专利名称：用于校准加速度和力传感器的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于在杆中激励波(特别是带有高幅值的波)以便校准加速度传感器 和力传感器的一种方法和装置。像这样的一个传感器是一种机电换能器，该换能器将机械 的可变加速度或力转换成一个电气地可测量的信号，例如，电荷或电压。必须进行校准以便 确定该传感器的转换功能。
背景技术：
用于校准加速度传感器的不同装置是已知的。IS016063说明了用于对振动和冲击 传感器进行校准的多种装置和方法。为了校准大于lOOOm/s2的加速度幅值，必需使用冲击 形式的信号，这就是说在时间上受限制的信号。通常已知的锤与砧的原理(它是基于两个 彼此撞击的实心体)在高达5000m/s2的加速度幅值上令人满意地工作。为了产生用于高 质量校准的更高的加速度，则必须使用霍普金森杆原理。在IS016063-13说明了所述的校 准方法。静态方法被常规地用于校准力传感器。这意味着对传感器加载一个静态重力。通 过随时间改变并且由一个霍普金森杆产生的信号校准力传感器代表了了一种新事物。在原理上，通过一个霍普金森杆来进行校准的三种不同的方法是已知的。这些不 同的方法涉及到所使用的参考传感器系统。在杆末端处的加速度是可以通过一个光学测量系统(例如，激光振动计)或一个 参考加速度传感器或力传感器来测量。另一种用于校准的方法是通过多个应变仪来测量杆 上的应变。杆末端的加速度可以由该杆的应变来计算。霍普金森杆原理是基于以下事实，即一个机械波在一个细长的杆中传播。波在一 个自由的杆末端处的反射导致了一种运动，该运动产生了用于校准这些传感器所需要的加 速度或力。作为一个细长的杆的这些特性的结果，这些加速度和力可以达到非常高的幅值 (对应地大于1000000m/s2以及大于100000N)。在传统的霍普金森杆的情况下，一个实心体(例如，一个钢球)被射向杆的一端， 由此导致一个机械力冲击。这种力冲击在杆中触发了一个纵向延伸的波，并且该波可以沿 杆传播。在杆末端处的应变随时间的曲线连同加速度和力/时间的曲线是由在该杆的起点 处的冲击力的力/时间曲线所限定的。例如，大的钢球激发了一个很窄频率的频率谱。当 球的直径变得较小时，则频率谱变得较宽。然而，当球的直径变得较大时，最大幅值极大地 增加。传统的霍普金森杆的主要缺点是-它不可能影响加速度信号的形式。_加速度的麦冲持续时间是由该冲击配合件预先确定的并且因此困以使其受影 响。-这些加速度信号并因此校准结果的再现性受到这些冲击配合件的磨损的限制。-从约为大于5000m/s2起的受限制的低幅值的范围。US5000030A说明了用于测量冲击加速计的动态特性的一种方法和装置。一个参考传感器系统被定位于一个霍普金森杆上，并且有待被校准的传感器被定位于其末端处。除 其他之外，还可以通过一个压电元件来激发一个机械冲击。对于信号形式、信号幅值或这些 信号的脉冲持续时间没有故意的影响。US3830091A说明了一种用于校准加速度传感器的测试系统，其中被安装在一个铝 杆侧面的多个机电致动器通过开环与闭环电子装置在该杆中产生了共振，并且有待测试的 加速度传感器连同一个参考加速度传感器被安装在该杆的一端上。在这个测试系统中可 以产生谐波加速度。然而，加速度的这些频率仅可以被设置为基本频率的整数倍(例如， IkHz，2kHz，3kHz. · ·)。可实现的加速度幅值仅为约3000m/s2。
发明内容
本发明的目的是通过一个霍普金森杆来开发用于校准加速度和力传感器的一种 方法和装置，这使之有可能在一个宽的幅值范围上故意影响信号形式、信号幅值以及这些 信号的脉冲持续时间。该装置应当具有一种简单的设计，并且应当可靠地、安全地并且以极 少的维护来工作。根据本发明，这个目的是通过权利要求1所述的方法的这些特征以及通过权利要 求3所述的装置的这些特征来实现的。从属权利要求2以及4至5说明了多个改进特征。根据本发明用于校准加速度和力传感器的装置使用了一个参考传感器系统，该参 考传感器系统通常是形成在一个霍普金森杆上。该参考传感器系统可以是一种光学测量系 统(例如，一种激光振动计)或一个参考传感器。另一种用于校准的方法是通过多个应变 仪来测量该杆上的应变。在杆末端的加速度或力可以由该杆的应变来计算。通常所使用的霍普金森杆是一个金属杆，该金属杆具有约2米至4米的长度并且 具有约18mm至30mm的厚度。有待被校准的传感器被附装到该霍普金森杆的一端上。被附装到该霍普金森杆的 相反端上的一个机电致动器被用于激发一个加速度冲量或力冲量。一个平衡重量在与该霍普金森杆相反处被附装到机电致动器上，该平衡重量必须 比该杆的长度短许多并且必须具有大于杆质量的1/100的质量。这个平衡重量具有的功能 是将致动器力引入到杆中。该机电致动器通过一条控制线被连接到开环与闭环控制电子装置上。该机电致动器优选地是一个压电致动器或是一种磁致伸缩的致动器。一个磁致伸 缩的致动器可以被非常简单地连接到该杆上，但它比压电致动器的效率低很多。一个控制线可以从该参考传感器系统弓丨导到该开环与闭环控制电子装置上。该装置可以用于校准力或加速度传感器。为了校准加速度传感器，必须将该传感 器安装在杆的自由端上。为了校准力传感器，该传感器必须与一个连接质量一起安装在杆 的自由端上。根据本发明的装置的操作如下通过霍普金森杆的已知的校准方法的所说明的这些缺点产生于以下事实，即该杆 中的波是由一个机械力冲击引起的。本发明是基于该机械力冲击被一种用于在该杆中激发 多个波的一种替代方法所代替。这种方法的目的是将一个电动驱动信号转换成一个限定的 力冲击。这种类型的换能器总体上可以被称为致动器。具体地讲，机电致动器可以通过根据本发明的装置而用于校准加速度和力传感器，这些机电致动器具有一个宽的力的动态范 围(ImN至5kN)以及一个宽的可使用的频率范围(大于IOkHz)。通过测量该参考传感器系统上的对应的变量可以控制加速度和力的冲击形式。该 测量变量被传输给闭环控制电子装置，并且该机电致动器的这些驱动信号可以被故意地预失真。如果霍普金森杆以其纵向自然频率被带入共振状态并且该激励功率是恒定的，则 在该杆末端处产生该加速度或力幅值的最大值。这允许以一种特别能量有效的方式来实现 大的加速度幅值和力的幅值。在杆末端处的加速度和力的幅值通过叠加多个波而被最大化。该力和加速度幅值 是借助机电致动器、通过以霍普金森杆的更新的激励的形式重复地供给能量而在多级中增 加。本发明使之有可能克服通过霍普金森杆的传统校准方法的这些缺点。本发明的优点是可以电气地影响加速度信号的形式。加速度信号的脉冲持续时 间也可以被电气地影响。本发明使之有可能影响信号形式(谐波信号、脉冲信号)、信号幅 值(典型地是20m/s2至100000m/S2)以及这些信号的脉冲持续时间(典型地是50 μ s至 500 μ S)。几乎不存在磨损，因此改进了这些加速度信号的以及校准结果的可再现性。此外，与常规的校准装置相比，作为该校准装置的有利特性可以提及这些校准运 行的简单自动化的能力以及更加能量有效的操作方式。
在下文中将通过参见两个示例性实施方案对本发明予以更详细地说明。在附图 中图1示出了带有作为参考传感器系统的激光振动计的一个校准装置，图2示出了带有作为参考传感器系统的力传感器的一个校准装置。
具体实施例方式图1示出了一种用于校准加速度传感器的装置。该装置包括一个霍普金森杆1，该 杆是金属圆柱形的杆的形式，具有2米的长度以及20毫米的直径。一个压电致动器2通过 强制配合被连接到霍普金森杆1上杆的左手起点处。一个具有50mm的直径以及30mm的长 度的圆柱形金属平衡重量3被黏性地结合到致动器2上。有待被校准的传感器4被安装在 该杆的右手末端处。参考传感器系统8是出于一个激光器的形式。该开环与闭环控制电子 装置通过控制线7控制着压电致动器2。图2说明了 一种用于校准力传感器的装置。该装置包括一个霍普金森杆1，该杆通 常是金属圆柱形的杆的形式，具有2米的长度以及20毫米的直径。一个压电致动器2通过 强制配合被连接到霍普金森杆1上杆的左手起点处。一个圆柱形金属平衡重量3具有50mm 的直径以及30mm的长度，并且被黏性地结合(即被整体地连接)到压电致动器2上。有待 被校准的传感器4、参考传感器8以及连接质量9被安装在杆的右手末端上。开环与闭环控 制电子装置6通过控制线7控制着压电致动器2。
这些来自有待校准的传感器4以及参考传感器系统8的信号被供给开环与闭环控 制电子装置6。通过用限定的电信号对压电致动器2进行驱动在杆中产生了多个限定的波。 限定的加速度-时间信号以及力-时间信号因此可以由这些波在该杆的右手末端处的反射 来产生。通过改变在压电致动器2处的这些电动驱动信号可以故意地影响在杆右手末端 处的这些信号。因此，本发明使之有可能影响信号形式(谐波信号、脉冲信号)、信号幅 值(典型地是20m/s2至100000m/S2)以及这些信号的脉冲持续时间(典型地是50 μ s至 500 μ S) 二者。为了在该杆的末端处产生一个限定的标称信号，可以使用参考传感器系统的这些 实际信号，以便将它们与标称信号进行比较。用于该致动器的这些驱动信号的预失真可以 通过多种适合的数学方法来进行计算，这样使标称信号产生在杆末端处。这使之有可能产 生与有待校准的对应的传感器相匹配的校准信号。可以使用杆的这些连续谱特性，以便在该杆的右手末端处实现特别高的信号幅值。一方面，该杆可以通过纵向自然频率的多个谐波信号来激励。这使之有可能在该 杆末端处通过引入最小量的电力而实现特别高的信号幅值。另一方面，该致动器可以用同一个信号周期性地被驱动。如果该驱动周期与波通 过杆的传播时间相匹配，则起始波与对应地最新产生的波相叠加。这种叠加同样使之有可 能在该杆末端处通过引入最小量的电力而实现特别高的信号幅值。参考符号清单
1杆
2机电致动器
3平衡重量
4有待校准的传感器
5控制线
6开环与闭环控制电子装置
7控制线
8参考传感器系统
9连接质量
权利要求
通过一个霍普金森杆对加速度和力传感器进行校准的一种方法，其中，以常规方式设计的一个参考传感器系统被定位于该霍普金森杆上并且有待校准的传感器被定位于该霍普金森杆的一端，该霍普金森杆的与该传感器相反的另一端是通过一个机电致动器来激发，以便将一个电信号转换成一个机械力，其特征在于，该机电致动器可以通过开环与闭环控制电子装置来驱动，并且其特征在于，一个加速度或力的脉冲形式是借助该参考传感器系统通过测量相应的变量来控制的，该测量变量被传输给该开环与闭环控制电子装置，并且用于该机电传感器的这些驱动信号被故意地预失真。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，通过多个波的叠加使该加速度幅值或力幅 值在该霍普金森杆的一端处被最大化。
3.一种用于实现如权利要求1所述的方法的装置，其中以常规方式设计的一个参考传 感器系统(8)被定位于一个霍普金森杆(1)上，并且有待校准的该传感器(4)被定位于该 霍普金森杆(1)的端部，并且其中，一个机电致动器(2)被固定地安装到该霍普金森杆(1) 的一端上，其特征在于，该机电致动器(2)通过一条控制线(7)被连接到开环与闭环控制电 子装置(6)上，其特征在于_ 一个平衡重量(3)在该机电致动器(2)的反面被附装到该霍普金森杆(1)上，并且-其特征在于，一条控制线(5)从该参考传感器系统(8)引导至该开环与闭环控制电子 装置(6)。
4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，该机电致动器(2)是一种压电致动器。
5.如权利要求3所述的装置，其特征在于，该机电致动器(2)是一种磁致伸缩的致动
全文摘要
将杆中波的激励(特别是以高幅值)用于校准加速度和力传感器。本发明涉及通过一个霍普金森杆来校准加速度和力传感器的一种方法和一种装置，该方法和装置用于在大幅值范围上对信号形式、信号幅值以及这些信号的脉冲持续时间进行受控制的影响。将一个参考传感器以及用于校准的传感器安排在霍普金森杆上。在该霍普金森杆的与这些传感器相反的末端处，通过一个机电致动器来进行该激励用于将一个电信号转换成一个机械力。该机电致动器可以通过一个控制和调节电子电路来控制。可以在加速度和力脉冲形式中实现一种有目标的影响和变化。
文档编号G01L25/00GK101918850SQ200980101627
公开日2010年12月15日 申请日期2009年5月18日 优先权日2008年5月29日
发明者马丁·布鲁克 申请人:斯派克塔震动科技与声学德累斯顿有限公司
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