适用于疲劳试验机加载力值的标定方法及所用标定装置

1.适用于疲劳试验机加载力值的标定装置，包括带有活塞（2）的气缸（1）、数据采集系统（3）、高精度力传感器I（4）、力传感器（6）以及用于夹取试样（8）的夹具（7），其特征是：
所述标定装置还包括高精度力传感器II（5），在活塞（2）和夹具（7）之间依次固定安装高精度力传感器I（4）、高精度力传感器II（5）和力传感器（6），所述高精度力传感器I（4）和高精度力传感器II（5）均与数据采集系统（3）信号相连；所述高精度力传感器I（4）和高精度力传感器II（5）属于完全相同的高精度力传感器。
2.利用如权利要求1所述的标定装置进行的加载力值标定方法，其特征是包括以下步骤：
1）、对高精度力传感器I（4）和高精度力传感器II（5）分别进行清零处理，清零后作如下定义：高精度力传感器I（4）采样的力定义为F1，高精度力传感器II（5）采样的力定义为F2；
2）、开始进行疲劳试验后，数据采集系统（3）对高精度力传感器I（4）和高精度力传感器II（5）进行同步采样，将采样到的F1与F2通过F=2F2-F1的计算公式获得F；所述F为力传感器（6）的标定值。

适用于疲劳试验机加载力值的标定方法及所用标定装置\n技术领域\n[0001] 本发明涉及一种适用于疲劳试验机加载力值的标定方法及所用标定装置。\n背景技术\n[0002] 气动式疲劳试验机是机械行业常用的一种疲劳试验机，其在在各种类型的疲劳试验机中具有结构简单、操作方便、效率高、耗能低等特点，因此应用范围广泛。\n[0003] 气动式疲劳试验机结构原理如图1所示，通过控制气缸1的气压实现活塞2来回运动，夹具7随着活塞2一起运动，对固定在夹具7上的试样8施加循环拉、压力，从而实现疲劳试验；在活塞2与夹具7之间安装力传感器6，力传感器6用来检测并显示力值或对气缸气压进行控制。加载力的大小靠调节气缸1的压力来实现，最简单的控制方法采用手动阀开环控制；在疲劳试验开始前根据力传感器6采集的值预先调节气缸1的阀门，从而控制加载力。也可以采用比例阀等可控阀代替手工阀并且实现闭环控制，即将力传感器6的采样值作为反馈量控制比例阀调节气缸1的气压，从而控制作用在试样8上的力。\n[0004] 在对试样8进行疲劳试验时，加载在试样8上的力的大小直接影响试样8的疲劳寿命。加载力是质检部门对疲劳试验机计量标定的关键指标。\n[0005] 参照其它试验机如材料试验机的力值标定方法，即在试验机现有传感器的基础上再外加一个高精度传感器，将该高精度传感器采样的值作为标准值与试验机显示的值进行比对。具体方式如图2所示，在活塞2与力传感器6之间串接高精度力传感器I4，高精度力传感器I4接数据采集系统3，实现力值测量。与疲劳试验机不同的是材料试验机标定的力是固定的力，而疲劳试验机标定的是变化的力，因此采用数据采集系统3采集力值的变化过程，并绘制采样曲线，代替材料试验机的高精度数显表从而实现变化的力值的采集及显示。但是这种方法对于静力试验力值标定是可行的，但在动力试验时会产生很大的偏差。\n因为被检测的力为动态力，疲劳试验机在运动的同时所连接的高精度力传感器I4也在一起运动，高精度力传感器I4的质量在运动过程中会产生惯性力，该惯性力与传感器质量与加速度有关。\n[0006] 图2中，力传感器6的显示值为F，高精度力传感器I4的显示值为F1，利用F1去标定F，F1与F的关系为：\n[0007] F＝F1+ma+mg\n[0008] 其中m为高精度力传感器I4的质量，g为重力加速度，a为运动加速度。在系统标定时，高精度力传感器I4连接好后必须首先对两个传感器(即力传感器6和高精度力传感器I4)清零(即去皮操作)，因此可认为\n[0009] F＝F1+ma\n[0010] 静态时，a＝0，因此F＝F1，而在疲劳试验机标定时加载的力为动态力，因此F≠F1，因此采用上述方法用F1的值直接标定F在标定方法上存在问题。疲劳试验过程中加速度大小和方向不断变化，随着试验频率的提高，加速度值变化很大，即使一个微小的质量m也会给标定带入很大的偏差。直接用这种方法去标定疲劳试验机的力传感器6，显然是无法得到准确结果。\n发明内容\n[0011] 本发明要解决的技术问题是提供一种适用于疲劳试验机加载力值的标定装置及相应的标定方法，采用该标定方法无须得到加速度a的值，能间接消除标定时由惯性力所带来的误差，从而达到准确标定的结果。\n[0012] 为了解决上述技术问题，本发明提供一种适用于疲劳试验机加载力值的标定装置，包括带有活塞的气缸、数据采集系统、高精度力传感器I、力传感器以及用于夹取试样的夹具，标定装置还包括高精度力传感器II，在活塞和夹具之间依次固定安装高精度力传感器I、高精度力传感器II和力传感器，高精度力传感器I和高精度力传感器II均与数据采集系统信号相连。\n[0013] 作为本发明的适用于疲劳试验机加载力值的标定装置的改进：高精度力传感器I和高精度力传感器II属于完全相同的高精度力传感器。\n[0014] 本发明还同时提供了利用上述标定装置进行的加载力值标定方法，包括以下步骤：\n[0015] 1)、对高精度力传感器I和高精度力传感器II分别进行清零处理，清零后作如下定义：高精度力传感器I采样的力定义为F1，高精度力传感器II采样的力定义为F2；\n[0016] 2)、开始进行疲劳试验后，数据采集系统对高精度力传感器I和高精度力传感器II进行同步采样，将采样到的F1与F2通过F＝2F2-F1的计算公式获得F；所述F为力传感器的标定值。\n[0017] 本发明的适用于疲劳试验机加载力值的标定装置，在活塞和力传感器之间连接两个完全相同的高精度传感器(即高精度力传感器I和高精度力传感器II)，并且将上述两个高精度传感器的采样值同时接入数据采集系统，由数据采集系统对采样值进行数据处理后得到力值，用该力值对疲劳试验机传感器(即力传感器)的值进行标定。具体原理和发明思路如下：\n[0018] 由于两个完全相同的高精度力传感器I、高精度力传感器II刚性固定连接，高精度力传感器I在高精度力传感器II的正上方，且高精度力传感器I和高精度力传感器II这两者之间无相对运动。高精度力传感器I固定在活塞上，高精度力传感器II与力传感器刚性固定连接，力传感器与夹具固定相连。上述连接关系完成后，活塞处于不受力状态，即气压等于大气压，然后对高精度力传感器I和高精度力传感器II清零(即去皮)。去皮后高精度力传感器I采样的力定义为F1，高精度力传感器II采样的力定义为F2，定义高精度力传感器I的质量为m1，定义高精度力传感器II的质量为m2，高精度力传感器I和高精度力传感器II这两个传感器在做疲劳运动时的加速度分别定义a1和a2，为由于采用两个完全相同的高精度传感器，并且两者间采用刚性连接，因此可认为(注：传感器及连接件本身的刚度影响会造成两个传感器间的相对运动，但该影响对整个试验可忽略不计，因此可以认为两个传感器间无相对运动)：\n[0019] m1＝m2＝m，\n[0020] a1＝a2＝a，\n[0021] 其中m为单个高精度传感器的质量，a为疲劳试验时的加速度值。\n[0022] 两个高精度传感器采样的值的关系为：\n[0023] F2＝F1+ma，\n[0024] 定义ΔF：\n[0025] ΔF＝F2-F1＝ma\n[0026] 加载在力传感器上的值F与F2的关系为：\n[0027] F＝F2+ma\n[0028] 因此可得：\n[0029] F＝F2+ΔF＝2×F2-F1\n[0030] 数据采集系统实现对高精度力传感器I和高精度力传感器II进行高速高精度同步采样，将采样到的F1与F2通过上述运算得到的值F，绘制力值曲线，该曲线直接显示出加载的力的波形及数值大小，由该曲线对力传感器进行标定。\n[0031] 本发明的适用于疲劳试验机加载力值的标定方法，由于与高精度力传感器的质量和运动加速度均无关，因此无论加速度值的如何变化，均不会对力传感器的标定值产生影响；所以，采用本发明方法所得的力传感器的标定值具有标定结果准确的特点。\n附图说明\n[0032] 下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。\n[0033] 图1是现有的气动式疲劳试验机的结构原理图；\n[0034] 图2是现有的适用于疲劳试验机加载力值的标定装置的结构示意图；\n[0035] 图3是本发明的适用于疲劳试验机加载力值的标定装置的结构示意图。\n具体实施方式\n[0036] 实施例1、图3给出了一种适用于疲劳试验机加载力值的标定装置，包括带有活塞\n2的气缸1、数据采集系统3、高精度力传感器I4、高精度力传感器II5、力传感器6以及用于夹取试样8的夹具7。高精度力传感器I4和高精度力传感器II5属于完全相同的高精度力传感器。上述部件均能通过市购的方式获得。例如，高精度力传感器I4和高精度力传感器II5可选用蚌埠宇航传感测控工程有限公司生产的精度测力传感器(S型)。\n[0037] 在活塞2和夹具7之间依次固定安装高精度力传感器I4、高精度力传感器II5和力传感器6，高精度力传感器I4在高精度力传感器II5的正上方，且高精度力传感器I4和高精度力传感器II5这两者之间无相对运动。具体为：活塞2与高精度力传感器I4固定相连，高精度力传感器I4和高精度力传感器II5刚性固定连接，高精度力传感器II5与力传感器6固定相连，力传感器6与夹具7固定相连。高精度力传感器I4、高精度力传感器II5均与数据采集系统3信号相连。\n[0038] 利用上述标定装置所进行的加载力值标定方法，依次进行以下步骤：\n[0039] 1)、对高精度力传感器I4和高精度力传感器II5分别进行清零处理(去皮)，清零后作如下定义：高精度力传感器I4采样的力定义为F1、高精度力传感器II5采样的力定义为F2；\n[0040] 2)、开始进行疲劳试验后，数据采集系统3对高精度力传感器I4和高精度力传感器II5进行同步采样，将采样到的F1与F2通过F＝2F2-F1的计算公式获得F；绘制力值曲线，该曲线直接显示出加载的力的波形及数值大小，由该曲线对力传感器6进行标定。\n[0041] 最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的一个具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。