一种利用压电式力传感器测量静态力的方法与流程

本发明属于力的测量技术，具体涉及一种利用压电式力传感器实现静态力的测量方法。

背景技术：

压电式力传感器是一种利用压电元件的压电效应的进行力测量的传感器。由于其具有结构简单、功耗小、动态特性良好等优点，被广泛应用于动态力的测量。但是，当被测力为静态的或者是频率很低时，压电式力传感器内部的压电元件上产生的电荷会在很短的时间内发生很大的衰减，因此业界认为这类传感器无法直接用于静态力或极低频力的测量。

为了实现压电式力传感器对静态力的测量，在近几十年来，诸多研究人员提出了各种测量方法。目前，运用压电元件测量静态力的研究方法有压电谐振频率测量法，电容测量法，衰减时间测量法等。

压电谐振频率测量法是将压电元件作为电路的谐振器，利用作用在压电元件上的静态力与其等效阻抗的关系，通过检测导纳或谐振频率实现静态力测量。电容测量法的实质是将压电元件看作电容器，通过测量静态力作用下电容的变化实现静态力测量。衰减时间测量法是通过测量压电元件输出信号的衰减时间，一般首先测量压电元件在静态力作用下响应信号的衰减时间常数，然后找到衰减时间与静态力之间的关系实现对静态力的测量。然而，由于压电元件上述电气参数会随着测量环境、被测力大小等发生变化，因此这些方法目前仍然无法实现静态力测量，同时这些方法都需要重新设计压电式力传感器。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题就是提供一种利用压电式力传感器实现测量静态力的方法，它在不改变压电式力传感器结构的情况下，能够克服压电式力传感器在静态力测量中电荷衰减的不利影响，获得稳定的输出电压，准确地测量静态力。

本发明所要解决的技术问题是通过这样的技术方案实现的，它包括以下步骤：

步骤1、建立压电式力传感器测量系统输出电压u(t)随时间变化的数学式

式中，u0为t＝0时压电式力传感器测量系统的输出电压；t为放电时间；r为压电式力传感器测量系统等效绝缘漏电阻；c为压电式力传感器测量系统的等效电容；取压电式力传感器测量系统的时间常数τ＝rc，则有：

步骤2、确定压电式力传感器测量系统的时间常数τ

在压电式力传感器测量系统的使用环境中，对压电式力传感器测量系统的输出电压的测试曲线进行拟合，得到时间常数τ；

步骤3、确定时间间隔δt及压电式力传感器测量系统的输出电压的衰减阈值δuth

时间间隔δt＝t1-t0＜τ，且δt∈[δtmin,δtmax]，t0是初始时刻，t1是δt的末时刻，δtmin由压电式力传感器测量系统的采样频率决定，δtmax由被测力的频率决定。

压电式力传感器测量系统的输出电压的衰减阈值δuth＝δumax：

δumax是在施加满量程静态力时，从初始时刻开始的时间间隔内，压电式力传感器测量系统输出电压的衰减值；

步骤4、判断静态力是稳恒力还是变恒力，并对压电式力传感器测量系统的输出电压进行补偿

若在确定的时间间隔δt内衰减值δu未超过衰减阈值δuth，则判断外力为静态力，则此时输出一个恒定值；

若在确定的时间间隔δt内该衰减值δu超过这一衰减阈值δuth，则判定外力发生变化，称为变恒力，此时使用该衰减值δu对压电式力传感器测量系统的输出电压进行补偿。

本发明的技术效果是：

本发明不改变现有压电式力传感器结构，通过软件补偿克服了压电式力传感器电荷衰减的影响，实现了利用压电式力传感器测量系统对静态力的测量，且不受测量环境和被测力大小的影响。

附图说明

本发明的附图说明如下：

图1(a)为现有压电式力传感器静态力测量系统的原理图

(b)为本发明压电式力传感器静态力测量系统的原理图；

图2为压电式力传感器和电荷放大器两部分的等效电路图；

图3为本发明的电压补偿算法流程图；

图4为本发明使用商用压电式力传感器在21n静态压力下的响应信号对比图；

图5为本发明使用商用压电式力传感器在静态力阶梯加载下的响应信号对比图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

现有压电式力传感器测量系统原理图如图1(a)所示，包括压电式力传感器、电荷放大器和信号显示单元。本发明涉及的压电式力传感器测量系统如图1(b)所示，包括压电式力传感器、电荷放大器、信号预处理单元和信号显示单元，相比现有压电式力传感器测量系统增加了信号预处理单元；压电式力传感器将输入的力信号转换成电荷信号输出，电荷信号经电荷放大器转化为电压信号，电压信号进入预处理单元后经过补偿处理实现静态力的测量，最后进入信号显示单元显示出来。压电式力传感器和电荷放大器两部分可等效为图2所示电路。

本发明包括以下步骤：

步骤1、建立压电式力传感器测量系统输出电压u(t)随时间变化的数学式

由于压电式力传感器测量系统存在等效电容c和等效绝缘漏电阻r，由于r不能达到无限大，所以压电式力传感器测量系统的输出电压u(t)不能保持恒定值，任意时刻输出电压u(t)为

式(1)中，u0为t＝0时压电式力传感器测量系统的输出电压；t为放电时间，取压电式力传感器测量系统时间常数τ＝rc，那么可有

由(2)式可知，由于压电式力传感器测量系统的输出电压按照指数形式衰减，因此必须确定压电式力传感器测量系统的时间常数τ。

步骤2、确定压电式力传感器测量系统的时间常数τ

由于测量环境和测量条件的影响，压电式力传感器测量系统的时间常数τ不是一个恒定值，这时，可以在压电式力传感器测量系统的实际测量环境中测量系统输出的衰减曲线，拟合出时间常数τ。

步骤3、确定时间间隔δt及压电式力传感器测量系统输出电压的衰减阈值δuth

本发明的关键参数是时间间隔δt和衰减阈值δuth，时间间隔δt的最小值由压电式力传感器测量系统的采样频率fs决定，δtmin＝1/fs；时间间隔δt的最大值由被测力的工作频率fw决定，δtmax＝1/(2fw)，要求：fs＞2fw。

设定初始时刻t0和末时刻t1,时间间隔δt＝t1-t0，δt是一个足够小的数，满足δt∈[δtmin,δtmax]，根据式(2)得压电式力传感器测量系统输出电压的衰减值δu：

显然，压电式力传感器测量系统输出电压在初始时刻的衰减最快，且静态力越大，u0越大，在从初始时刻开始的时间间隔δt内，压电式力传感器测量系统输出电压的衰减值δu越大，所以在施加满量程静态力时，在从初始时刻开始的时间间隔δt内，压电式力传感器测量系统输出电压的衰减值δu最大

该值即可作为压电式力传感器测量系统输出电压的衰减阈值δuth；当外力为稳恒力，则在确定的时间间隔δt内，压电式力传感器测量系统的输出电压的衰减值δu都不会超过δuth，因此可以将δuth作为一个衰减阈值来判断外力是否为稳恒力。

步骤4、判断静态力是稳恒力还是变恒力，并对压电式力传感器输出电压进行补偿

若在确定的时间间隔δt内衰减值δu未超过衰减阈值δuth，则判断外力为静态力，则此时输出一个恒定值。

若在确定的时间间隔δt内该衰减值δu超过这一衰减阈值δuth，则判定外力发生变化，称为变恒力，此时使用该衰减值δu对测量系统的输出电压进行补偿。

上述步骤4中，电压补偿的流程图如图3所示：

在步骤01，赋值t＝0、u(t)＝u(0)和补偿后的输出电压u(t)offset＝u(0)；

当加载被测力，测得的电压是还没来得及衰减，所以令开始时压电式力传感器测量系统的补偿后输出电压u(t)offset和实际测得的电压u(t)都等于初始输出u(0)。

在步骤02，比较|u(t+δt)-u(t)|>δuth，经过δt后，采样电荷放大器的输出u(t+δt)，将前一个采样值u(t)与当前采样值u(t+δt)之差的绝对值，跟衰减阈值δuth进行比较。

如不等式成立，则执行步骤03；否则执行执行步骤04；

在步骤03，u(t+δt)offset＝u(t)offset+u(t+δt)-u(t)，然后执行步骤05；

本步骤中，外力发生了改变，输出电压需要作补偿，即在原来的补偿后输出电压u(t)offset的基础上加上在δt时间间隔内的输出电压变化值，若u(t+δt)-u(t)＞0，则u(t+δt)offse增大；若u(t+δt)-u(t)＜0，则u(t+δt)offse减小。

在步骤04，u(t+δt)offset＝u(t)offset，然后执行步骤05；

本步骤中，外力没有发生变化，输出电压也应保持稳定，当前的补偿后的输出电压u(t+δt)offset等于原来的补偿后输出电压u(t)offset。

在步骤05，计算测量时间t＝t+δt，将u(t+δt)offset赋值给u(t+δt)；并输出u(t+δt)out和时间t；

在步骤06，判断是否结束测量，如果是，则执行步骤07；否则，执行步骤02；

在步骤07，结束程序。

实施例

cl-yd-305a型压电式力传感器，承受的压力范围最高可达10kn，精度可以达到0.03％，灵敏度约为4pc/n，非线性误差可以控制在1％以内，本实验采用cl-yd-305a型号的压电式力传感器。首先施加最大力，测出衰减数据，采用最小二乘法拟合曲线，从而得到时间常数τ，因此r，c不需要直接测出。本文中采样率设定为f＝10khz，但是，在现有的实验条件下，在操作系统中进行定时操作时，实验的操作最小的间隔是2ms，因此需要将δt设置为不小于2ms的一个值。根据实验硬件条件，再考虑到实验中的纹波干扰，实验中选取阈值δuth＝0.02v。

然后在传感器上施加稳恒力f为21n，得到测量系统的输出电压如图4所示，虚线是经本发明处理后的压电式力传感器测量系统输出电压随时间变化的特性曲线，实线为现有压电式力传感器测量系统自身的输出电压随时间变化的特性曲线，二者相比较，本发明在2秒时间内稳定输出电压1v，现有压电式力传感器测量系统输出电压随时间增加逐渐降低，在历经2秒时，输出电压下降至0.5v。可见，本发明能够准确地对压电式力传感器测量系统的衰减量实施补偿，获得稳定的输出电压，实现静态力测量。

在变恒力f作用在压电式力传感器条件下，每次增加10n的力，得到压电式力传感器测量系统的输出电压如图5所示，虚线是经本发明处理后的输出电压随时间变化的特性曲线，实线为现有压电式力传感器测量系统自身的输出电压随时间变化的特性曲线，二者相比较，经本发明处理后的输出电压能真实反映作用力阶跃变化。所以，本发明能有效补偿输出电压随时间增加逐渐降低，获得稳定、真实的输出电压。

在图4和图5中，在加力的初始阶段有一个冲击信号，该信号产生的原因是在加力时不可避免的有一个冲击信号施加在传感器上，但是很快就会消失，因此输出电压有一个冲击信号。