一種作用力和加速度綜合測(cè)試方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種作用力和加速度綜合測(cè)試方法，該方法基于的測(cè)試裝置由可拆卸質(zhì)量塊，輕質(zhì)彈性桿，3組電阻應(yīng)變片，電纜，動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)和固定底座組成，測(cè)試方法是采用3組電阻應(yīng)變片，在測(cè)試過程中，動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)通過對(duì)比每一時(shí)刻采集的3組應(yīng)變數(shù)據(jù)，取其中值較大的兩個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)作用力、慣性力、加速度的實(shí)時(shí)精確監(jiān)測(cè)，并通過利用兩個(gè)裝置垂直交錯(cuò)布置的方法，可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)物體三維慣性力和加速度的測(cè)試。本發(fā)明的測(cè)試方法減小了信號(hào)干擾對(duì)測(cè)試精度的影響，測(cè)試精度高。
【專利說明】一種作用力和加速度綜合測(cè)試方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于工程測(cè)試領(lǐng)域，涉及一種作用力測(cè)試方法，更具體地說，是涉及一種作 用力和加速度綜合測(cè)試方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 目前，基于應(yīng)變技術(shù)的作用力測(cè)試方法及裝置有很多，無論是二維的還是三維的， 大多都是通過多個(gè)單向加速度傳感器正交結(jié)合在一起的，也就是說所測(cè)各方向上都需要布 置一個(gè)質(zhì)量塊，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。另外，也有只使用一個(gè)質(zhì)量塊的一體式加速度傳感器，其方 法是通過一個(gè)質(zhì)量塊即可實(shí)現(xiàn)三個(gè)正交方向的加速度的測(cè)試，但其一個(gè)平面的加速度測(cè)試 構(gòu)件會(huì)對(duì)正交方向的加速度產(chǎn)生較大的干擾?，F(xiàn)有的基于應(yīng)變技術(shù)的加速度傳感器要么是 在所測(cè)各方向上布置專門的質(zhì)量塊，要么就是在所測(cè)方向上布置應(yīng)變片，測(cè)試輸出的也只 是固定的幾個(gè)方向上的響應(yīng)值，方法比較死板和單一。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的是為了克服現(xiàn)有測(cè)試方法比較死板和單一的缺陷，提出一種作用力 和加速度綜合測(cè)試方法。本發(fā)明的測(cè)試方法精度高，可以實(shí)現(xiàn)作用力、慣性力、加速度等的 實(shí)時(shí)精確監(jiān)測(cè)，并通過利用兩個(gè)裝置垂直交錯(cuò)布置的方法，可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)物體三維慣性力 和加速度的測(cè)試。
[0004] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案為：
[0005] -種作用力和加速度綜合測(cè)試方法，該方法使用的測(cè)試裝置由可拆卸質(zhì)量塊1，輕 質(zhì)彈性桿2,第一組電阻應(yīng)變片3、4,第二組電阻應(yīng)變片5、6,第三組電阻應(yīng)變片7、8,電纜9， 動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)10和固定底座11組成，其中所述輕質(zhì)彈性桿2的下端和固定底 座11相連接，上端面連接可拆卸質(zhì)量塊1，所述的第一組至第三組3組電阻應(yīng)變片分別布于 輕質(zhì)彈性桿2的下端根部，并通過電纜9與動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)10相連接；所述測(cè)試 方法是：
[0006] 一、作用力測(cè)試
[0007] 第一步：按測(cè)試要求將第一組至第三組3組電阻應(yīng)變片3?8在輕質(zhì)彈性桿2下 端周面粘貼好，然后將測(cè)試裝置以輕質(zhì)彈性桿2為基準(zhǔn)垂直于作用物體作用力所在平面， 通過固定底座11將測(cè)試裝置固定；
[0008] 第二步：將第一組至第三組3組電阻應(yīng)變片3?8均以半橋方式接入惠斯通電橋；
[0009] 第三步：將第一組至第三組3組電阻應(yīng)變片3?8所測(cè)得的電壓變化信號(hào)轉(zhuǎn)變3 組應(yīng)變信號(hào)h，8 2和ε3;根據(jù)材料力學(xué)彎曲正應(yīng)力公式推導(dǎo)得測(cè)點(diǎn)處的彎矩心及產(chǎn)生 此彎矩對(duì)應(yīng)作用力的方向角Θ，
[0010] E · E1 = K* rsin (30+ Θ )方程（1)
[0011] E · ε 2 = K · rcos Θ 方程（2)
[0012] E · ε 3 = K · rsin (3〇- Θ )方程（3)
[0013] 式中，E為輕質(zhì)彈性桿2的彈性模量< 28. 3Gpa ; ε i，ε 2和ε 3為3組應(yīng)變信號(hào) 值；系I

【權(quán)利要求】
1. 一種作用力和加速度綜合測(cè)試方法，該方法使用的測(cè)試裝置由可拆卸質(zhì)量塊（1)， 輕質(zhì)彈性桿（2)，第一組電阻應(yīng)變片（3、4)，第二組電阻應(yīng)變片（5、6)，第三組電阻應(yīng)變片 (7、8)，電纜（9)，動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)（10)和固定底座（11)組成，其中所述輕質(zhì)彈性 桿（2)的下端和固定底座（11)相連接，上端面連接可拆卸質(zhì)量塊（1)，所述的第一組至第三 組3組電阻應(yīng)變片分別布于輕質(zhì)彈性桿（2)的下端根部，并通過電纜（9)與動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集 與分析系統(tǒng)（10)相連接；其特征在于，所述作用力測(cè)試方法，包括如下步驟： 第一步：按測(cè)試要求將第一組至第三組3組電阻應(yīng)變片（3?8)在輕質(zhì)彈性桿（2)下端 周面粘貼好，然后將測(cè)試裝置以輕質(zhì)彈性桿（2)為基準(zhǔn)垂直于作用物體作用力所在平面， 通過固定底座（11)將測(cè)試裝置固定； 第二步：將第一組至第三組3組電阻應(yīng)變片（3?8)均以半橋方式接入惠斯通電橋； 第三步：將第一組至第三組3組電阻應(yīng)變片（3?8)所測(cè)得的電壓變化信號(hào)轉(zhuǎn)變3組 應(yīng)變信號(hào)h，82和ε 3;根據(jù)材料力學(xué)彎曲正應(yīng)力公式推導(dǎo)得測(cè)點(diǎn)處的彎矩心及產(chǎn)生此 彎矩對(duì)應(yīng)作用力的方向角Θ， E · E1 = K* rsin (30+ Θ )方程（1) E · ε 2 = K · rcos Θ 方程（2) E · ε 3 = K · rsin (3〇- Θ )方程（3) 式中，E為輕質(zhì)彈性桿⑵的彈性模量；ει，ε2和83為3組應(yīng)變信號(hào)值；系數(shù)
為輕質(zhì)彈性桿（2)的慣性矩，M0為測(cè)點(diǎn)處的彎矩，Θ為產(chǎn)生彎矩M 0對(duì) 應(yīng)作用力的方向角，D為輕質(zhì)彈性桿（2)的直徑；r為輕質(zhì)彈性桿（2)的截面半徑； 上述公式中只有彎矩Μθ和角度Θ兩個(gè)未知量，只需兩組計(jì)算公式組成方程組進(jìn)行求 解；考慮到外部環(huán)境對(duì)測(cè)試精度的影響，電壓信號(hào)讀數(shù)越小，外界不穩(wěn)定因素對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果的 影響越大，動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)（10)通過對(duì)比每一時(shí)刻采集的三個(gè)應(yīng)變數(shù)據(jù)，取其中 較大值的兩個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析； 當(dāng)?shù)谝唤M電阻應(yīng)變片（3、4)和第二組電阻應(yīng)變片（5、6)信號(hào)較大時(shí)，取方程（1)和方 程⑵計(jì)算，得出
當(dāng)?shù)谝唤M電阻應(yīng)變片（3、4)和第三組電阻應(yīng)變片（7、8)信號(hào)較大時(shí)，取方程（1)和方 程⑶計(jì)算，得出
當(dāng)?shù)诙M電阻應(yīng)變片（5、6)和第三組電阻應(yīng)變片（7、8)信號(hào)較大時(shí)，取方程（2)和方 程⑶計(jì)算，得出
第四步：根據(jù)所算得的彎矩Μθ以及第一組至第三組3組電阻應(yīng)變片（3?8)與作用力 作用位置的垂直距離為L(zhǎng)，推算到作用物體的作用力l·',
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種作用力和加速度綜合測(cè)試方法，其特征在于，所述測(cè)試 方法還包括慣性力和加速度測(cè)試，具體步驟是： 第一步：按測(cè)試要求將第一組至第三組3組電阻應(yīng)變片（3?8)在輕質(zhì)彈性桿（2)下 端周面貼好，然后將測(cè)試裝置以輕質(zhì)彈性桿（2)為基準(zhǔn)垂直于作用物體作用力所在平面， 通過固定底座（11)將測(cè)試裝置固定； 第二步：將第一組至第三組3組電阻應(yīng)變片（3?8)均以半橋方式接入惠斯通電橋； 第三步：將第一組至第三組3組電阻應(yīng)變片（3?8)所測(cè)得的電壓變化信號(hào)轉(zhuǎn)變3組 應(yīng)變信號(hào)h，82和ε 3;根據(jù)材料力學(xué)彎曲正應(yīng)力公式推導(dǎo)得測(cè)點(diǎn)處的彎矩心及產(chǎn)生此 彎矩對(duì)應(yīng)合外力的方向角Θ， E · E1 = K* rsin (30+ Θ )方程（1) E · ε 2 = K · rcos Θ 方程（2) E · ε 3 = K · rsin (3〇- Θ )方程（3) 式中，E為輕質(zhì)彈性桿⑵的彈性模量；ει，ε2和83為3組應(yīng)變信號(hào)值；系數(shù)
為輕質(zhì)彈性桿（2)的慣性矩，M0為測(cè)點(diǎn)處的彎矩，Θ為產(chǎn)生彎矩M 0對(duì) 應(yīng)合外力的方向角，D為輕質(zhì)彈性桿（2)的直徑；r為輕質(zhì)彈性桿（2)的半徑； 上述公式中只有彎矩Μθ和角度Θ兩個(gè)未知量，只需兩組計(jì)算公式組成方程組進(jìn)行求 解，考慮到外部環(huán)境對(duì)測(cè)試精度的影響，電壓信號(hào)讀數(shù)越小，外界不穩(wěn)定因素對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果的 影響越大，動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)（10)通過對(duì)比每一時(shí)刻采集的三個(gè)應(yīng)變數(shù)據(jù)，取其中 較大值的兩個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析； 當(dāng)?shù)谝唤M電阻應(yīng)變片（3、4)和第二組電阻應(yīng)變片（5、6)信號(hào)較大時(shí)，取方程（1)和方 程⑵計(jì)算時(shí)，得出
當(dāng)?shù)谝唤M電阻應(yīng)變片（3、4)和第三組電阻應(yīng)變片（7、8)信號(hào)較大時(shí)，取方程（1)和方 程⑶計(jì)算時(shí)，得出
當(dāng)?shù)诙M電阻應(yīng)變片（5、6)和第三組電阻應(yīng)變片（7、8)信號(hào)較大時(shí)，取方程（2)和方 程⑶計(jì)算時(shí)，得出
第四步：根據(jù)所算得的彎矩Μθ以及第一組至第三組3組電阻應(yīng)變片（3?8)與可拆卸 質(zhì)量塊（1)形心的垂直距離為L(zhǎng)，推算到質(zhì)量塊的水平慣性力Fm，
第五步：根據(jù)第四步所述可拆卸質(zhì)量塊⑴的水平慣性力FjP可拆卸質(zhì)量塊⑴的質(zhì) 量m，算得可拆卸質(zhì)量塊（1)的加速度ει，
第六步：根據(jù)第五步所求可拆卸質(zhì)量塊（1)的加速度a和被測(cè)運(yùn)動(dòng)物體質(zhì)量Μ，算出被 測(cè)物體所受慣性力F111 = M · a。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2任一所述的一種作用力和加速度綜合測(cè)試方法，其特征在于，所 述的可拆卸質(zhì)量塊（1)的質(zhì)量為250g。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2任一所述的一種作用力和加速度綜合測(cè)試方法，其特征在于，所 述的輕質(zhì)彈性桿（2)為其質(zhì)量小于可拆卸質(zhì)量塊（1)，彈性模量< 28. 3Gpa，長(zhǎng)度為20cm，直 徑為30mm的圓柱形。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1或2任一所述的一種作用力和加速度綜合測(cè)試方法，其特征在于，所 述的第一組至第三組3組電阻應(yīng)變片（3?8)在所述輕質(zhì)彈性桿（2)下端周面以60°夾角 成圓周均勻布置。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1或2任一所述的一種作用力和加速度綜合測(cè)試方法，其特征在于，所 述的第一組至第三組3組電阻應(yīng)變片（3?8)的型號(hào)為日本共和KFG-3-120-C1-11L1M3R， 電阻為119. 6±0. 4Ω，靈敏系數(shù)為2. 09±1.0%，敏感柵長(zhǎng)度為3mm。
【文檔編號(hào)】G01D21/02GK104390665SQ201410707964
【公開日】2015年3月4日 申請(qǐng)日期:2014年11月27日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月27日
【發(fā)明者】沈超明, 徐斌, 劉建華, 王志東 申請(qǐng)人:江蘇科技大學(xué)