接的细绳的长度、传感器自身的长度，以及装置刻度盘尺寸等因素，在标定过程中配重位置可调节范围在20～30cm之间。
5、以最大旋转速度、最大质量的标准质量配重、配重距离转轴中心最远位置计算，配重可产生的最大拉力：
F2max<\/sub>＝m*r*(ω′1max<\/sub>)^2＝0.1*0.3*(40π)^2＝48*π^2≈473.74(N)
该拉力大小完全能够满足30kg量程拉力传感器标定需求。
实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。
设计图
相关信息详情
申请码:申请号:CN201910052078.0
申请日:2019-01-21
公开号:CN109696274A
公开日:2019-04-30
国家:CN
国家/省市:84(南京)
授权编号:CN109696274B
授权时间:20191203
主分类号:G01L25/00
专利分类号:G01L25/00
范畴分类:31J;
申请人:南京航空航天大学
第一申请人:南京航空航天大学
申请人地址:210016 江苏省南京市秦淮区御道街29号
发明人:李宇辉;赵敏;王松松;姚敏;郭瑞鹏
第一发明人:李宇辉
当前权利人:南京航空航天大学
代理人:施昊
代理机构:32200
代理机构编号:南京经纬专利商标代理有限公司
优先权:关键词:当前状态:审核中
类型名称:外观设计