本发明涉及测量领域。更具体地，涉及一种无干扰负阶跃力施加装置和方法。
背景技术：
航天器的反作用轮、控制力矩陀螺和太阳翼驱动机构等活动部件在轨工作时诱发的六自由度微振动将明显降低航天器的成像质量和指向精度，有必要通过地面试验测量获得各活动部件的微振动特性，从而指导航天器的微振动抑制设计。压电式六自由度微振动测量平台由于具有整体结构刚度高、中高频性能良好等优点，在活动部件的微振动测量中得到了广泛应用，但受压电材料电荷泄漏影响，该测量平台低频、超低频性能欠佳，且不能进行静态测量。考虑到活动部件的微振动量级很低，通常为10-3n和10-3n·m量级，且可覆盖10-1hz～103hz频段，因此，如何实现压电式六自由度微振动测量平台全频段的高精度标定至关重要。
压电式六自由度微振动测量平台由若干单向压电式力传感器合理布局组合而成。根据压电式力传感器的微分方程可知，其在已知阶跃力作用下的电压响应为指数衰减曲线，可通过曲线拟合获得传感器的电压灵敏度和放电时间常数，并利用放电时间常数计算获得传感器的补偿函数，从而可实现压电式力传感器全频段的高精度标定。同理，压电式六自由度微振动测量平台也可通过对其施加已知阶跃力进行全频段的高精度标定。
现有的阶跃力加载装置为被加载对象与砝码之间利用细线连接，砝码处于自由悬挂状态，通过剪断或烧断细线从而实现对被加载对象施加量值为砝码重力的负阶跃力。但这种加载方法存在两个客观因素将直接影响加载精度，一方面，砝码通过细线悬挂将形成一个摆动系统，在摆动干扰下细线承受的拉力并非静态力，即剪断或烧断细线后对被加载对象施加的并非为标准的阶跃力；另一方面，在进行剪断或烧断细线的过程中，由于人为操作将引入不必要的人为干扰因素，从而影响阶跃力的加载精度。
技术实现要素：
有鉴于此，为了实现压电式六自由度微振动测量平台的全频段高精度标定，本发明的实施例提供一种无干扰的阶跃力加载装置，包括：
直线轴承系统，通过紧固装置和转接装置安装于支架系统中部；
所述直线轴承系统顶部与细线连接，砝码放置于所述直线轴承系统底部的托盘上表面的中心位置；
滑轮系统通过紧固装置固定在支架系统的的顶部，用于保证所述细线的走线；
电磁铁，左侧面布置有半圆形封闭环，用于与所述细线连接；
电源系统，用于对所述电磁铁进行供断电操作；
磁性垫块，粘贴于被加载对象表面；
当所述电源系统对所述电磁铁进行供电时，所述电磁铁具有磁力，能吸附于所述磁性垫块的表面，使所述细线处于拉紧状态。
在一个具体实施例中，所述直线轴承系统由直线轴承、直线轴承外套、滑杆、限位螺栓、转接螺母、托盘、支撑梁以及砝码组成；
其中，
所述直线轴承外套沿竖直方向布置有圆形通孔，用于与所述直线轴承外径进行过盈配合；
所述直线轴承外套沿水平方向布置有两个通孔，通过螺栓螺母与所述转接装置右端两个通孔拧紧装配；
所述滑杆为圆形长杆，其顶端面中心布置有螺纹孔，底部布置有外螺纹，且其外径与直线轴承内径相等，可沿直线轴承内径上下运动；
所述限位螺栓的上表面布置有半圆形封闭环，用于与所述细线连接，下部螺纹部分与所述滑杆顶端面中心的螺纹孔进行拧紧装配，上部无螺纹圆柱部分外径大于滑杆的外径，以防止所述滑杆沿所述直线轴承内径向下运动时脱离所述直线轴承；
所述转接螺母沿竖直方向布置有螺纹通孔，用于与所述滑杆底部的外螺纹进行拧紧装配，所述转接螺母四个侧面中心都布置有一个螺纹孔；
所述托盘在其圆柱侧表面均布有四个矩形凹槽，每个矩形凹槽中心都布置有一个螺纹孔；
所述支撑梁为四根完全相同的矩形截面梁，每根矩形截面梁的上部和下部都布置有一个通孔，上部通孔通过螺栓与所述转接螺母四个侧面中心的螺纹孔进行拧紧装配，下部通孔通过螺栓与所述托盘四个矩形凹槽中心的螺纹孔进行拧紧装配。
在一个具体实施例中，所述滑轮系统由转接板、矩形管、第一定滑轮、第二定滑轮以及垫块组成；
其中，
所述转接板为两块完全相同的矩形板，其中部和右部与所述矩形管进行焊接装配，所述转接板左部布置有两个通孔，通过螺栓螺母与所述矩形管上部的长通槽进行拧紧装配，使所述矩形管左端面与所述矩形管侧面抵接；
所述矩形管上下表面中部沿竖直方向布置有矩形通槽，用以保证所述第一定滑轮的转动及细线的走线；
所述矩形管上表面右端沿竖直方向布置有矩形槽，用以保证第二定滑轮的转动；
所述矩形管侧面在同一高度位置处布置有两个通孔，所述垫块为四个完全相同的圆环台，分别布置于每个定滑轮的两侧，且通过螺栓螺母将所述垫块、两个定滑轮和矩形管侧面所述两个通孔进行拧紧装配。
在一个具体实施例中，所述的细线具有足够的强度且无弹性，以防止所述细线与所述直线轴承系统形成振动系统。
在一个具体实施例中，所述支架系统由第一矩形管、第二矩形管、第三矩形管和第四矩形管焊接而成；
其中，
所述第二矩形管两端分别焊接于第一矩形管和第三矩形管侧表面中部，形成“工”字型；
所述第四矩形管底端焊接于所述第二矩形管上表面中部，形成“倒t”型；
所述第四矩形管中部布置有两个通孔，用于固定所述直线轴承系统；
所述第四矩形管上部布置有两端为半圆形中间为矩形的长通槽，用于沿所述长通槽对滑轮系统的高度进行上下调节，从而实现负阶跃力加载位置的高度调节。
在一个具体实施例中，所述紧固装置为四组螺栓螺母和八根螺栓组成，其中，四组螺栓螺母每组为两套规格相同的螺栓和螺母；八根螺栓为规格相同的螺栓。
在一个具体实施例中，所述转接装置为两块完全相同的矩形板，两块矩形板左端和右端都布置有两个通孔，左端两个通孔通过螺栓螺母与所述第四矩形管中部的两个通孔进行拧紧装配。
在一个具体实施例中，当电磁铁通电时，其与磁性垫块之间的磁力大于滑杆、限位螺栓、转接螺母、托盘、支撑梁、砝码和螺栓的重力之和。
在一个具体实施例中，可通过调整支架系统的水平位置实现负阶跃力加载位置的水平调节。
本发明另一个实施例提供一种无干扰负阶跃力施加方法，包括：
调节支架系统的水平位置以实现负阶跃力加载位置的水平调节；
沿长通槽对滑轮系统的高度进行上下调节，从而实现负阶跃力加载位置的竖直高度调节；
电源系统对电磁铁进行供电，使所述电磁铁具有磁力，吸附于所述磁性垫块的表面，使所述细线处于拉紧状态；
所述电源系统突然切断对所述电磁铁的供电，所述电磁铁的磁力瞬间消失，并在滑杆、限位螺栓、转接螺母、托盘、支撑梁、砝码和螺栓的重力之和作用下脱离所述磁性垫块，到此完成对被加载对象施加负阶跃力。
本发明的有益效果如下：
本发明实施例提供的无干扰负阶跃力施加装置可消除直接利用细线悬挂砝码所形成摆动系统的摆动干扰；操作人员可远程切断电源系统对电磁铁的供电以消除电磁铁与磁性垫块之间的磁力，实现负阶跃力的加载，且在加载过程中操作人员与加载装置无接触，从而可避免由于剪断或烧断细线而与加载装置有直接或间接接触所引入的人为干扰。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
图1示出根据本发明一个实施例的无干扰负阶跃力施加装置的组成示意图；
图2示出根据本发明一个实施例的无干扰负阶跃力施加装置的结构爆炸图；
图3示出根据本发明一个实施例的支架系统的示意图；
图4示出根据本发明一个实施例的直线轴承系统的组成示意图；
图5示出根据本发明一个实施例的直线轴承系统的结构爆炸图；
图6示出根据本发明一个实施例的滑轮系统的组成示意图；
图7示出根据本发明一个实施例的滑轮系统的结构爆炸图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
本发明实施例提供一种无干扰负阶跃力施加装置。一方面，该加载装置在砝码与细线之间布置有直线轴承系统，该系统与砝码之间通过机构连接，限制了砝码在非加载方向的运动自由度，从而可消除直接利用细线悬挂砝码所形成摆动系统的摆动干扰；另一方面，该加载装置在细线与被加载对象之间布置有电磁铁和磁性垫块，其中细线与电磁铁连接，电磁铁由电源系统供断电，磁性垫块粘贴于被加载对象，操作人员可远程切断电源系统对电磁铁的供电以消除电磁铁与磁性垫块之间的磁力，实现负阶跃力的加载，且在加载过程中操作人员与加载装置无接触，从而可避免由于剪断或烧断细线而与加载装置有直接或间接接触所引入的人为干扰。综上所述，本发明通过合理设计可实现无干扰负阶跃力的加载。
如图1-7所示一种无干扰的阶跃力加载装置，包括：
支架系统1、紧固装置2、转接装置3、直线轴承系统4、滑轮系统5、细线6、电磁铁7、电源系统8以及磁性垫块9。
直线轴承系统4，通过紧固装置2和转接装置3安装于支架系统1中部；
所述直线轴承系统4顶部与细线6连接，砝码4.8放置于所述直线轴承系统4底部的托盘4.6上表面的中心位置；
滑轮系统5通过紧固装置2固定在支架系统的1的顶部，用于保证所述细线6的走线；
电磁铁7，左侧面布置有半圆形封闭环，用于与所述细线6连接；
电源系统8，用于对所述电磁铁7进行供断电操作；
磁性垫块9为具有磁性的铁质元件，粘贴于被加载对象表面；
当所述电源系统8对所述电磁铁7进行供电时，所述电磁铁7具有磁力，能吸附于所述磁性垫块9的表面，使所述细线6处于拉紧状态。
操作人员可远程切断电源系统对电磁铁的供电以消除电磁铁与磁性垫块之间的磁力，实现负阶跃力的加载，且在加载过程中操作人员与加载装置无接触，从而可避免由于剪断或烧断细线而与加载装置有直接或间接接触所引入的人为干扰。
如图4、图5所示，所述直线轴承系统4由直线轴承4.1、直线轴承外套4.2、滑杆4.3、限位螺栓4.4、转接螺母4.5、托盘4.6、支撑梁4.7以及砝码4.8组成；
其中，
所述直线轴承外套4.2沿竖直方向布置有圆形通孔，用于与所述直线轴承4.1外径进行过盈配合；
所述直线轴承外套4.2沿水平方向布置有两个通孔，通过螺栓螺母2.2与所述转接装置3右端两个通孔拧紧装配；
所述滑杆4.3为圆形长杆，其顶端面中心布置有螺纹孔，底部布置有外螺纹，且其外径与直线轴承内径相等，可沿直线轴承4.1内径上下运动；
所述限位螺栓4.4的上表面布置有半圆形封闭环，用于与所述细线6连接，下部螺纹部分与所述滑杆4.3顶端面中心的螺纹孔进行拧紧装配，上部无螺纹圆柱部分外径大于滑杆4.3的外径，以防止所述滑杆4.3沿所述直线轴承4.1内径向下运动时脱离所述直线轴承4.1；
所述转接螺母4.5沿竖直方向布置有螺纹通孔，用于与所述滑杆4.3底部的外螺纹进行拧紧装配，所述转接螺母4.5四个侧面中心都布置有一个螺纹孔；
所述托盘4.6在其圆柱侧表面均布有四个矩形凹槽，每个矩形凹槽中心都布置有一个螺纹孔；
所述支撑梁4.7为四根完全相同的矩形截面梁，每根矩形截面梁的上部和下部都布置有一个通孔，上部通孔通过螺栓2.5与所述转接螺母4.5四个侧面中心的螺纹孔进行拧紧装配，下部通孔通过螺栓2.5与所述托盘4.6四个矩形凹槽中心的螺纹孔进行拧紧装配。
受直线轴承4.1对滑杆4.3运动自由度的限制，无摆动干扰。
一个示例中，直线轴承外套4.2、滑杆4.3为铝制元件和限位螺栓4.4为铝制元件。
如图6、图7所示，所述滑轮系统5由转接板5.1、矩形管5.2、第一定滑轮5.3、第二定滑轮5.4以及垫块5.5组成；
其中，
所述转接板5.1为两块完全相同的矩形板，其中部和右部与所述矩形管5.2进行焊接装配，所述转接板5.1左部布置有两个通孔，通过螺栓螺母2.3与所述矩形管1.4上部的长通槽进行拧紧装配，使所述矩形管5.2左端面与所述矩形管1.4侧面抵接；
所述矩形管5.2上下表面中部沿竖直方向布置有矩形通槽，用以保证所述第一定滑轮5.3的转动及细线6的走线；
所述矩形管5.2上表面右端沿竖直方向布置有矩形槽，用以保证第二定滑轮5.4的转动；
所述矩形管5.2侧面在同一高度位置处布置有两个通孔，所述垫块5.5为四个完全相同的圆环台，分别布置于每个定滑轮的两侧，且通过螺栓螺母2.4将所述垫块5.5、两个定滑轮5.3-5.4和矩形管5.2侧面所述两个通孔进行拧紧装配。
在一个具体实施例中，所述的细线6具有足够的强度且无弹性，以防止所述细线6与所述直线轴承系统4形成振动系统，影响负阶跃力的加载精度。
当电源系统8对电磁铁7进行供电时，细线6所受拉力为滑杆4.3、限位螺栓4.4、转接螺母4.5、托盘4.6、支撑梁4.7、砝码4.8和螺栓2.5的重力之和。电磁铁7与磁性垫块9之间的磁力大于滑杆4.3、限位螺栓4.4、转接螺母4.5、托盘4.6、支撑梁4.7、砝码4.8和螺栓2.5的重力之和。
如图3所示，所述支架系统1由第一矩形管1.1、第二矩形管1.2、第三矩形管1.3和第四矩形管1.4焊接而成；
其中，
所述第二矩形管1.2两端分别焊接于第一矩形管1.1和第三矩形管1.3侧表面中部，形成“工”字型；
所述第四矩形管1.4底端焊接于所述第二矩形管1.2上表面中部，形成“倒t”型；
所述第四矩形管1.4中部布置有两个通孔，用于固定所述直线轴承系统4；
所述第四矩形管1.4上部布置有两端为半圆形中间为矩形的长通槽，用于沿所述长通槽对滑轮系统5的高度进行上下调节，从而实现负阶跃力加载位置的高度调节。
如图2、图5、图7所示，所述紧固装置2为四组螺栓螺母2.1-2.4和八根螺栓2.5组成，其中，四组螺栓螺母2.1-2.4每组为两套规格相同的螺栓和螺母；八根螺栓2.5为规格相同的螺栓。
如图2所示，所述转接装置3为两块完全相同的矩形板，两块矩形板左端和右端都布置有两个通孔，左端两个通孔通过螺栓螺母2.1与所述第四矩形管1.4中部的两个通孔进行拧紧装配。
一个示例中，矩形板为钢制元件
上述需要通过螺栓或螺纹进行装配的，必须在强度允许的范围内尽量拧紧，以提高该加载装置的刚度，保证加载精度。
在一个具体实施例中，可通过调整支架系统1的水平位置实现负阶跃力加载位置的水平调节。
使用上述装置的无干扰负阶跃力施加方法，包括：
调节支架系统1的水平位置以实现负阶跃力加载位置的水平调节；
沿长通槽对滑轮系统5的高度进行上下调节，从而实现负阶跃力加载位置的竖直高度调节；
电源系统8对电磁铁7进行供电，使所述电磁铁7具有磁力，吸附于所述磁性垫块9的表面，使所述细线6处于拉紧状态；
所述电源系统8突然切断对所述电磁铁7的供电，所述电磁铁7的磁力瞬间消失，并在滑杆4.3、限位螺栓4.4、转接螺母4.5、托盘4.6、支撑梁4.7、砝码4.8和螺栓2.5的重力之和作用下脱离所述磁性垫块9，到此完成对被加载对象施加负阶跃力，且当限位螺栓4.4与直线轴承4.1接触后，滑杆4.3停止向下运动，整个操作过程结束。
本发明实施例提供的无干扰负阶跃力施加装置可消除直接利用细线悬挂砝码所形成摆动系统的摆动干扰；操作人员可远程切断电源系统对电磁铁的供电以消除电磁铁与磁性垫块之间的磁力，实现负阶跃力的加载，且在加载过程中操作人员与加载装置无接触，从而可避免由于剪断或烧断细线而与加载装置有直接或间接接触所引入的人为干扰。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。
1.一种无干扰负阶跃力施加装置，其特征在于，包括：
直线轴承系统(4)，通过紧固装置(2)和转接装置(3)安装于支架系统(1)中部；
所述直线轴承系统(4)顶部与细线(6)连接，砝码(4.8)放置于所述直线轴承系统(4)底部的托盘(4.6)上表面的中心位置；
滑轮系统(5)通过紧固装置(2)固定在支架系统的(1)的顶部，用于保证所述细线(6)的走线；
电磁铁(7)，左侧面布置有半圆形封闭环，用于与所述细线(6)连接；
电源系统(8)，用于对所述电磁铁(7)进行供断电操作；
磁性垫块(9)，粘贴于被加载对象表面；
当所述电源系统(8)对所述电磁铁(7)进行供电时，所述电磁铁(7)具有磁力，能吸附于所述磁性垫块(9)的表面，使所述细线(6)处于拉紧状态。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述直线轴承系统(4)由直线轴承(4.1)、直线轴承外套(4.2)、滑杆(4.3)、限位螺栓(4.4)、转接螺母(4.5)、托盘(4.6)、支撑梁(4.7)以及砝码(4.8)组成；
其中，
所述直线轴承外套(4.2)沿竖直方向布置有圆形通孔，用于与所述直线轴承(4.1)外径进行过盈配合；
所述直线轴承外套(4.2)沿水平方向布置有两个通孔，通过螺栓螺母(2.2)与所述转接装置(3)右端两个通孔拧紧装配；
所述滑杆(4.3)为圆形长杆，其顶端面中心布置有螺纹孔，底部布置有外螺纹，且其外径与直线轴承内径相等，可沿直线轴承(4.1)内径上下运动；
所述限位螺栓(4.4)的上表面布置有半圆形封闭环，用于与所述细线(6)连接，下部螺纹部分与所述滑杆(4.3)顶端面中心的螺纹孔进行拧紧装配，上部无螺纹圆柱部分外径大于滑杆(4.3)的外径，以防止所述滑杆(4.3)沿所述直线轴承(4.1)内径向下运动时脱离所述直线轴承(4.1)；
所述转接螺母(4.5)沿竖直方向布置有螺纹通孔，用于与所述滑杆(4.3)底部的外螺纹进行拧紧装配，所述转接螺母(4.5)四个侧面中心都布置有一个螺纹孔；
所述托盘(4.6)在其圆柱侧表面均布有四个矩形凹槽，每个矩形凹槽中心都布置有一个螺纹孔；
所述支撑梁(4.7)为四根完全相同的矩形截面梁，每根矩形截面梁的上部和下部都布置有一个通孔，上部通孔通过螺栓(2.5)与所述转接螺母(4.5)四个侧面中心的螺纹孔进行拧紧装配，下部通孔通过螺栓(2.5)与所述托盘(4.6)四个矩形凹槽中心的螺纹孔进行拧紧装配。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述滑轮系统(5)由转接板(5.1)、矩形管(5.2)、第一定滑轮(5.3)、第二定滑轮(5.4)以及垫块(5.5)组成；
其中，
所述转接板(5.1)为两块完全相同的矩形板，其中部和右部与所述矩形管(5.2)进行焊接装配，所述转接板(5.1)左部布置有两个通孔，通过螺栓螺母(2.3)与所述矩形管(1.4)上部的长通槽进行拧紧装配，使所述矩形管(5.2)左端面与所述矩形管(1.4)侧面抵接；
所述矩形管(5.2)上下表面中部沿竖直方向布置有矩形通槽，用以保证所述第一定滑轮(5.3)的转动及细线(6)的走线；
所述矩形管(5.2)上表面右端沿竖直方向布置有矩形槽，用以保证第二定滑轮(5.4)的转动；
所述矩形管(5.2)侧面在同一高度位置处布置有两个通孔，所述垫块(5.5)为四个完全相同的圆环台，分别布置于每个定滑轮的两侧，且通过螺栓螺母(2.4)将所述垫块(5.5)、两个定滑轮(5.3)-(5.4)和矩形管(5.2)侧面所述两个通孔进行拧紧装配。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述的细线(6)具有足够的强度且无弹性，以防止所述细线(6)与所述直线轴承系统(4)形成振动系统。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述支架系统(1)由第一矩形管(1.1)第二矩形管(1.2)、第三矩形管(1.3)、第四矩形管(1.4)焊接而成；
其中，
所述第二矩形管(1.2)两端分别焊接于第一矩形管(1.1)和第三矩形管(1.3)侧表面中部，形成“工”字型；
所述第四矩形管(1.4)底端焊接于所述第二矩形管(1.2)上表面中部，形成“倒t”型；
所述第四矩形管(1.4)中部布置有两个通孔，用于固定所述直线轴承系统(4)；
所述第四矩形管(1.4)上部布置有两端为半圆形中间为矩形的长通槽，用于所述沿长通槽对滑轮系统(5)的高度进行上下调节，从而实现负阶跃力加载位置的竖直高度调节。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述紧固装置(2)为四组螺栓螺母(2.1-2.4)和八根螺栓(2.5)组成，其中，四组螺栓螺母(2.1-2.4)每组为两套规格相同的螺栓和螺母；八根螺栓(2.5)为规格相同的螺栓。
7.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述转接装置(3)为两块完全相同的矩形板，两块矩形板左端和右端都布置有两个通孔，左端两个通孔通过螺栓螺母(2.1)与所述第四矩形管(1.4)中部的两个通孔进行拧紧装配。
8.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，当电磁铁(7)通电时，其与磁性垫块(9)之间的磁力大于滑杆(4.3)、限位螺栓(4.4)、转接螺母(4.5)、托盘(4.6)、支撑梁(4.7)、砝码(4.8)和螺栓(2.5)的重力之和。
9.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，通过调整支架系统(1)的水平位置实现负阶跃力加载位置的水平调节。
10.一种使用权利要求1至9任意一项所述装置的无干扰负阶跃力施加方法，包括：
调节支架系统(1)的水平位置以实现负阶跃力加载位置的水平调节；
沿长通槽对滑轮系统(5)的高度进行上下调节，从而实现负阶跃力加载位置的竖直高度调节；
电源系统(8)对电磁铁(7)进行供电，使所述电磁铁(7)具有磁力，吸附于所述磁性垫块(9)的表面，使所述细线(6)处于拉紧状态；
所述电源系统(8)突然切断对所述电磁铁(7)的供电，所述电磁铁(7)的磁力瞬间消失，并在滑杆(4.3)、限位螺栓(4.4)、转接螺母(4.5)、托盘(4.6)、支撑梁(4.7)、砝码(4.8)和螺栓(2.5)的重力之和作用下脱离所述磁性垫块(9)，到此完成对被加载对象施加负阶跃力。
技术总结