力傳感器檢定和使用中相關(guān)問題探討

李自武，沈運杰，張磊，曹仕國

(中航工業(yè)西安航空發(fā)動機(jī)(集團(tuán))有限公司計量中心，陜西 西安710021)

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，20 世紀(jì)70 年代末，電阻應(yīng)變力傳感器及測量儀表技術(shù)有了突破性發(fā)展，產(chǎn)生了準(zhǔn)確度可以達(dá)到0.01 級的測力儀。如今電阻應(yīng)變力傳感器已是一種使用方便、適應(yīng)性強、比較完善的器件，由于電阻應(yīng)變力傳感器具有線性度高、滯后和蠕變小、穩(wěn)定性好、動態(tài)響應(yīng)好等特點，因而在力值測量中占有極其重要的地位，被廣泛應(yīng)用于力值量值傳遞、自動檢測及自動控制技術(shù)中。

電阻應(yīng)變力傳感器主要由彈性元件、電阻應(yīng)變片及測量電路組成。電阻應(yīng)變力傳感器工作原理是在外力作用下，彈性體的變形引起粘貼在其表面上的電阻應(yīng)變片電阻值變化，電阻應(yīng)變片組成的惠斯頓電橋使電阻的變化變成了電壓的變化，電壓的變化與外力基本成線性關(guān)系，從而實現(xiàn)非電量測量。電阻應(yīng)變力傳感器是最為常見的力傳感器，由于其結(jié)構(gòu)特點的限制，會有許多影響其測量準(zhǔn)確度的因素。本文主要從初始力值、連接方式及測量電纜線對電阻應(yīng)變力傳感器(以下簡稱力傳感器)影響方面進(jìn)行分析，闡述力傳感器使用狀態(tài)與檢定狀態(tài)相一致的必要性。

1 初始力值對線性度影響

1.1 力傳感器線性度

力傳感器實際測量所得的輸出—輸入校準(zhǔn)曲線與其理論擬合直線之間的偏差稱為該傳感器的線性度。一般用端基法所得的直線作為擬合直線，端基法所得的直線是指把傳感器校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的零點輸出平均值和滿量程輸出平均值連成的直線，線性度用校準(zhǔn)曲線與其理論擬合直線最大偏差與傳感器滿量程輸出之比表示。不同的力傳感器有不同的校準(zhǔn)曲線，校準(zhǔn)曲線又有多種不同的分布形式。

1.2 檢定工裝重量的影響

在實際的檢定工作中，力傳感器的型號規(guī)格和連接方式很多，為了和力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)進(jìn)行連接，需要配備專用的檢定工裝，這種現(xiàn)象在做拉向檢定時更為常見。對于小量程的力傳感器來說，標(biāo)準(zhǔn)測力機(jī)不能滿足其測量范圍的要求，常采用直接懸掛砝碼的方式進(jìn)行檢定，這就需要有檢定工裝才能完成檢定工作。由于力傳感器實際校準(zhǔn)曲線不是完全線性，檢定工裝自身的重量會改變力傳感器校準(zhǔn)曲線，使其實際校準(zhǔn)曲線與其特性曲線產(chǎn)生一定的偏差，依據(jù)這樣的校準(zhǔn)結(jié)果進(jìn)行使用，一定會產(chǎn)生測量誤差。

如圖1 所示，曲線a 為力傳感器初始狀態(tài)不受外力情況下的校準(zhǔn)曲線，曲線b 是傳感器初始狀態(tài)受到滿量程的10%外力作用下校準(zhǔn)曲線。由圖1 可以明顯看出，由于校準(zhǔn)曲線的不完全線性，校準(zhǔn)工裝自重會使校準(zhǔn)曲線發(fā)生變化，校準(zhǔn)曲線b 是由校準(zhǔn)曲線a 向左移動0.1F 和向下移動(V1 －V0)所得到的，兩種情況下的力傳感器輸出值如表1 所示，每個相同檢定點的輸出值會存在一定的偏差。在實際工作中如果使用校準(zhǔn)工裝影響下的校準(zhǔn)參數(shù)，這些校準(zhǔn)參數(shù)已經(jīng)偏離力傳感器的真實輸出狀態(tài)。

1.3 使用中初始力值的影響

在力傳感器的實際使用中，可能會遇到下面兩種情況:①試驗工藝規(guī)范中要求力測量裝置對被測器件施加一定的預(yù)拉或壓力，然后再進(jìn)行正常試驗，這中狀態(tài)下力傳感器會受到一定的初始力值。②測試裝置自身的重量會作用在傳感器上，使傳感器受到一定初始力值，如發(fā)動機(jī)試車裝置上臺架的自重使傳感器受到一定的初始力值。

圖1 檢定工裝重量影響校準(zhǔn)曲線示意圖

以上兩種情況都是傳感器在使用中受到一定的初始力值。如果力傳感器在檢定中初始狀態(tài)受力為零，按照這樣的方法檢定所得數(shù)據(jù)進(jìn)行使用同樣也會造成一定的偏差，對于不同的傳感器其影響量不同，影響量的大小取決于力傳感器的線性度。

圖2 為某一力傳感器特性曲線示意圖，曲線a 為力傳感器初始狀態(tài)沒有受到外力作用的校準(zhǔn)曲線，曲線b 是力傳感器初始狀態(tài)受到滿量程的10%外作用下的校準(zhǔn)曲線，曲線b 是曲線a 向下平移(V1 －V0)和向左平移0.1 F 所得到的。如果在實際的工作中，力傳感器在初始狀態(tài)下受到了滿量程的10%外力作用，我們應(yīng)該使用曲線b 的傳感器校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，如果使用了曲線a 的傳感器校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，勢必會產(chǎn)生一定的誤差。誤差的大小與力傳感器的線性度有很大關(guān)系，線性好的傳感器影響量小，反之，線性不好的傳感器影響量會很大。

表1 兩種校準(zhǔn)曲線輸出值的比較

圖2 檢定與使用兩種狀態(tài)下校準(zhǔn)曲線比較示意圖

2 連接方式的影響

力傳感器在外力的作用時，力的作用線與傳感器的軸線不會完全重合，作用力可分解為通過力傳感器的軸線力和垂直與軸線的側(cè)向力，側(cè)向力使力傳感器受到一個附加彎矩，這樣傳感器不能準(zhǔn)確地測得所施加外力的大小。

圖3 柱式力傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

圖3為一般柱式力傳感器所采用的抗側(cè)向力結(jié)構(gòu)形式，通過增加膜片的方式消除側(cè)向力的影響。膜片橫向剛性很大，軸向剛性小，這樣力傳感器只對軸向力敏感，對側(cè)向力不敏感，從而解決了力傳感器抗側(cè)向力問題。力傳感器的生產(chǎn)廠家和型號規(guī)格很多，由于材料的選用、制造工藝和成本等原因，力傳感器在抗側(cè)向力影響的能力方面參差不齊。我們對不同廠商生產(chǎn)的力傳感器進(jìn)行了大量實驗，實驗結(jié)果證明了對于許多傳感器來說，側(cè)向力的影響是很明顯的，不同規(guī)格和精度的力傳感器影響量不相同。例如，我們選用的一只國產(chǎn)的0.1 級力傳感器，在帶球形壓頭和不帶球形壓頭時分別進(jìn)行10 次重復(fù)測量，測量的數(shù)據(jù)結(jié)果表明:

1)兩種情況下的實驗結(jié)果偏差在0.05% ～0.1%之間;

2)不帶球形壓頭的10 次實驗結(jié)果重復(fù)性大于帶球形壓頭的10 次實驗結(jié)果重復(fù)性。

許多使用單位在送檢力傳感器時，不把自身的上下壓墊或拉桿與傳感器一起送檢，計量檢定機(jī)構(gòu)隨意地為傳感器選用上下壓墊或拉桿進(jìn)行檢定，這種不能完全模擬其使用狀態(tài)的檢定方法，勢必會造成檢定與使用的差異，增加了量值傳遞的不準(zhǔn)確性。所以檢定所使用的上下壓墊或拉桿應(yīng)該是傳感器實際使用中的上下壓墊或拉桿，這樣的做法是科學(xué)的和必要的。

3 測量電纜線的影響

圖4 為力傳感器直流電橋的基本形式。以電阻R1，R2，R3，R4 作為四個橋臂，在a，c 兩端接入直流電源U，在b，d 兩端輸出電壓ΔU，當(dāng)傳感器受到外力作用時，應(yīng)變片隨著彈性體產(chǎn)生彈性變形，橋路中的電阻阻值發(fā)生變化，引起輸出電壓的變化。

圖4 力傳感器電橋

在實際工作中，關(guān)于力傳感器的檢定和使用有如下幾種情況:

1)力傳感器與其專門配套的二次儀表組合使用，使用單位把力傳感器、二次儀表及其工作中使用的專用測量電纜線一起送檢。

2)在一些大型測試設(shè)備上使用的力傳感器，由于力傳感器與二次儀表之間連接的電纜線太長或拆卸不方便等原因，使用單位把力傳感器與二次儀表送檢，隨意找一段其它的電纜線進(jìn)行替代，與實際使用的電纜線規(guī)格和長度不一致。

3)使用單位僅送檢力傳感器，把傳感器的檢定結(jié)果數(shù)據(jù)置入測量儀表進(jìn)行使用。計量檢定人員不可能知道力傳感器使用中電纜線的情況，在檢定中隨意選用連接線進(jìn)行替代。

由公式(1)可知，輸出電壓的變化不僅與橋路中電阻阻值的變化有關(guān)，也與激勵電壓U 有關(guān)。如果實際使用與檢定中使用的電纜線規(guī)格和長度不同，由于電纜線上的壓降將引起橋路中實際激勵電壓U 的變化，從而使檢定所得的傳感器參數(shù)不能與使用狀態(tài)參數(shù)相一致，影響量的大小與傳感器類型、電纜線規(guī)格和長度有關(guān)。上面情況1)所述的送檢方式是最科學(xué)合理的，符合檢定狀態(tài)與使用狀態(tài)相一致的原則，2)和3)兩種方式會造成檢定所得傳感器參數(shù)與其實際狀態(tài)參數(shù)存在一定偏差，很難保證使用中數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確可靠。

4 結(jié)論

1)在日常的檢定工作中，特別對于小量程的力傳感器來說，盡量采用輕質(zhì)的檢定工裝進(jìn)行檢定，避免檢定工裝自身重量對力傳感器輸出線性度的影響。對于那些使用中需要預(yù)加初始力值的力傳感器，在檢定時應(yīng)給與相同的初始力值，保證使用與檢定狀態(tài)相一致。

2)在力傳感器檢定中使用的上下壓墊及拉桿應(yīng)該是其實際工作中所使用的，對于抗側(cè)向力差的傳感器來說，隨意更換或混用上下壓墊及拉桿很難保證所得數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確可靠。

3)檢定中所使用的測量電纜線應(yīng)該是實際工作中使用的專用電纜線，如果測試裝置上測量電纜線確實不容易拆卸，檢定時所使用的測量電纜線規(guī)格和長度應(yīng)該和實際工作中的相一致。

總之，影響力傳感器準(zhǔn)確度的因素有很多，在力傳感器的檢定中，只有遵循了檢定狀態(tài)與使用狀態(tài)相一致的原則，才能保證量值傳遞的準(zhǔn)確可靠，避免質(zhì)量安全隱患。

［1］洪寶林. 力學(xué)計量(上)［M］. 北京:原子能出版社，2002.

［2］李孝武，劉景利，劉煥橋，等. 力學(xué)計量［M］. 北京:中國計量出版社，1999.

［3］國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局. JJG391 －2009 力傳感器檢定規(guī)程［S］. 北京:中國計量出版社，2009.