专利名称：确定表面刚度和阻尼值的方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及了一个确定刚度和阻尼值的方法，尤其是确定体育场表面刚度和阻尼值的方法。本发明还涉及了实现上述方法的设备。
多年来采用人造草替代天然草已经得到广泛的关注。人造草坪通常由各类合成材料的纤维组成，它们用丝束钉住或其他方法固定在载体材料的垫层上。
这些人造草坪具有许多与天然草不同的性能。设想有关的性能有草坪与运动员脚之间的摩擦，由于摩擦引起的灼伤以及如草坪刚度和阻尼的性能。
了解这类人造草的性能和特点已变得愈来愈重要，因为也正在考虑如足球场的应用。另外，在草坪使用某些时间之后草坪性能有可能改变。
为了使得人造草坪也特别适合于其他用途，应该进一步改进许多相关的性能。出发点是要得到一个安全的人造草坪，它应该最适当地控制不损害运动员的脚和运动员本身，而球的弹跳特性应该尽可能相似于天然草坪的特性。其中对运动员起重要作用的性能中，球的落下和弹跳是草坪的刚度和阻尼性能。对测量人造草坪的刚度和阻尼性能已经建议了许多测量设备和方法，由此对这些性能获得了更深入的理解。但是，实际上，显然对使用这些设备的结果及其方便性并不满意。
本发明的目的是提供一个方法和一个设备，用于确定人造草坪的刚度和阻尼值，它以快速而有效的方式提供了可靠的测量结果，该设备还与用户友好和易于搬运。
为了达到上述目的，本发明的方法的特征在于一个垫块放在所讨论的表面上，在一个可调整频率区间上，以一个由力传感器检测作为第一信号的力，用一个电控激振器来撞击垫块，此后由一个加速度传感器来确定垫块的加速度作为第二信号，此后采用上述信号确定与频率有关的转换函数，由此接着确定上述表面的与频率有关的刚度和阻尼性能。
当采用本发明方法时，依靠把垫块放在人造草坪上的转换函数，可以很快得到上述人造草坪的刚度值和阻尼值。
沿着表面移动垫块可以很快得到在不同位置上人造草坪的刚度和阻尼值。另外，把垫块放在不同类型的人造草上，可以得到上述不同类型人造草的刚度和阻尼的基准值。
按照本发明方法的另一个优选实施例，以规定频率区间上的大量第一输入信号撞击垫块和检测垫块的相关第二输出信号，由此确定对每个频率的规定转换函数，此后形成峰值的自然频率被确定为刚度的度量，以及自然频率峰值的宽度用于阻尼值的度量，由此确定刚度和阻尼值。采用本发明方法，在被调整的频率区间上用噪声或扫描信号组成的输入信号来撞击垫块。显然这造成振幅和频率偏离的许多输出信号。具有相同频率的输入信号和输出信号的振幅相除。然后把这样得到的振幅比对每个频率画成一条专门的图线，由此立即显示，在称为自然频率的某个频率上振幅比达到峰值。显然，该峰值的高度是要测量草坪刚度的度量，而峰值的宽度是要测量草坪阻尼的度量。这样，非常简单地得到了一个特定草坪或一个特定人造草类型的刚度和阻尼程度的快速印象。
本发明还涉及了实现上述方法的一个设备，其特征在于一个包括两个以弹簧方式相互振动的质量的激振器，用弱弹簧悬挂在一个框架中，框架通过一个中间件支承在一个垫块上，垫块可以放在要测量刚度和阻尼值的表面上，其中在框架中导向激振器，使得活动质量的无阻碍运动只可能沿着垂直于垫块的方向，其中下激振器质量通过一个细长杆与中间件协同工作，以及其中有一个装置来改变细长杆上的质量，其中中间件通过一个力传感器和一个导向件与垫块连接。
按照本发明设备的另一个优选实施例，用三个平行的第一导向杆把激振器外壳连接到框架上，其中还用另外两个在垂直于上述第一杆的平面内延伸的平行杆把外壳连接到框架上。这样，得到了外壳在框架中的可靠导向，而同时保证外壳不会倾斜。
为了能够改变设备的测量范围，可采用附加的加载重块来改变激振器和垫块的质量。
为了增加激振器外壳撞击上述垫块的力，可以在外壳顶上放置附加的质量。为了把激振器外壳再放置在中间位置中，把外壳与一个拉伸弹簧连接，弹簧可以被一个绳索结构来补充拉伸。
现在参照附图来更详细说明本发明。
图1表示了一个用于测量表面刚度和阻尼值的设备示意图。
图2a-2c表示了在一个实施例中图1测量设备的三个透视图。
图3表示了放在搬运箱中的图2设备。
图4a-4b表示了图1和2设备的三个相互垂直的视图，已去除了悬挂激振器的框架部分。
图5表示了第一输入信号和第二输出信号之间的转换函数图。
在图1中，编号1表示了一个激振器外壳。该外壳中有一个熟知的激振器，它由被弹簧分开的两个振动质量组成，可以施加一个电压来驱动它。激振器外壳1通过导向杆2连接到一个包围激振器外壳的框架3上。事实上激振器外壳1被三个导向杆2导向，在该示意图中仅在前侧表示了两个导向杆，第三个导向杆在外壳1的后侧。外壳1还用两个弹性连接件2(图中未示)与框架3连接，它们位于垂直于导向杆2方向延伸的平面中。上述导向杆均非常柔软，使得激振器外壳1在框架3中的整个吊挂很松，从而激振器的振动仅以很小程度传递到框架3。框架3与中间件6连接，在实施例中，中间件6通过一个力传感器4和一个相应的导向件5与垫块7连接。激振器外壳1通过一个探测杆8与中间件6协同工作。还可以用一个拉伸弹簧9来控制激振器外壳1上的载荷，弹簧9通过绳索10与一个调整螺钉11连接，由此可以改变拉伸弹簧9的拉力，由此改变激振器外壳1上的载荷。
在图2a，2b和2c中还示意地表示了上述示意说明的设备的一个实施例。在这些图中，与图1所示部分相应的部分用相同编号表示，因此不需要做进一步说明。但是，应该注意到，用加载重块1 3可以改变在激振器外壳1上的载荷，而用放在垫块7上的加载重块14可以同样改变垫块7上的载荷。图3表示了与前面图中相同的设备，区别在于现在设备容纳在包围设备的一个搬运箱20中。
为了完全清楚，图2a，2b，2c中所示的设备再次以三个相互垂直的视图表示在图4a，4b，4c中，其中框架3已去除。
设备的操作如下。首先，带着垫块7的设备放在被测量的表面上，例如覆盖了人造草的运动场上。接着，用具有规定频率和强度的电压来驱动外壳1中的激振器。这引起激振器振动，这个振动通过探测杆8传递到中间件6，然后通过中间件6传递到垫块7。一个加速度传感器测量垫块7和中间件6的最终振动，作为具有规定频率和振幅的输出信号。这个频率和振幅与通过探测杆8的从激振器1传递到外壳的输入信号稍有差别。采用具有不同频率的许多电压来操作激振器1，通过加速度传感器15得到不同的输出信号。现在对每个频率把输入信号和输出信号的振幅相除，从而得到每个频率下的比值。把这些频率比(转换函数)Hθ画在图的垂直轴上，而相应的频率画在水平轴上。一个例子如图5所示。
显然，称为自然频率H0的峰值产生在一个规定的频率上，此时为Hθ，显然该峰值的高度Hθ是被测量草坪刚度的度量。另外，显然自然频率H0附近的峰值宽度是草坪阻尼值的度量。以这个非常简单的方式，已经同时测量了草坪的刚度值和阻尼值，由此可以确定草坪是否具有规定比赛所希望的性能。如果不是如此，则或者必须寻找不同类型的人造草，或者必须更新已测量的人造草。
上述测量设备具有耐久的尺寸并且易于用一个搬运箱(参见图3)搬运，箱的大小还易于操作。分别对激振器和接触盒7添加加载重块13和/或14，可以使设备适用于不同的测量范围。
权利要求
1.一个确定刚度和阻尼值的方法，尤其是确定体育场表面刚度和阻尼值的方法，特征在于一个垫块放在所讨论的表面上，在一个可调整频率区间上，以一个由力传感器检测作为第一信号的力，用一个电控激振器来撞击垫块，此后由一个加速度传感器来确定垫块的加速度作为第二信号，此后采用上述信号确定与频率有关的转换函数，由此接着确定上述表面的与频率有关的刚度和阻尼性能。
2.按照权利要求1的方法，特征在于以规定频率区间上的大量第一输入信号撞击垫块和检测垫块的相关第二输出信号，由此确定对每个频率的规定转换函数，此后形成峰值的自然频率被确定为刚度的度量，以及自然频率峰值的宽度用于阻尼值的度量，由此确定刚度和阻尼值。
3.实现按照以上两个权利要求中任一条的方法的一个设备，特征在于一个包括两个以弹簧方式相互振动的质量的激振器，用弱弹簧悬挂在一个框架中，框架通过一个中间件支承在一个垫块上，垫块可以放在要测量刚度和阻尼值的表面上，其中在框架中导向激振器，使得活动质量的无阻碍运动只可能沿着垂直于垫块的方向，其中下激振器质量通过一个细长杆与中间件协同工作，以及其中有一个装置来改变细长杆上的质量，其中中间件通过一个力传感器和一个导向件与垫块连接。
4.按照权利要求3的设备，特征在于用三个平行的导向杆把激振器外壳1连接到框架上，其中外壳还用另外两个在垂直于上述第一杆的平面中延伸的平行杆与框架连接。
5.按照权利要求3或4的设备，特征在于一个拉伸弹簧与激振器外壳连接，可以用装有拧紧螺钉的绳索来增加或减少弹簧的拉力。
6.按照权利要求3，4或5的设备，特征在于可以用附加的加载重块来改变激振器和垫块的质量。
全文摘要
本发明涉及了一个确定刚度和阻尼值的方法，尤其是确定体育场表面刚度和阻尼值的方法。本发明还涉及了实现上述方法的设备。本发明的目的是提供一个方法和一个设备，用于确定人造草坪的刚度和阻尼值，它以快速而有效的方式提供了可靠的测量结果，该设备还与用户友好和易于搬运。为了达到上述目的，本发明的方法的特征在于一个垫块放在所讨论的表面上，在一个可调整频率区间上，以一个由力传感器检测作为第一信号的力，用一个电控激振器来撞击垫块，此后由一个加速度传感器来确定垫块的加速度作为第二信号，此后采用上述信号确定与频率有关的转换函数，由此接着确定上述表面的与频率有关的刚度和阻尼性能。
文档编号G01M7/00GK1505753SQ02804667
公开日2004年6月16日 申请日期2002年2月1日 优先权日2001年2月7日
发明者爱德华·哈格, 韦南德·维特布勒克, 赫尔特·B·斯洛特韦格, 马里尼斯·H·奥尔德韦格黑斯, B 斯洛特韦格, 维特布勒克, 斯 H 奥尔德韦格黑斯, 爱德华 哈格 申请人:特恩凯特尼克隆有限公司
专业数控铣床产品供应商
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