一种垂直落高落速测量系统及落速测量方法

技术领域

本发明属于光学测量技术领域，具体涉及一种垂直落高落速测量系统及落速测量方法。

背景技术

冲击试验机是工业计量领域常用的仪器设备，其核心部件是一个落锤，测试时，需要落锤垂直下落，直到击中被测物，用来检验被测物的抗冲击性能，或者借助冲击结果，检测被测物的其他性能参数。冲击试验机的落锤下落的冲击力需要符合一定的规范，而冲击力的计算，依赖于物体的下落高度或者下落到最下方时的冲击速度。目前，对于冲击试验机的下落高度的测量方法主要依赖人工利用尺子测量，不但耗费精力，测量时间长，测量精度也难以保证。冲击速度的测量方法常利用时差法，即在下落最下方的冲击位置安置两个激光对管，两个激光对管之间的距离已知，分别记录落锤通过两个激光对管的时间，然后利用激光对管的距离除以落锤经过两激光对管的时间差计算冲击速度。这种做法缺陷在于激光对管的位置精度不高，并且很难确保激光对管能够准确对齐落锤下落最下方的冲击位置，因此精度也难以保证。

因此本发明考虑到冲击试验机的实际需求，考虑到激光位移传感器能够对落锤下落轨迹进行跟踪测量，而从下落轨迹中，可以准确提取出落锤的下落高度和冲击位置的冲击速度。因此提出了一种垂直落高落速测量系统及落速测量方法，实现了落锤下落高度和冲击速度的同步高精度自动测量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够实现落锤垂直下落时，落锤撞击物体速度的落速测量方法；本发明的目的还在于提供一种该落速测量方法中使用的垂直落高落速测量系统。

本发明中一种垂直落高落速测量系统的技术方案为：

一种垂直落高落速测量系统，包括系统支撑悬臂，系统支撑悬臂包括支撑悬臂底座，支撑悬臂底座的上端设置有支撑悬臂，支撑悬臂上安装有二维角度调整台，二维角度调整台上安装有水平仪和竖向布置的激光位移传感器，激光位移传感器具有朝下的用于朝落锤发射激光以检测与落锤之间间距的测量端。

激光位移传感器通过传感器安装座安装于二维角度调整台上，传感器安装座包括竖板和与竖板固定连接的横板，横板安装于二维角度调整台上，激光位移传感器固定于竖板背离所述二维角度调整台的一侧，水平仪固定于横板的上端。

支撑悬臂底座包括前后间隔布置的前底座臂和后底座臂，支撑悬臂底座还包括固定于前底座臂、后底座臂右端的支撑悬臂立壁，支撑悬臂固定于支撑悬臂立壁的上端，二维角度调整台安装于支撑悬臂的悬臂端。本发明中发明名称中“垂直落高落速”是在垂直方向上下落高度下落速度的简写，因此本发明的全称也可以称之为垂直方向上下落高度下落速度测量系统。

本发明中落锤的落速测量方法的技术方案为：

1)将落锤置于垂直落高落速测量系统的激光位移传感器下侧，使得激光位移传感器的出射光能够照射在落锤上，打开激光位移传感器，开始记录落锤的下落轨迹数据。

2)使落锤7做自由落体垂直下落，直到接触地面达到平稳状态，停止测量，得到落锤7下落轨迹测量数据，记为L

3)从i＝0开始遍历i＝0,1,…,N-5，计算

ΔL

直到第一次满足式(2)，即落锤的位置出现了明显的变化，说明下落开始，

ΔL

其中σ为激光位移传感器1的测量不确定度，记此时的i-5为i

为起始下落高度，其中利用平均效应，提升了其实下落高度的测量精度，若直到遍历结束未满足式(2)，则认为测量失败，需重新测量，为了得到L

4)从i＝i

ΔL

直到第一次满足式(4)，即下落出现回弹，说明已经下落到底，

ΔL

记此时的i-5为i

5)从i＝i

其中

直到第一次满足式(7)，即下落轨迹的波动已经很小，说明落锤已经稳定在下落位置，

stdL<σ (7)

记此时的i+5为i

为终点下落高度，若直到遍历结束未满足式(7)，则认为测量失败，需重新测量。

6)下落高度为H＝L

7)记从i

记

进而拟合出下落轨迹和时间之间的三次函数，之所以不用二次函数，是因为下落过程中存在风阻，在速度不高的情况下，风阻力和速度成一次项关系，进而下落轨迹存在关于时间的三次项，因此三次函数拟合更加精确，拟合方法如下

其中XY指矩阵X,Y做矩阵乘法运算，X

其中k_1,k_2,k_3分别是下落轨迹中的一次项、二次项和三次项系数，

8)设

L1

从i＝0开始遍历，i＝0,…,M-1，其中M为L1的长度，计算式(14)

ΔL1_H

直到第一次满足式(15)

记录此时的i为i

9)下落速度为

本发明的有益技术效果体现在以下方面：

本发明仅使用了一个激光位移传感器，便实现了落锤落高的自动同步测量，简化了方案，节省了成本，本发明的创新重点在于落高和落速检测算法上，巧妙的利用了激光位移传感器能够连续采样落锤下落轨迹的特性，以下落前和下落稳定后多次采集数据的平均值作为落高计算的起始点，从而利用平均效应，提升了落高测量的精度，并且，对于落速测量，通过对下落阶段的识别和轨迹拟合算法，使得在位移传感器的采样频率较低时，也能精确识别下落到最下方时的准确时间，从而低成本，高精度的实现了落速测量。

附图说明

图1为本发明中垂直落高落速测量系统的一个实施例的结构示意图；

图中：1、激光位移传感器；2、二维角度调整台；3、水平仪；4、竖板横板；5、横板；6、支撑悬臂；7、落锤；8、前底座臂；9、后底座臂；10、支撑悬臂立臂。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面结合附图和具体实施例，对本发明进行更详细的说明。附图中给出了本发明的较佳的实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本说明书所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

需要说明的是，除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是用于限制本发明。

下面结合附图，对本发明的各实施例进行详细说明。

一种垂直落高落速测量系统的实施例如图1所示，包括系统支撑悬臂，系统支撑悬臂包括支撑悬臂底座，支撑悬臂底座包括前后间隔布置的前底座臂和后底座臂，支撑悬臂底座的右端固定有支撑悬臂立臂，支撑悬臂立臂的顶部固定有左端为悬伸端的支撑悬臂。

支撑悬臂的悬伸端安装有二维角度调整台，本实施例中的二维角度调整台为二维角度调整台，二维角度调整台属于现有技术，在此对其结构不再详述。二维角度调整台上通过传感器安装座安装有竖向布置的激光位移传感器，激光位移传感器具有朝下的用于朝落锤发射激光以检测与落锤之间间距的测量端。传感器安装座包括竖板和通过螺栓与竖板固定连接的横板，横板安装于二维角度调整台上，激光位移传感器固定于竖板背离所述二维角度调整台的一侧，横板的上端固定有水平仪。支撑悬臂采用悬臂结构，保证前底座臂后底座臂的左端之间没有障碍物，方便操作任意进行落锤的释放操作。

其使用时，首先需要完成硬件设备的搭建，目的是使得激光位移传感器的出射光方向为垂直向下。

将竖板4和横板5通过螺栓连接，激光位移传感器1通过螺栓固定在竖板4上，横板5固定在二维角度调整台2上，水平仪3固定在横板5上方，二维角度调整台2安装在支撑悬臂6上，使得激光位移传感器和地面有一定的距离。

调整激光位移传感器1出射光方向，通过调整二维角度调整台2，使得出射光的方向为垂直向下方向。具体调整方法如下：

1)初次安装时，首先调整二维角度调整台，使得水平仪显示为水平状态，并固定二维角度调整台。

2)调整激光位移传感器的安装位姿，使得落锤垂直下落时，打在落锤表面的光斑的位置不发生变化，固定激光位移传感器。

3)后续调整时，只需要调整二维角度调整台，使得水平仪显示为水平状态，即说明激光位移传感器的出射光已经处于垂直向下的方向。

在硬件设备安装完毕后，只需要将落锤7置于激光位移传感器的下方自由下落即可实现落高和落速的测量。

本发明中落锤的落速测量方法的实施例如图1所示：具体测量过程如下，

1)将落锤7置于垂直落高落速测量系统的激光位移传感器1的下侧，使得激光位移传感器1的出射光能够照射在落锤7上，打开激光位移传感器1，开始记录落锤7的下落轨迹数据，垂直落高落速测量系统的具体结构与上述垂直落高落速测量系统的实施例相同，在此不再详述。

2)使落锤7做自由落体垂直下落，直到接触地面达到平稳状态，停止测量，得到落锤7下落轨迹测量数据，记为L

3)从i＝0开始遍历i＝0,1,…,N-5，计算

ΔL

直到第一次满足式(2)，即落锤的位置出现了明显的变化，说明下落开始。

ΔL

其中σ为激光位移传感器1的测量不确定度，记此时的i-5为i

为起始下落高度，其中利用平均效应，提升了其实下落高度的测量精度，若直到遍历结束未满足式(2)，则认为测量失败，需重新测量。

4)从i＝i

ΔL

直到第一次满足式(4)，即下落出现回弹，说明已经下落到底。

ΔL

记此时的i-5为i

5)从i＝i

其中

直到第一次满足式(7)，即下落轨迹的波动已经很小，说明落锤已经稳定在下落位置。

stdL<σ (7)

记此时的i+5为i

为终点下落高度，若直到遍历结束未满足式(7)，则认为测量失败，需重新测量。

6)下落高度为H＝L

7)记从i

记

进而拟合出下落轨迹和时间之间的三次函数，之所以不用二次函数，是因为下落过程中存在风阻，在速度不高的情况下，风阻力和速度成一次项关系，进而下落轨迹存在关于时间的三次项，因此三次函数拟合更加精确，拟合方法如下

其中XY指矩阵X,Y做矩阵乘法运算，X

其中k_1,k_2,k_3分别是下落轨迹中的一次项、二次项和三次项系数。

8)设

L1

从i＝0开始遍历，i＝0,…,M-1，其中M为L1的长度，计算式(14)

ΔL1_H

直到第一次满足式(15)

记录此时的i为i

9)下落速度为V＝3×k_3×t1