CN111693208B - 一种利用压电式传感器反推小球质量的测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用压电式传感器反推小球质量的测试方法，提供一种测试装置，所述测试装置包括用于对下落小球进行夹持的柔性夹持爪、用于固定柔性夹持爪且高度可调的测量支架、用于稳固压电式传感器的稳定支撑结构以及与压电式传感器的非受力面直接连接且用于减少压电式传感器的受力面在被下落小球砸中时发生的待测力分流的连接结构；所述压电式传感器的受力面包括第一测试区域、第二测试区域和第三测试区域，压电式传感器的输出端经过放大倍数确定的共射放大电路后输出瞬时受力图谱。本发明提供了一种操作简单且测量精准度高的压电式传感器的测试方法。

Description

一种利用压电式传感器反推小球质量的测试方法

技术领域

本发明涉及压电式传感器测试技术领域，具体为一种利用压电式传感器反推小球质量的测试方法。

背景技术

压电式传感器采用压电陶瓷或压电晶体作为敏感元件，当压电陶瓷受拉压或剪切时，会形成感应电荷和感应电压，通过测量感应电荷或感应电压的大小来获取振动力的幅值。压电式振动力传感器具有性能稳定、测量频带宽等优点，获得了广泛应用。但是，现有的压电式传感器的测试方法的测量精度普遍偏低，在测量微小振动时具有较大的局限性。主要表现为灵敏度难以满足要求，在测量活动部件的微振动时，感应电压的大小往往与背景噪声量级相当，无法准确获取活动部件的扰动特性。

现有的压电式传感器的测试方法存在的另一个问题是无法获取精准的测量数据，专利号为CN201410291350.8的发明专利发明了并联3-SPU六维测力传感器，通过拉压传感器与球铰和万向铰连接构成空间机构，实现六维力测量，由于避免了弹性构件，其刚度和精度均显著提高，但铰链等活动部件会引起小幅摩擦，容易对微小力测量形成干扰。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种利用压电式传感器反推小球质量的测试方法，该测试方法操作简单且测量精准度高。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种利用压电式传感器反推小球质量的测试方法，提供一种测试装置，所述测试装置包括用于对下落小球进行夹持的柔性夹持爪、用于固定柔性夹持爪且高度可调的测量支架、用于稳固压电式传感器的稳定支撑结构以及与压电式传感器的非受力面直接连接且用于减少压电式传感器的受力面在被下落小球砸中时发生的待测力分流的连接结构；

所述压电式传感器的受力面包括第一测试区域、第二测试区域和第三测试区域，压电式传感器的输出端经过放大倍数确定的共射放大电路后输出瞬时受力图谱；

测试方法包括根据测试策略进行小球下落实验以及依据数据处理策略对实验数据和瞬时受力图谱进行计算求出小球测量质量m；

所述测试策略包括调整小球下落方向的下落匹配步骤以及进行测试的第一测试步骤、第二测试步骤、第三测试步骤，所述下落匹配步骤被配置为使第一测试步骤下的小球下落方向落入第一测试区域内部，使第二测试步骤下的小球下落方向落入第二测试区域内部，使第三测试步骤下的小球下落方向落入第三测试区域内部；

所述数据处理策略包括：

根据公式一从压电式传感器输出的瞬时受力图谱中计算下落小球与压电式传感器第一次接触过程的冲量值I，公式一为：

所述小球标准质量为M，下落高度为h,从压电式传感器输出的瞬时受力图谱中读出下落小球与压电式传感器第一次接触的初始时刻t0、第一次接触完成的末时刻t1以及回弹后与压电式传感器第二次下落接触的初始时刻t2；

根据公式二计算出冲量变化值，公式二为：I＝ΔP＝mv1-mv0(记v1方向为正方向)；

根据公式三计算出v0，公式三为：

根据公式四计算出v1，公式三为：

将根据公式一计算出的第一次接触过程的冲量值I、根据公式三计算出的v0和公式四计算出的v1的数值带入公式二中，求出小球测量质量m并与小球标准质量为M进行对比。

优选的，所述第一测试步骤包括将第一质量小球从第一指定高度无初始速度落下的子步骤A1、将第一质量小球从第二指定高度无初始速度落下的子步骤B1以及将第二质量小球从第二指定高度无初始速度落下的子步骤C1。

优选的，所述第二测试步骤包括将第一质量小球从第一指定高度无初始速度落下的子步骤A2、将第一质量小球从第二指定高度无初始速度落下的子步骤B2以及将第二质量小球从第二指定高度无初始速度落下的子步骤C2。

优选的，所述第三测试步骤包括将第一质量小球从第一指定高度无初始速度落下的子步骤A3、将第一质量小球从第二指定高度无初始速度落下的子步骤B3以及将第二质量小球从第二指定高度无初始速度落下的子步骤C3。

优选的，所述柔性夹持爪上设置有与第一质量小球直接接触的第一软橡胶连接部，用于减少柔性夹持爪张开时产生的机械振动。

优选的，所述柔性支架被设置为还包括用于减少压电式传感器受环境干扰产生机械振动的第二软橡胶连接部。

优选的，所述第二软橡胶连接部与压电式传感器直接相连。

优选的，所述测量支架上竖直开设有第一滑槽，且测量支架下方设有第一无杆气缸，测量支架的上部设有与第一滑槽相匹配的水平调整板，第一无杆气缸用于驱动水平调整板沿第一滑槽上下移动。

优选的，所述水平调整板上通过第二滑槽滑动安装有第一伸缩气缸，所述第一伸缩气缸的自由端固定连接有连接杆。

优选的，所述柔性夹持爪的一端固定安装第一夹持气缸，第一夹持气缸用于驱动柔性夹持爪进行夹持或放松的操作；所述第一夹持气缸远离柔性夹持爪的一端与连接杆固定连接。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明的利用压电式传感器反推小球质量的测试方法，通过设置传感器稳固步骤，且传感器稳固步骤被配置为利用柔性支架对压电式传感器进行稳固夹持，以减少待测力的分流，并且通过在柔性夹持爪上设置有与第一质量小球直接接触的第一软橡胶连接部，用于减少柔性夹持爪张开时产生的机械振动。柔性支架被设置为包括减少压电式传感器在被下落小球砸中时发生的位置偏移的稳定支撑结构，由此减少了测量过程中产生的机械振动以及待测力的分流，提高了测量数据的准确度。

本发明的利用压电式传感器反推小球质量的测试方法，通过将压电式传感器的输出端经过放大倍数确定的共射放大电路后输出瞬时受力图谱，由此可以将待测量的微振动的感应电压的大小进行放大，由此提高了压电式传感器测试的准确度。

附图说明

图1为本发明一种利用压电式传感器反推小球质量的测试方法的子步骤B1中压电式传感器的输出端经过放大倍数为的共射放大电路后输出瞬时受力图谱；

图2为本发明一种利用压电式传感器反推小球质量的测试方法中柔性支架和测量支架连接的结构示意图；

图3为本发明一种利用压电式传感器反推小球质量的测试方法中测量支架的结构示意图；

图4为本发明一种利用压电式传感器反推小球质量的测试方法中柔性夹持爪的结构示意图；

图5为本发明一种利用压电式传感器反推小球质量的测试方法中稳定支撑结构的结构示意图。

图中：1、测量支架；101、第一滑槽；102、水平调整板；103、第二滑槽；104、第一伸缩气缸；105、连接杆；106、第一夹持气缸；2、柔性夹持爪；201、第一软橡胶连接部；3、连接结构；301、第二软橡胶连接部；4、压电式传感器；5、稳定支撑结构。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图2所示，本发明提供的一种实施例：一种利用压电式传感器4反推小球质量的测试方法，提供一种测试装置，所述测试装置包括用于对下落小球进行夹持的柔性夹持爪2、用于固定柔性夹持爪2且高度可调的测量支架1、用于稳固压电式传感器4的稳定支撑结构5以及与压电式传感器4的非受力面直接连接且用于减少压电式传感器4的受力面在被下落小球砸中时发生的待测力分流的连接结构3；

所述压电式传感器4的受力面包括第一测试区域、第二测试区域和第三测试区域，压电式传感器4的输出端经过放大倍数确定的共射放大电路后输出瞬时受力图谱；

测试方法包括根据测试策略进行小球下落实验以及依据数据处理策略对实验数据和瞬时受力图谱进行计算求出小球测量质量m；

所述测试策略包括调整小球下落方向的下落匹配步骤以及进行测试的第一测试步骤、第二测试步骤、第三测试步骤，所述下落匹配步骤被配置为使第一测试步骤下的小球下落方向落入第一测试区域内部，使第二测试步骤下的小球下落方向落入第二测试区域内部，使第三测试步骤下的小球下落方向落入第三测试区域内部；

所述数据处理策略包括：

根据公式一从压电式传感器4输出的瞬时受力图谱中计算下落小球与压电式传感器4第一次接触过程的冲量值I，公式一为：

所述小球标准质量为M，下落高度为h,从压电式传感器4输出的瞬时受力图谱中读出下落小球与压电式传感器4第一次接触的初始时刻t0、第一次接触完成的末时刻t1以及回弹后与压电式传感器4第二次下落接触的初始时刻t2；

根据公式二计算出冲量变化值，公式二为：I＝ΔP＝mv1-mv0(记v1方向为正方向)；

根据公式三计算出v0，公式三为：

根据公式四计算出v1，公式三为：

将根据公式一计算出的第一次接触过程的冲量值I、根据公式三计算出的v0和公式四计算出的v1的数值带入公式二中，求出小球测量质量m并与小球标准质量为M进行对比。

优选的，所述第一测试步骤包括将第一质量小球从第一指定高度无初始速度落下的子步骤A1、将第一质量小球从第二指定高度无初始速度落下的子步骤B1以及将第二质量小球从第二指定高度无初始速度落下的子步骤C1。

优选的，所述第二测试步骤包括将第一质量小球从第一指定高度无初始速度落下的子步骤A2、将第一质量小球从第二指定高度无初始速度落下的子步骤B2以及将第二质量小球从第二指定高度无初始速度落下的子步骤C2。

优选的，所述第三测试步骤包括将第一质量小球从第一指定高度无初始速度落下的子步骤A3、将第一质量小球从第二指定高度无初始速度落下的子步骤B3以及将第二质量小球从第二指定高度无初始速度落下的子步骤C3。

优选的，所述柔性夹持爪2上设置有与第一质量小球直接接触的第一软橡胶连接部201，用于减少柔性夹持爪2张开时产生的机械振动。

优选的，所述柔性支架被设置为还包括用于减少压电式传感器4受环境干扰产生机械振动的第二软橡胶连接部301。

优选的，所述第二软橡胶连接部301与压电式传感器4直接相连。

本实用新型提供的一种实施例，高度可调的测量支架1上竖直开设有第一滑槽101，且测量支架1下方设有第一无杆气缸，测量支架1的上部设有与第一滑槽101相匹配的水平调整板102，第一无杆气缸用于驱动水平调整板102沿第一滑槽101上下移动。对应的，水平调整板102上设有与第一滑槽101相匹配的第一滑块。

本实用新型提供的一种实施例，所述水平调整板102上通过第二滑槽103滑动安装有第一伸缩气缸104，且该实施例中，水平调整板102上与第二滑槽103的开设方向相平行的两侧开设有方形滑槽，第一伸缩气缸104通过贯穿方形滑槽的两个第一固定螺栓与水平调整板102固定连接；所述第一伸缩气缸104的自由端固定连接有连接杆105，通过第一伸缩气缸104驱动连接杆105沿与第一滑槽101的开设方向相垂直的方向水平伸缩移动，以对柔性夹持爪2的水平位置进行调节。

优选的，所述柔性夹持爪2的一端固定安装第一夹持气缸106，第一夹持气缸106用于驱动柔性夹持爪2进行夹持或放松的操作；所述第一夹持气缸106远离柔性夹持爪2的一端与连接杆105固定连接。

如图2和图3所示，图2为本发明一种利用压电式传感器4反推小球质量的测试方法中柔性支架和测量支架1连接的结构示意图，图3为本发明一种利用压电式传感器4反推小球质量的测试方法中测量支架1的结构示意图，测量支架1上竖直开设有第一滑槽101，用于调整柔性夹持爪2与压电式传感器4的垂直距离，并且测量支架1的上部设有与第一滑槽101相匹配的水平调整板102，通过第一无杆气缸驱动水平调整板102沿着第一滑槽101上下移动以调整柔性夹持爪2与压电式传感器4的垂直距离，所述水平调整板102上通过第二滑槽103滑动安装有第一伸缩气缸104，第一伸缩气缸104用于驱动连接杆105沿水平方向伸缩移动，所述连接杆105的一端固定连接有第一夹持气缸106，第一夹持气缸106用于驱动柔性夹持爪2进行夹持放松的操作。以此来完成柔性夹持爪2的在水平方向和竖直方向上的移动操作，以及柔性夹持爪2的夹持放松的操作。

如图4-图5所示，为本发明一种利用压电式传感器4反推小球质量的测试方法中柔性夹持爪2的结构示意图，所述柔性夹持爪2上设置有与第一质量小球直接接触的第一软橡胶连接部201，用于减少柔性夹持爪2张开时产生的机械振动，提高测量的准确度。

本发明提供的第二种实施例的实验进行如下：

关于压力传感器的选用：大多数的力传感器内包含弹性元件，弹性元件在力的作用下会发生变形，通过弹簧的变形可以确定作用力的大小。为了获得较高的测量分辨力，要求弹性元件有足够大的弹性。然而，较大的弹性却限制了传感器的频率范围，同时由于力的作用，弹性元件的几何形状以及力臂关系均会发生变化，为克服这一限制，本实施例采用压电式传感器4进行实验。采用石英作为压电材料，可以在力的作用下产生与所受力成比例的电荷，作用力越大，电荷越多。并且由于石英的刚性很高，在力的作用下位移非常小，对于小球下落这种快速过程的测量，由于石英的高刚度和与之关联的高固有频率，其优越性是其它任何原理无法比拟的。石英压电式传感器4将压力直接转换成线性、并且无滞后的输出信号，该输出信号经过放大倍数确定的共射放大电路后输出瞬时受力图谱。

选用标准质量为10g和30g的两个小球进行压电式传感器4测试实验，首先将压电式传感器4利用柔性支架进行稳固夹持，具体的，该柔性支架包括减少压电式传感器4的受力面在被下落小球砸中时发生的待测力分流的连接结构3和减少压电式传感器4在被下落小球砸中时发生的位置偏移的稳定支撑结构5，该稳定支撑结构5通过螺栓固定连接在测量平面上；连接结构3与稳定支撑结构5通过螺栓连接，且该连接结构3还包括与压电式传感器4非受力面连接的夹紧连续调节机构，通过夹紧连续调节机构可以对压电式传感器4进行稳固夹持并能够对夹持的松紧程度进行连续调节；

具体的，该夹紧连续调节机构设置为螺纹夹紧结构，且第二软橡胶连接部301固定安装在螺纹夹紧机构的螺杆上与压电式传感器4的非受力面直接接触的一侧，可以减少压电式传感器4受环境干扰产生的机械振动。

具体的，该测量支架1上安装有沿水平方向设置的柔性夹持爪2，该柔性夹持爪2的内侧设有与第一质量小球直接接触的第一软橡胶连接部201，用于减少柔性夹持爪2张开时产生的机械振动。

首先将高度可调的测量支架1的高度固定在距离压电式传感器4的受力面10cm的位置，并将压电式传感器4的受力面按面积均为为第一测试区域、第二测试区域和第三测试区域，然后根据下落匹配步骤使第一测试步骤下的小球下落方向落入第一测试区域内部，使第二测试步骤下的小球下落方向落入第二测试区域内部，使第三测试步骤下的小球下落方向落入第三测试区域内部，接着用标准质量为10g和30g的两个小球在在距离压电式传感器4的受力面10cm的位置处分别进行子步骤A1、子步骤B1、子步骤A2、子步骤B2、子步骤A3、子步骤B3的实验操作，并将得到相应的数据记录到相应的表格内。然后将用标准质量为30g的小球在在距离压电式传感器4的受力面50cm的位置处分别进行子步骤C1、子步骤C2、子步骤C3的实验操作，并将得到相应的数据记录到相应的表格内。其中，子步骤A1和子步骤B1中的测量数据是保持下落高度为10cm不变，小球的标准质量分别为10g和30g的情况下做出的实验数据。子步骤C1和子步骤B1中的测量数据是保持小球的标准质量均为30g不变，小球的下落高度分别为10cm和50cm的情况下做出的实验数据。

以下将以子步骤B1为例，详细说明通过压电式传感器4输出的瞬时受力图谱反推小球质量的计算过程：

该实施例中压电式传感器4的输出端经过放大倍数为的共射放大电路后输出瞬时受力图谱如图1所示。

根据公式一

从压电式传感器4输出的瞬时受力图谱中计算下落小球与压电式传感器4第一次接触过程的冲量值I＝0.072kg·m/s；

小球标准质量为30g，下落高度为10cm,从压电式传感器4输出的瞬时受力图谱中读出下落小球与压电式传感器4第一次接触的初始时刻t0、第一次接触完成的末时刻t1以及回弹后与压电式传感器4第二次下落接触的初始时刻t2，如图1所示；

根据公式三

计算出v0＝-1.4m/s；

根据公式四

计算出v1＝1.0m/s：；

根据公式二计算出冲量变化值，公式二为：I＝ΔP＝mv1-mv0(记v1方向为正方向)；

将根据公式一计算出的第一次接触过程的冲量值I、根据公式三计算出的v0和公式四计算出的v1的数值带入公式二中，求出小球测量质量m＝30g。

根据子步骤B1的计算过程计算子步骤A1和子步骤C1至子步骤C3的计算过程，最终得到如表1所示的实验数据分析表，根据表1将得到的实测质量的数据与标准质量的数据进行对比测试。

表1实验数据分析表

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (8)

1.一种利用压电式传感器反推小球质量的测试方法，其特征在于，提供一种测试装置，所述测试装置包括用于对下落小球进行夹持的柔性夹持爪、用于固定柔性夹持爪且高度可调的测量支架、用于稳固压电式传感器的稳定支撑结构以及与压电式传感器的非受力面直接连接且用于减少压电式传感器的受力面在被下落小球砸中时发生的待测力分流的连接结构；

所述连接结构为柔性支架，所述柔性支架还包括用于减少压电式传感器受环境干扰产生机械振动的第二软橡胶连接部；所述第二软橡胶连接部与压电式传感器直接相连；

所述压电式传感器的受力面包括第一测试区域、第二测试区域和第三测试区域，压电式传感器的输出端经过放大倍数确定的共射放大电路后输出瞬时受力图谱；

测试方法包括根据测试策略进行小球下落实验以及依据数据处理策略对实验数据和瞬时受力图谱进行计算求出小球测量质量m；

所述测试策略包括调整小球下落方向的下落匹配步骤以及进行测试的第一测试步骤、第二测试步骤、第三测试步骤，所述下落匹配步骤被配置为使第一测试步骤下的小球下落方向落入第一测试区域内部，使第二测试步骤下的小球下落方向落入第二测试区域内部，使第三测试步骤下的小球下落方向落入第三测试区域内部；

所述数据处理策略包括：

根据公式一从压电式传感器输出的瞬时受力图谱中计算下落小球与压电式传感器第一次接触过程的冲量值I，公式一为：

F为压电式传感器输出的瞬时受力；

所述小球标准质量为M，下落高度为h,从压电式传感器输出的瞬时受力图谱中读出下落小球与压电式传感器第一次接触的初始时刻t0、第一次接触完成的末时刻t1以及回弹后与压电式传感器第二次下落接触的初始时刻t2；

根据公式二计算出冲量变化值，公式二为：I＝ΔP＝mv1-mv0，记v1方向为正方向；

根据公式三计算出v0，公式三为：

根据公式四计算出v1，公式三为：

将根据公式一计算出的第一次接触过程的冲量值I、根据公式三计算出的v0和公式四计算出的v1的数值带入公式二中，求出小球测量质量m并与小球标准质量M进行对比。

2.根据权利要求1所述的一种利用压电式传感器反推小球质量的测试方法，其特征在于：所述第一测试步骤包括将第一质量小球从第一指定高度无初始速度落下的子步骤A1、将第一质量小球从第二指定高度无初始速度落下的子步骤B1以及将第二质量小球从第二指定高度无初始速度落下的子步骤C1。

3.根据权利要求1或2所述的一种利用压电式传感器反推小球质量的测试方法，其特征在于：所述第二测试步骤包括将第一质量小球从第一指定高度无初始速度落下的子步骤A2、将第一质量小球从第二指定高度无初始速度落下的子步骤B2以及将第二质量小球从第二指定高度无初始速度落下的子步骤C2。

4.根据权利要求1或2所述的一种利用压电式传感器反推小球质量的测试方法，其特征在于：所述第三测试步骤包括将第一质量小球从第一指定高度无初始速度落下的子步骤A3、将第一质量小球从第二指定高度无初始速度落下的子步骤B3以及将第二质量小球从第二指定高度无初始速度落下的子步骤C3。

5.根据权利要求1或2所述的一种利用压电式传感器反推小球质量的测试方法，其特征在于：所述柔性夹持爪上设置有与第一质量小球直接接触的第一软橡胶连接部，用于减少柔性夹持爪张开时产生的机械振动。

6.根据权利要求1所述的一种利用压电式传感器反推小球质量的测试方法，其特征在于：所述测量支架上竖直开设有第一滑槽，且测量支架下方设有第一无杆气缸，测量支架的上部设有与第一滑槽相匹配的水平调整板，第一无杆气缸用于驱动水平调整板沿第一滑槽上下移动。

7.根据权利要求6所述的一种利用压电式传感器反推小球质量的测试方法，其特征在于：所述水平调整板上通过第二滑槽滑动安装有第一伸缩气缸，所述第一伸缩气缸的自由端固定连接有连接杆。

8.根据权利要求7所述的一种利用压电式传感器反推小球质量的测试方法，其特征在于：所述柔性夹持爪的一端固定安装第一夹持气缸，第一夹持气缸用于驱动柔性夹持爪进行夹持或放松的操作；所述第一夹持气缸远离柔性夹持爪的一端与连接杆固定连接。

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