本發(fā)明屬于力的測(cè)量技術(shù)，具體涉及一種利用壓電式力傳感器實(shí)現(xiàn)靜態(tài)力的測(cè)量方法。

背景技術(shù)：

壓電式力傳感器是一種利用壓電元件的壓電效應(yīng)的進(jìn)行力測(cè)量的傳感器。由于其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功耗小、動(dòng)態(tài)特性良好等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于動(dòng)態(tài)力的測(cè)量。但是，當(dāng)被測(cè)力為靜態(tài)的或者是頻率很低時(shí)，壓電式力傳感器內(nèi)部的壓電元件上產(chǎn)生的電荷會(huì)在很短的時(shí)間內(nèi)發(fā)生很大的衰減，因此業(yè)界認(rèn)為這類傳感器無(wú)法直接用于靜態(tài)力或極低頻力的測(cè)量。

為了實(shí)現(xiàn)壓電式力傳感器對(duì)靜態(tài)力的測(cè)量，在近幾十年來(lái)，諸多研究人員提出了各種測(cè)量方法。目前，運(yùn)用壓電元件測(cè)量靜態(tài)力的研究方法有壓電諧振頻率測(cè)量法，電容測(cè)量法，衰減時(shí)間測(cè)量法等。

壓電諧振頻率測(cè)量法是將壓電元件作為電路的諧振器，利用作用在壓電元件上的靜態(tài)力與其等效阻抗的關(guān)系，通過(guò)檢測(cè)導(dǎo)納或諧振頻率實(shí)現(xiàn)靜態(tài)力測(cè)量。電容測(cè)量法的實(shí)質(zhì)是將壓電元件看作電容器，通過(guò)測(cè)量靜態(tài)力作用下電容的變化實(shí)現(xiàn)靜態(tài)力測(cè)量。衰減時(shí)間測(cè)量法是通過(guò)測(cè)量壓電元件輸出信號(hào)的衰減時(shí)間，一般首先測(cè)量壓電元件在靜態(tài)力作用下響應(yīng)信號(hào)的衰減時(shí)間常數(shù)，然后找到衰減時(shí)間與靜態(tài)力之間的關(guān)系實(shí)現(xiàn)對(duì)靜態(tài)力的測(cè)量。然而，由于壓電元件上述電氣參數(shù)會(huì)隨著測(cè)量環(huán)境、被測(cè)力大小等發(fā)生變化，因此這些方法目前仍然無(wú)法實(shí)現(xiàn)靜態(tài)力測(cè)量，同時(shí)這些方法都需要重新設(shè)計(jì)壓電式力傳感器。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題就是提供一種利用壓電式力傳感器實(shí)現(xiàn)測(cè)量靜態(tài)力的方法，它在不改變壓電式力傳感器結(jié)構(gòu)的情況下，能夠克服壓電式力傳感器在靜態(tài)力測(cè)量中電荷衰減的不利影響，獲得穩(wěn)定的輸出電壓，準(zhǔn)確地測(cè)量靜態(tài)力。

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是通過(guò)這樣的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，它包括以下步驟：

步驟1、建立壓電式力傳感器測(cè)量系統(tǒng)輸出電壓u(t)隨時(shí)間變化的數(shù)學(xué)式

式中，u0為t＝0時(shí)壓電式力傳感器測(cè)量系統(tǒng)的輸出電壓；t為放電時(shí)間；r為壓電式力傳感器測(cè)量系統(tǒng)等效絕緣漏電阻；c為壓電式力傳感器測(cè)量系統(tǒng)的等效電容；取壓電式力傳感器測(cè)量系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)τ＝rc，則有：

步驟2、確定壓電式力傳感器測(cè)量系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)τ

在壓電式力傳感器測(cè)量系統(tǒng)的使用環(huán)境中，對(duì)壓電式力傳感器測(cè)量系統(tǒng)的輸出電壓的測(cè)試曲線進(jìn)行擬合，得到時(shí)間常數(shù)τ；

步驟3、確定時(shí)間間隔δt及壓電式力傳感器測(cè)量系統(tǒng)的輸出電壓的衰減閾值δuth

時(shí)間間隔δt＝t1-t0＜τ，且δt∈[δtmin,δtmax]，t0是初始時(shí)刻，t1是δt的末時(shí)刻，δtmin由壓電式力傳感器測(cè)量系統(tǒng)的采樣頻率決定，δtmax由被測(cè)力的頻率決定。

壓電式力傳感器測(cè)量系統(tǒng)的輸出電壓的衰減閾值δuth＝δumax：

δumax是在施加滿量程靜態(tài)力時(shí)，從初始時(shí)刻開始的時(shí)間間隔內(nèi)，壓電式力傳感器測(cè)量系統(tǒng)輸出電壓的衰減值；

步驟4、判斷靜態(tài)力是穩(wěn)恒力還是變恒力，并對(duì)壓電式力傳感器測(cè)量系統(tǒng)的輸出電壓進(jìn)行補(bǔ)償

若在確定的時(shí)間間隔δt內(nèi)衰減值δu未超過(guò)衰減閾值δuth，則判斷外力為靜態(tài)力，則此時(shí)輸出一個(gè)恒定值；

若在確定的時(shí)間間隔δt內(nèi)該衰減值δu超過(guò)這一衰減閾值δuth，則判定外力發(fā)生變化，稱為變恒力，此時(shí)使用該衰減值δu對(duì)壓電式力傳感器測(cè)量系統(tǒng)的輸出電壓進(jìn)行補(bǔ)償。

本發(fā)明的技術(shù)效果是：

本發(fā)明不改變現(xiàn)有壓電式力傳感器結(jié)構(gòu)，通過(guò)軟件補(bǔ)償克服了壓電式力傳感器電荷衰減的影響，實(shí)現(xiàn)了利用壓電式力傳感器測(cè)量系統(tǒng)對(duì)靜態(tài)力的測(cè)量，且不受測(cè)量環(huán)境和被測(cè)力大小的影響。

附圖說(shuō)明

本發(fā)明的附圖說(shuō)明如下：

圖1(a)為現(xiàn)有壓電式力傳感器靜態(tài)力測(cè)量系統(tǒng)的原理圖

(b)為本發(fā)明壓電式力傳感器靜態(tài)力測(cè)量系統(tǒng)的原理圖；

圖2為壓電式力傳感器和電荷放大器兩部分的等效電路圖；

圖3為本發(fā)明的電壓補(bǔ)償算法流程圖；

圖4為本發(fā)明使用商用壓電式力傳感器在21n靜態(tài)壓力下的響應(yīng)信號(hào)對(duì)比圖；

圖5為本發(fā)明使用商用壓電式力傳感器在靜態(tài)力階梯加載下的響應(yīng)信號(hào)對(duì)比圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明：

現(xiàn)有壓電式力傳感器測(cè)量系統(tǒng)原理圖如圖1(a)所示，包括壓電式力傳感器、電荷放大器和信號(hào)顯示單元。本發(fā)明涉及的壓電式力傳感器測(cè)量系統(tǒng)如圖1(b)所示，包括壓電式力傳感器、電荷放大器、信號(hào)預(yù)處理單元和信號(hào)顯示單元，相比現(xiàn)有壓電式力傳感器測(cè)量系統(tǒng)增加了信號(hào)預(yù)處理單元；壓電式力傳感器將輸入的力信號(hào)轉(zhuǎn)換成電荷信號(hào)輸出，電荷信號(hào)經(jīng)電荷放大器轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，電壓信號(hào)進(jìn)入預(yù)處理單元后經(jīng)過(guò)補(bǔ)償處理實(shí)現(xiàn)靜態(tài)力的測(cè)量，最后進(jìn)入信號(hào)顯示單元顯示出來(lái)。壓電式力傳感器和電荷放大器兩部分可等效為圖2所示電路。

本發(fā)明包括以下步驟：

步驟1、建立壓電式力傳感器測(cè)量系統(tǒng)輸出電壓u(t)隨時(shí)間變化的數(shù)學(xué)式

由于壓電式力傳感器測(cè)量系統(tǒng)存在等效電容c和等效絕緣漏電阻r，由于r不能達(dá)到無(wú)限大，所以壓電式力傳感器測(cè)量系統(tǒng)的輸出電壓u(t)不能保持恒定值，任意時(shí)刻輸出電壓u(t)為

式(1)中，u0為t＝0時(shí)壓電式力傳感器測(cè)量系統(tǒng)的輸出電壓；t為放電時(shí)間，取壓電式力傳感器測(cè)量系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)τ＝rc，那么可有

由(2)式可知，由于壓電式力傳感器測(cè)量系統(tǒng)的輸出電壓按照指數(shù)形式衰減，因此必須確定壓電式力傳感器測(cè)量系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)τ。

步驟2、確定壓電式力傳感器測(cè)量系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)τ

由于測(cè)量環(huán)境和測(cè)量條件的影響，壓電式力傳感器測(cè)量系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)τ不是一個(gè)恒定值，這時(shí)，可以在壓電式力傳感器測(cè)量系統(tǒng)的實(shí)際測(cè)量環(huán)境中測(cè)量系統(tǒng)輸出的衰減曲線，擬合出時(shí)間常數(shù)τ。

步驟3、確定時(shí)間間隔δt及壓電式力傳感器測(cè)量系統(tǒng)輸出電壓的衰減閾值δuth

本發(fā)明的關(guān)鍵參數(shù)是時(shí)間間隔δt和衰減閾值δuth，時(shí)間間隔δt的最小值由壓電式力傳感器測(cè)量系統(tǒng)的采樣頻率fs決定，δtmin＝1/fs；時(shí)間間隔δt的最大值由被測(cè)力的工作頻率fw決定，δtmax＝1/(2fw)，要求：fs＞2fw。

設(shè)定初始時(shí)刻t0和末時(shí)刻t1,時(shí)間間隔δt＝t1-t0，δt是一個(gè)足夠小的數(shù)，滿足δt∈[δtmin,δtmax]，根據(jù)式(2)得壓電式力傳感器測(cè)量系統(tǒng)輸出電壓的衰減值δu：

顯然，壓電式力傳感器測(cè)量系統(tǒng)輸出電壓在初始時(shí)刻的衰減最快，且靜態(tài)力越大，u0越大，在從初始時(shí)刻開始的時(shí)間間隔δt內(nèi)，壓電式力傳感器測(cè)量系統(tǒng)輸出電壓的衰減值δu越大，所以在施加滿量程靜態(tài)力時(shí)，在從初始時(shí)刻開始的時(shí)間間隔δt內(nèi)，壓電式力傳感器測(cè)量系統(tǒng)輸出電壓的衰減值δu最大

該值即可作為壓電式力傳感器測(cè)量系統(tǒng)輸出電壓的衰減閾值δuth；當(dāng)外力為穩(wěn)恒力，則在確定的時(shí)間間隔δt內(nèi)，壓電式力傳感器測(cè)量系統(tǒng)的輸出電壓的衰減值δu都不會(huì)超過(guò)δuth，因此可以將δuth作為一個(gè)衰減閾值來(lái)判斷外力是否為穩(wěn)恒力。

步驟4、判斷靜態(tài)力是穩(wěn)恒力還是變恒力，并對(duì)壓電式力傳感器輸出電壓進(jìn)行補(bǔ)償

若在確定的時(shí)間間隔δt內(nèi)衰減值δu未超過(guò)衰減閾值δuth，則判斷外力為靜態(tài)力，則此時(shí)輸出一個(gè)恒定值。

若在確定的時(shí)間間隔δt內(nèi)該衰減值δu超過(guò)這一衰減閾值δuth，則判定外力發(fā)生變化，稱為變恒力，此時(shí)使用該衰減值δu對(duì)測(cè)量系統(tǒng)的輸出電壓進(jìn)行補(bǔ)償。

上述步驟4中，電壓補(bǔ)償?shù)牧鞒虉D如圖3所示：

在步驟01，賦值t＝0、u(t)＝u(0)和補(bǔ)償后的輸出電壓u(t)offset＝u(0)；

當(dāng)加載被測(cè)力，測(cè)得的電壓是還沒(méi)來(lái)得及衰減，所以令開始時(shí)壓電式力傳感器測(cè)量系統(tǒng)的補(bǔ)償后輸出電壓u(t)offset和實(shí)際測(cè)得的電壓u(t)都等于初始輸出u(0)。

在步驟02，比較|u(t+δt)-u(t)|>δuth，經(jīng)過(guò)δt后，采樣電荷放大器的輸出u(t+δt)，將前一個(gè)采樣值u(t)與當(dāng)前采樣值u(t+δt)之差的絕對(duì)值，跟衰減閾值δuth進(jìn)行比較。

如不等式成立，則執(zhí)行步驟03；否則執(zhí)行執(zhí)行步驟04；

在步驟03，u(t+δt)offset＝u(t)offset+u(t+δt)-u(t)，然后執(zhí)行步驟05；

本步驟中，外力發(fā)生了改變，輸出電壓需要作補(bǔ)償，即在原來(lái)的補(bǔ)償后輸出電壓u(t)offset的基礎(chǔ)上加上在δt時(shí)間間隔內(nèi)的輸出電壓變化值，若u(t+δt)-u(t)＞0，則u(t+δt)offse增大；若u(t+δt)-u(t)＜0，則u(t+δt)offse減小。

在步驟04，u(t+δt)offset＝u(t)offset，然后執(zhí)行步驟05；

本步驟中，外力沒(méi)有發(fā)生變化，輸出電壓也應(yīng)保持穩(wěn)定，當(dāng)前的補(bǔ)償后的輸出電壓u(t+δt)offset等于原來(lái)的補(bǔ)償后輸出電壓u(t)offset。

在步驟05，計(jì)算測(cè)量時(shí)間t＝t+δt，將u(t+δt)offset賦值給u(t+δt)；并輸出u(t+δt)out和時(shí)間t；

在步驟06，判斷是否結(jié)束測(cè)量，如果是，則執(zhí)行步驟07；否則，執(zhí)行步驟02；

在步驟07，結(jié)束程序。

實(shí)施例

cl-yd-305a型壓電式力傳感器，承受的壓力范圍最高可達(dá)10kn，精度可以達(dá)到0.03％，靈敏度約為4pc/n，非線性誤差可以控制在1％以內(nèi)，本實(shí)驗(yàn)采用cl-yd-305a型號(hào)的壓電式力傳感器。首先施加最大力，測(cè)出衰減數(shù)據(jù)，采用最小二乘法擬合曲線，從而得到時(shí)間常數(shù)τ，因此r，c不需要直接測(cè)出。本文中采樣率設(shè)定為f＝10khz，但是，在現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)條件下，在操作系統(tǒng)中進(jìn)行定時(shí)操作時(shí)，實(shí)驗(yàn)的操作最小的間隔是2ms，因此需要將δt設(shè)置為不小于2ms的一個(gè)值。根據(jù)實(shí)驗(yàn)硬件條件，再考慮到實(shí)驗(yàn)中的紋波干擾，實(shí)驗(yàn)中選取閾值δuth＝0.02v。

然后在傳感器上施加穩(wěn)恒力f為21n，得到測(cè)量系統(tǒng)的輸出電壓如圖4所示，虛線是經(jīng)本發(fā)明處理后的壓電式力傳感器測(cè)量系統(tǒng)輸出電壓隨時(shí)間變化的特性曲線，實(shí)線為現(xiàn)有壓電式力傳感器測(cè)量系統(tǒng)自身的輸出電壓隨時(shí)間變化的特性曲線，二者相比較，本發(fā)明在2秒時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定輸出電壓1v，現(xiàn)有壓電式力傳感器測(cè)量系統(tǒng)輸出電壓隨時(shí)間增加逐漸降低，在歷經(jīng)2秒時(shí)，輸出電壓下降至0.5v?？梢?，本發(fā)明能夠準(zhǔn)確地對(duì)壓電式力傳感器測(cè)量系統(tǒng)的衰減量實(shí)施補(bǔ)償，獲得穩(wěn)定的輸出電壓，實(shí)現(xiàn)靜態(tài)力測(cè)量。

在變恒力f作用在壓電式力傳感器條件下，每次增加10n的力，得到壓電式力傳感器測(cè)量系統(tǒng)的輸出電壓如圖5所示，虛線是經(jīng)本發(fā)明處理后的輸出電壓隨時(shí)間變化的特性曲線，實(shí)線為現(xiàn)有壓電式力傳感器測(cè)量系統(tǒng)自身的輸出電壓隨時(shí)間變化的特性曲線，二者相比較，經(jīng)本發(fā)明處理后的輸出電壓能真實(shí)反映作用力階躍變化。所以，本發(fā)明能有效補(bǔ)償輸出電壓隨時(shí)間增加逐漸降低，獲得穩(wěn)定、真實(shí)的輸出電壓。

在圖4和圖5中，在加力的初始階段有一個(gè)沖擊信號(hào)，該信號(hào)產(chǎn)生的原因是在加力時(shí)不可避免的有一個(gè)沖擊信號(hào)施加在傳感器上，但是很快就會(huì)消失，因此輸出電壓有一個(gè)沖擊信號(hào)。