一种大量程六维力传感器标定方法

文章编号：CSTAM2013-P28-E0045

一种大量程六维力传感器标定方法

*杨 敏，申 飞

(1. 中国工程物理研究院总体工程研究所，四川绵阳919-402，621900; 2.中国科学院智能机械研究所传感系统工程研究中心，合肥 230031)

摘 要：本文在介绍六维力传感器标定方法及原理的基础上，针对加速度场中的六维力测试系统建立了一套大量

程六维力传感器静态标定的实验装置, 并对所研制的气动力—惯性力复合离心试验中的六维力传感器进行了标

定，标定结果满足实验测试精度要求。本标定方法和装置构思巧妙，具有结构简单、可操作性强，标定成本低廉

等优点。

关键词：六维力传感器；标定；实验装；测试系统

THE CALIBRATION METHOD OF A LARGE SIX-AXIS FORCE SENSORS

YANG Min , SHEN Fei

(1. Institute of System Engineering,CAEP, P.O.BOX 919-402, Mianyang, Sichuan 621900, China;

2. Institute of Intelligent Machine, AcademicSinica, HeFei 230031, China)

Abstruct: Based on the accelerator calibration method of six-axis force sensors,the system of static calibration for a large six-axis force sensor is build, The accelerator calibration method are introduced detaily.the designed six-axis force sensor in multi-dimensional accelerators field is calibrated and the result is well used. the system of static calibrationis a contraption, which is smart cheap and practicality.

Key words: Six - axis sensor; calibration; experimental device; testing system

六维力传感器能够获取空间任意力系中的三维正交力( Fx 、Fy、Fz) 及三维正交力矩( Mx 、My 、Mz) 信息，它因满足航空航天、军事、医药、化工、汽车、电子、造船业、核工业、机械制造、机器人等领域中多维力测量的需要而得到了长足的发展。近年来在精密装配、航空机器人，宇宙空间站对接仿真、火箭发动机推力试验、风洞实验等测力精度要求高的场合发挥了极其重要的作用[1-2]。

传感器标定是工程测试中一个重要环节，直接影响测试结果的精度及可靠性[3]。中科院合肥物质科学研究院针对六维力传感器标定方法进行了深入系统的研究。国内其他从事六维力传感器研究的单位主要有哈尔滨工业大学，东南大学以及燕山大学，燕山大学自90年代中期开始六维力传感器的研究，提出采用Steward平台结构的传感器，报道有10Kg的标定装置，所采用的标定系统和标定方法与中科院合肥物质科学研究院的方法基本相似[4-5]。航天部门也有部分单位从事六维力相关方面的工作，但没有公开报道。国外多维力传感器研究比较成熟，中等量程六维力传感器标定方法和标定原理基本与国内相同，但是对于超大量程六维力传感器的标定未见没有公开的报道，目前市场上所见到国外公司提供的标定系统只是用于单维力传感器的标定。

1 超大量程六维力传感器简介

飞行器在飞行过程中都要遇到加速度环境，为了预测和验证新型飞机或导弹的气动力和惯性力联合作作者简介：*杨敏(1977－)，女，陕西西安，硕士，工程师，研究方向：工程力学及环境试验技术，Yang77.5@http://www.77cn.com.cn

申飞(1972—)，女，安徽人，研究员，博士。

用下的力学性能，通常对飞机或导弹在地面的大型离心机上模拟的加速度场中进行气动力—惯性力复合离心试验，在试验过程中测得飞机或导弹在试件连接边界的全力信息，包括三个相互垂直的力和绕三个相互垂直轴的力矩。该超大量程六维力传感器即为一种“气动力—惯性力复合离心试验”六维力测试系统，其设计量程如表1所示，外形见图1.

图1 大量程六维力传感器

表1 六维力传感器量程

Fx(KN) Fy(KN) Fz(KN) Mx(KNm) My(KNm) Mz(KNm) 80 80 100 30 30 30 2 六维力传感器标定原理

六维力传感器的标定均在假设传感器系统为线性系统的情况下进行，即传感器静态数学模型满足 F CV

其中，V是六维力传感器输出的6路原始信息(列信息，单位是V)，F是经过计算的6路力信息(列信息，力的单位是KN，力矩的单位是KNm)[6-7]。

传感器静态标定的实质就是利用施加在六维力传感器上的广义力矢量组F和通过数据采集上采样得到的传感器6个输出信号矢量组V求出标定矩阵C，传感器的输出信号是一个6路电压信号组成的矢量。如果不考虑传感器的非线性因素的影响，只要给传感器施加6个线性无关的力矢量，并测得对应6个力矢量的传感器的输出电压信号矢量V，就可以得到一个惟一解C。

3 六维力传感器标定装置

“气动力—惯性力复合离心试验”六维力传感器标定系统由测试系统和标定装置两部分组成，测试系统主要包括力传感器，信号测量及放大装置，数据采集卡，计算机以及标定软件；传感器标定装置由六维力承力墙、承力钢梁、过渡法兰、L型加载梁，液压协调加载系统等组成。其中承力墙、过渡法兰、承力钢梁主要用于传感器和液压作动筒的转接和固定，液压协调加载系统是载荷精确施加和控制装置。

图2 标定试验装置

作为标定装置的核心部件—型加载梁：其设计精巧，简单实用，确保力传递的连续型和准确性。其8个45°均布的安装螺孔，使L型加载梁的安装位置45°可调，从而使Fx和Fy载荷的施加可以实现，L型的外

形设计，使该加载装置不仅可以实现单唯力的施加，而且可以根据需要完成不同方向和大小的力矩和单唯力的同时施加，这种装置从结构设计上满足了六维力传感器标定所需所用载荷状态的实现；最后，L型加载梁周身所布置的8个半球状加载坑，以点-点接触的方式确保了载荷施加方向的准确性。

a) 结构三维模型 b) 实物照片

图3 L形加载梁

4 标定状态的实现

本“气动力—惯性力复合离心试验”六维力传感器标定是利用加载6 次计算标定矩阵的方法：根据假设的传感器系统为线性系统的条件，只要加载6 次便可以得到由36 个方程组成的包含36 个未知变量的方程组，当电压矩阵V 非奇异时，可得到标定矩阵的解。各标定状态的实现具体如下：

当如图5所示的状态施加力F时，对施加六维力传感器+Fy方向大小为F的力,逆时针转动L型加载梁90°，对施加六维力传感器+Fx方向大小为F的力,

如图，调整作动筒位置，使载荷作用线垂直以传感器平面并通过传感器形心，则传感器将承受+Fz方向大小为F的力，按照图所示的方式施加力F，则传感器同时受到-Fx向大小为F的力和-My方向大小为F×h的力矩；按照上所示的方式施加力F，则传感器同时受到-Fx向大小为F的力和-My方向大小为F×h的力矩；按照上所示的方式施加力F，则传感器同时受到-Fx向大小为F的力和-My方向大小为F×h的力矩；就这样，当回转体转动360°时，传感器就可得到Fx、Fy、Mx和My方向的标定数据。

实际标定过程中，采用等间隔加载方式，即对于同一状态采用等间隔力加载，直至此方向的满量程，这样能够实现对被标定传感器全量程范围内的等间隔标定，加载力采用计算机和高精度标准单维力传感器进行控制。标定流程图如图4所示。

a) -Fz加载 b) +Fy加载 c) Fx加载

d) +Mz、+Fy 组合加载 e) +My …… 此处隐藏：2749字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……