基于微小負(fù)階躍力的微力傳感器動態(tài)標(biāo)定系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本申請涉及動態(tài)沖激實(shí)驗(yàn)力學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，具體地說，涉及一種基于微小負(fù)階躍力的微力傳感器動態(tài)標(biāo)定系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著纖維、薄膜等低維材料應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣，對其動態(tài)力學(xué)性能的表征越來越迫切，其中在動態(tài)力學(xué)性能表征中廣泛使用的壓電式微力傳感器的動態(tài)標(biāo)定技術(shù)正受到越來越多的關(guān)注。目前對壓電式力傳感器動態(tài)標(biāo)定主要采用正階躍力信號標(biāo)定和利用負(fù)階躍力信號標(biāo)定兩大類。其中落錘標(biāo)定系統(tǒng)(如:CN 102401707 A)以落錘試驗(yàn)機(jī)作為傳感器激勵(lì)裝置，由落錘試驗(yàn)機(jī)產(chǎn)生正階躍力信號對傳感器進(jìn)行標(biāo)定。氣動沖擊法動態(tài)標(biāo)定系統(tǒng)(如:北京理工大學(xué)，張訓(xùn)文等，氣動沖擊法動態(tài)標(biāo)定系統(tǒng))，基于氣動沖擊原理，結(jié)合變截面放大原理和材料動態(tài)斷裂，實(shí)現(xiàn)正階躍力信號的產(chǎn)生，以此為激勵(lì)實(shí)現(xiàn)傳感器標(biāo)定。基于材料動態(tài)斷裂的負(fù)階躍力信號的標(biāo)定系統(tǒng)，包括如壓斷(如:浙江大學(xué)，魏燕定等，標(biāo)準(zhǔn)負(fù)階躍力的實(shí)現(xiàn)及其測量研究)與預(yù)壓-沖斷(如:浙江大學(xué)，陳輝等，一種新型的大力值，寬頻帶的負(fù)階躍力產(chǎn)生方法)方案，以及基于鋼絲繩快速切斷裝置(如:中國石油大學(xué)，劉廣孚等，車輪力傳感器的側(cè)向力動態(tài)標(biāo)定)的負(fù)階躍動態(tài)標(biāo)定系統(tǒng)。此類方法預(yù)先施加靜載，通過材料脆斷或剪斷裝置實(shí)現(xiàn)負(fù)階躍力信號的產(chǎn)生，由脆斷材料不同尺寸的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)不同大小負(fù)階躍力信號的調(diào)節(jié)。上述標(biāo)定方法中，落錘系統(tǒng)裝置體積龐大；氣動沖擊法裝置復(fù)雜，噪聲大；材料脆斷法中脆斷材料為一次性設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)復(fù)雜，標(biāo)定實(shí)驗(yàn)無法重復(fù)；鋼絲繩快速切斷法穩(wěn)定性差、可重復(fù)性差。另外，以上標(biāo)定方法由于提供的載荷較大，難以實(shí)現(xiàn)微力傳感器的動態(tài)標(biāo)定。
[0003]綜上所述，如何研制與發(fā)展一種可精確提供微小動態(tài)載荷，同時(shí)重復(fù)性好、穩(wěn)定性高、噪聲小、高精度的壓電式微力傳感器動態(tài)標(biāo)定系統(tǒng)與技術(shù)成為亟待解決的技術(shù)問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]有鑒于此，本申請所要解決的技術(shù)問題是提供了一種基于微小負(fù)階躍力的微力傳感器動態(tài)標(biāo)定系統(tǒng)及方法，可精確產(chǎn)生微小負(fù)階躍力，且重復(fù)性好、穩(wěn)定性高、噪聲小、結(jié)構(gòu)緊湊、簡單實(shí)用、精度高，能夠解決材料動態(tài)拉伸實(shí)驗(yàn)中，尤其是薄膜或纖維材料動態(tài)拉伸實(shí)驗(yàn)中的微力傳感器動態(tài)標(biāo)定問題。
[0005]為了解決上述技術(shù)問題，本申請有如下技術(shù)方案:
[0006]—種基于微小負(fù)階躍力的微力傳感器動態(tài)標(biāo)定系統(tǒng)，其特征在于，包括:微小負(fù)階躍力信號發(fā)生與調(diào)節(jié)裝置、傳感器固定與調(diào)節(jié)裝置、信號放大與采集裝置，
[〇〇〇7] 所述微小負(fù)階躍力信號發(fā)生與調(diào)節(jié)裝置包括電磁發(fā)射裝置、靜載裝置和彈止裝置；
[0008] 所述微小負(fù)階躍力信號發(fā)生與調(diào)節(jié)裝置通過所述靜載裝置與所述傳感器固定與調(diào)節(jié)裝置連接；所述傳感器固定與調(diào)節(jié)裝置通過同軸電纜和所述信號放大與采集裝置連接；
[0009] 所述電磁發(fā)射裝置包括充放電回路和發(fā)射軌道，所述充放電回路包括充電電壓可調(diào)電容組、整流橋路、觸點(diǎn)開關(guān)、充電開關(guān)和電磁線圈；所述電磁線圈內(nèi)嵌于所述發(fā)射軌道內(nèi)或緊密纏繞在所述發(fā)射軌道外。
[〇〇1〇] 優(yōu)選地，其中，所述發(fā)射軌道是由低摩擦系數(shù)、非導(dǎo)磁、非導(dǎo)電材料制成的圓柱形中空管道，所述發(fā)射軌道上端外表面制作螺紋，下端開有用于裝卸電磁砝碼的對稱開口。
[0011]優(yōu)選地，其中，所述彈止裝置包括彈止軌道、調(diào)節(jié)螺母、彈簧、卡扣、中心通孔和徑向通孔；
[0012]所述彈止軌道中心沿軸線方向包含內(nèi)側(cè)帶中心螺紋的變截面的中心通孔，所述發(fā)射軌道與所述彈止軌道通過所述中心通孔上的中心螺紋對接；所述彈止軌道周向?qū)ΨQ設(shè)計(jì)有兩個(gè)帶特定長度內(nèi)螺紋的等截面通孔，所述彈簧和所述卡扣置于該周向等截面通孔中，所述調(diào)節(jié)螺母通過該周向等截面通孔的內(nèi)螺紋與所述彈止軌道以及所述彈簧連接；所述彈簧與所述調(diào)節(jié)螺母通過球鉸鏈鉸接并與所述卡扣的平端面一端剛接，所述卡扣另一端為朝下傾斜的斜截面。
[0013]優(yōu)選地，其中，所述彈止軌道的中心通孔為變截面通孔。
[0014]優(yōu)選地，其中，所述靜載裝置包括電磁砝碼和靜載細(xì)線，所述電磁砝碼是由高磁導(dǎo)率材料制成的不同質(zhì)量相同形狀的砝碼，所述電磁砝碼的頭部設(shè)計(jì)成梯形錐狀砝碼帽，所述靜載細(xì)線由砝碼帽連接砝碼；所述靜載細(xì)線一端連接到所述傳感器固定與調(diào)節(jié)裝置的安裝與調(diào)節(jié)螺母上，另一端貫穿彈止軌道和所述電磁發(fā)射軌道，并連接所述電磁砝碼；
[0015]所述靜載細(xì)線是由密度較小的柔性材料制成的細(xì)絲；標(biāo)定實(shí)驗(yàn)前，所述電磁砝碼通過所述靜載細(xì)線連接并懸置于所述發(fā)射軌道中，并與所述發(fā)射軌道同軸。
[0016]優(yōu)選地，其中，標(biāo)定實(shí)驗(yàn)時(shí)，所述懸置的電磁砝碼被發(fā)射到所述彈止裝置內(nèi)，由卡扣卡死固定。
[0017]優(yōu)選地，其中，所述傳感器固定與調(diào)節(jié)裝置包括安裝與調(diào)節(jié)螺母和待標(biāo)定的壓電式微力傳感器，所述安裝與調(diào)節(jié)螺母的一端帶有螺紋，另一端中心帶有接線孔；所述安裝與調(diào)節(jié)螺母與所述待標(biāo)定的壓電式微力傳感器通過螺紋串聯(lián)連接；所述靜載細(xì)線通過所述接線孔固定連接在所述安裝與調(diào)節(jié)螺母上。
[0018]本發(fā)明還提供一種基于微小負(fù)階躍力的微力傳感器動態(tài)標(biāo)定系統(tǒng)進(jìn)行的標(biāo)定方法，其特征在于，包括:
[0019]一次標(biāo)定實(shí)驗(yàn)前:優(yōu)選合適質(zhì)量的電磁砝碼，用靜載細(xì)線連接并懸置于發(fā)射軌道內(nèi)，與發(fā)射軌道同軸；所述電磁砝碼在重力作用下對待標(biāo)定的壓電式微力傳感器產(chǎn)生一向下作用力，此時(shí)，待標(biāo)定的壓電式微力傳感器產(chǎn)生一個(gè)微小的且不規(guī)律的正階躍力信號，該信號將迅速衰減為零；
[0020]—次標(biāo)定實(shí)驗(yàn)時(shí):優(yōu)選合適的電壓給充電電壓可調(diào)電容組充電，充電完成后，觸點(diǎn)開關(guān)開啟，電磁砝碼在電磁線圈產(chǎn)生的脈沖磁力作用下沿電磁軌道發(fā)射出去，迅速進(jìn)入彈止軌道，并被卡扣卡死；此時(shí)，待標(biāo)定的壓電式微力傳感器原先承受的電磁砝碼的重力迅速消失，瞬間產(chǎn)生一個(gè)微小的且精確的負(fù)階躍力信號，該負(fù)階躍力大小等于電磁砝碼的重力，該負(fù)階躍力在時(shí)間軸上將長久穩(wěn)定存在；
[0021]—次標(biāo)定實(shí)驗(yàn)后:旋開彈止軌道內(nèi)調(diào)節(jié)螺母連接的卡扣，電磁砝碼被釋放下來；
[0022]在發(fā)射軌道下端的開口處更換不同質(zhì)量的電磁砝碼，重復(fù)以上三步標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，執(zhí)行不同大小負(fù)階躍力信號的標(biāo)定。
[0023]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本申請所述的系統(tǒng)及方法，達(dá)到了如下效果:
[0024]第一，由于應(yīng)用于動態(tài)測量的壓電式微力傳感器的主要缺點(diǎn)(或特點(diǎn))之一是不可避免的將作用于其上的靜態(tài)力信號快速衰減為零，而動態(tài)力信號隨時(shí)間變化可以長久記錄下來。本發(fā)明將充分利用該缺點(diǎn)(或特點(diǎn))，將缺點(diǎn)轉(zhuǎn)化為優(yōu)點(diǎn)，利用壓電式微力傳感器懸掛一電磁砝碼，電磁砝碼的重力這一靜態(tài)力信號產(chǎn)生的正階躍力快速衰減為零，當(dāng)采用電磁發(fā)射技術(shù)豎直向上發(fā)射該懸掛的電磁砝碼，電磁砝碼被發(fā)射的同時(shí)與之相連的壓電式微力傳感器原先受到的已經(jīng)衰減為零的正階躍力信號將迅速轉(zhuǎn)變?yōu)榫_的微小負(fù)階躍力信號，且該負(fù)階躍力大小等于電磁砝碼的重力，方向相反。因電磁砝碼被發(fā)射出去而在彈止軌道內(nèi)被卡死固定，從而該負(fù)階躍力可在時(shí)間軸上長久穩(wěn)定的存在?？梢?，本發(fā)明提出的系統(tǒng)和技術(shù)具有巧妙