李程

(中航工業(yè)北京長城計(jì)量測試技術(shù)研究所，北京100095)

0 引言

壓電式力傳感器是利用石英晶體的壓電效應(yīng)將石英晶體受到的力轉(zhuǎn)換成電荷量輸出。這類壓電式力傳感器的共同特征是:當(dāng)石英晶體受到變化的力時(shí)，石英晶體會有相應(yīng)的電荷量輸出;當(dāng)石英晶體受到不變的力時(shí)，石英晶體沒有電荷量輸出。正是這種特性，壓電式力傳感器具有抗干擾能力強(qiáng)、溫度特性好、動態(tài)特性好等優(yōu)點(diǎn)，從而廣泛應(yīng)用在工程測試和動態(tài)測試領(lǐng)域。

壓電式力傳感器的這種無靜態(tài)輸出的特點(diǎn)，給傳統(tǒng)校準(zhǔn)帶來較大難度。目前國內(nèi)還沒有專門針對壓電式力傳感器的校準(zhǔn)規(guī)范和檢定規(guī)程，對于傳感器的基本性能，例如:非線性、重復(fù)性、遲滯、靈敏度等，通常采用的校準(zhǔn)方法是靜態(tài)校準(zhǔn)方法和脈沖式校準(zhǔn)方法［1］，必要時(shí)采用正弦式校準(zhǔn)方法。靜態(tài)校準(zhǔn)方法:要求與壓電式力傳感器配套的電荷放大器具有良好的電荷保持能力，否則電荷泄漏會導(dǎo)致較大的誤差［2］;脈沖式校準(zhǔn)方法:電荷泄漏造成的誤差相對較小，但存在標(biāo)準(zhǔn)力傳感器動態(tài)特性較差、加載的標(biāo)準(zhǔn)力值誤差較大、重復(fù)性較差、溯源可靠性相比靜態(tài)校準(zhǔn)方法較差、校準(zhǔn)結(jié)果的不確定度也較大等缺陷［3］。正弦式校準(zhǔn)方法:主要用于校準(zhǔn)傳感器動態(tài)特性，關(guān)注傳感器的幅頻特性和相頻特性。國外有一些文獻(xiàn)曾經(jīng)提出連續(xù)加載的校準(zhǔn)方法，但國內(nèi)還沒有相關(guān)的研究報(bào)道。本文通過一些實(shí)驗(yàn)及分析，對連續(xù)加載的校準(zhǔn)方法進(jìn)行一些探索研究。

1 連續(xù)加載的校準(zhǔn)方法

連續(xù)加載的校準(zhǔn)方法是利用疊加式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)給被校壓電式力傳感器施加類似三角波的曲線，波峰可達(dá)到被校傳感器的滿量程。利用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)同時(shí)采集標(biāo)準(zhǔn)力傳感器和被校力傳感器的輸出，標(biāo)準(zhǔn)力傳感器可采用高精度的應(yīng)變式力傳感器，其基本性能可通過靜態(tài)校準(zhǔn)得到。通過計(jì)算機(jī)記錄整個(gè)加載過程。對標(biāo)準(zhǔn)力傳感器的輸出曲線進(jìn)行分析，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)力傳感器靈敏度及連續(xù)加載的曲線找到設(shè)定的整數(shù)力值點(diǎn)，在時(shí)間軸上找到相應(yīng)的時(shí)間點(diǎn)，再以此時(shí)間點(diǎn)在被校力傳感器的連續(xù)加載輸出曲線上找到被校力傳感器的輸出電壓，這樣得到一個(gè)力值點(diǎn)的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)。依此類推可以在連續(xù)加載曲線上找到多個(gè)力值點(diǎn)的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)。對于不同準(zhǔn)確度的被校力傳感器可選擇不同數(shù)量的力值點(diǎn)。在計(jì)算被校力傳感器的基本性能時(shí)可參照相應(yīng)的力傳感器的檢定規(guī)程。

被校壓電式力傳感器選用瑞士KISTLER 生產(chǎn)的Z20429 壓電式力傳感器，該傳感器為六分量力傳感器。本次試驗(yàn)僅針對其中三分量力進(jìn)行連續(xù)加載校準(zhǔn)，三分量力的量程分別是Z 方向0 ～20 kN;X 方向0 ～6 kN;Y 方向0 ～6 kN。傳感器連接的電荷放大器型號為5070。該傳感器在出廠時(shí)的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)如表1所示。

圖1 連續(xù)加載過程及校準(zhǔn)點(diǎn)選取的方法示意圖

表1 Z20429 壓電式力傳感器出廠校準(zhǔn)數(shù)據(jù)

2 連續(xù)加載校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

利用10 t 的疊加式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)進(jìn)行力值加載。標(biāo)準(zhǔn)力傳感器選擇HBM 公司生產(chǎn)Z4 型應(yīng)變式力傳感器，量程范圍為0 ～20 kN，誤差小于0.03% FS。放大器采用KYOWA 生產(chǎn)的CDV700 應(yīng)變放大器，帶寬頻率是500 kHz。實(shí)驗(yàn)前，先將標(biāo)準(zhǔn)力傳感器與放大器組成實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，進(jìn)行系統(tǒng)校準(zhǔn)，以減小放大器帶來的誤差。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用美國NI 公司的PXI 采集器，PXI6115 采集模塊主要負(fù)責(zé)采集標(biāo)準(zhǔn)力傳感器及被校力傳感器的輸出曲線，設(shè)置采樣率10 kbit/s，數(shù)據(jù)位數(shù)12 位。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

校準(zhǔn)時(shí)施加連續(xù)載荷周期時(shí)間是5 ～20 s，采樣頻率10 kHz。對采集數(shù)據(jù)曲線截取一個(gè)加載周期的數(shù)據(jù)長度，根據(jù)設(shè)置的最大力值點(diǎn)，以正行程加載力值點(diǎn)為依據(jù)，在反行程選取對應(yīng)的相對偏差絕對值最小的力值點(diǎn)，選取時(shí)相對偏差應(yīng)小于0.01%。被校力傳感器在整個(gè)測量范圍內(nèi)均勻選取11 個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)，并進(jìn)行3次循環(huán)校準(zhǔn)。各校準(zhǔn)點(diǎn)的進(jìn)程、回程示值的算術(shù)平均值所連接的曲線分別稱為進(jìn)程校準(zhǔn)曲線和回程校準(zhǔn)曲線。根據(jù)檢定規(guī)程計(jì)算傳感器的非線性、重復(fù)性等指標(biāo)。

2.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)果

1)Z 向力值(FZ)

對KISTLER 生產(chǎn)的Z20429 三分量壓電式力傳感器的Z 方向力進(jìn)行3 個(gè)量程范圍的校準(zhǔn)，校準(zhǔn)結(jié)果如表2所示。在0 ～6 kN，0 ～10 kN，0 ～20 kN 范圍內(nèi)的加載曲線及擬合直線分別如圖2、圖3、圖4所示。

表2 Z 方向不同力值范圍的校準(zhǔn)結(jié)果

圖2 Z 方向加載6 kN 力值的加載曲線及擬合的直線

圖3 Z 方向加載10 kN 力值的加載曲線及擬合的直線

圖4 Z 方向加載20 kN 力值的加載曲線及擬合的直線

2)X 向力值(FX)

對Z20429 三分量壓電式力傳感器的X 方向力進(jìn)行2 個(gè)量程范圍的校準(zhǔn)，校準(zhǔn)結(jié)果如表3所示，在0 ～4 kN，0 ～6 kN 范圍內(nèi)的加載曲線及擬合的直線如圖5、圖6所示。

表3 X 方向不同力值范圍的校準(zhǔn)結(jié)果

圖5 X 方向加載4 kN 力值的加載曲線及擬合的直線

圖6 X 方向加載6 kN 力值的加載曲線及擬合的直線

3)Y 向力值(FY)

對Z20429 三分量壓電式力傳感器的Y 方向力進(jìn)行2 個(gè)量程范圍的校準(zhǔn)，校準(zhǔn)結(jié)果如表4所示，在0 ～4 kN，0 ～6 kN 范圍內(nèi)的加載曲線及擬合的直線如圖7、圖8所示。

表4 Y 方向不同力值范圍的校準(zhǔn)結(jié)果

圖7 Y 方向4 kN 力值的加載曲線及擬合的直線

圖8 Y 方向6 kN 力值的加載曲線及擬合的直線

連續(xù)加載的校準(zhǔn)方法得到的數(shù)據(jù)與傳感器出廠時(shí)的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)吻合得很好，說明連續(xù)加載的校準(zhǔn)方法是可行的，可以得到比較理想的校準(zhǔn)結(jié)果。但是這種校準(zhǔn)方法有一定的適用條件，用連續(xù)加載的方法進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)必須考慮一些因素，它們將直接影響到校準(zhǔn)結(jié)果。

3 分析影響校準(zhǔn)結(jié)果的因素

3.1 連續(xù)加載的時(shí)間

壓電式傳感器最大的特點(diǎn)在于電荷量的輸出，傳感器自身無法保持電荷，因此電荷的泄漏是靜態(tài)校準(zhǔn)誤差中的最大成因。連續(xù)加載的時(shí)間取決于電荷放大器的電荷泄漏率，應(yīng)根據(jù)電荷泄漏率計(jì)算連續(xù)加載時(shí)間，把泄漏電荷量限制在可控誤差范圍內(nèi)。對于低阻抗輸出的傳感器，傳感器內(nèi)部已經(jīng)將電荷量轉(zhuǎn)換成電壓量，不需要電荷放大器的轉(zhuǎn)換，因此對該類型的傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)，連續(xù)加載時(shí)間要短，否則將產(chǎn)生較大誤差。

3.2 標(biāo)準(zhǔn)力傳感器的響應(yīng)時(shí)間

標(biāo)準(zhǔn)力傳感器的響應(yīng)時(shí)間在連續(xù)校準(zhǔn)中是非常重要的影響因素之一。在連續(xù)加載過程中標(biāo)準(zhǔn)力傳感器的響應(yīng)必須能跟上力值的變化速度，一般來說壓電式力傳感器的響應(yīng)較快，但是很多靜態(tài)準(zhǔn)確度很高的力傳感器都是應(yīng)變式傳感器，其響應(yīng)時(shí)間較慢，響應(yīng)迅速的力傳感器準(zhǔn)確度較差，這是一個(gè)非常矛盾的問題。因此在連續(xù)加載校準(zhǔn)中選擇標(biāo)準(zhǔn)力傳感器時(shí)要充分考慮其響應(yīng)時(shí)間與連續(xù)加載時(shí)間的匹配。

3.3 數(shù)據(jù)采集的同步性及準(zhǔn)確度、采樣率的影響

在連續(xù)加載校準(zhǔn)時(shí)，應(yīng)保證標(biāo)準(zhǔn)力傳感器與被校壓電式力傳感器在同一時(shí)間點(diǎn)上受力的一致性，這就要求兩通道數(shù)據(jù)采集必須同步。(目前市場上銷售的多通道并行采集，每通道具有獨(dú)立A/D 的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)都能滿足要求。)數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確度主要體現(xiàn)在采集的數(shù)據(jù)位數(shù)，采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度是要經(jīng)過校準(zhǔn)的，一般來說數(shù)據(jù)的位數(shù)越高準(zhǔn)確度就越高。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的采樣率直接影響在連續(xù)加載校準(zhǔn)過程中數(shù)據(jù)的樣本量，只有采集到足夠多的數(shù)據(jù)量，才能找到更加接近校準(zhǔn)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，但是過大的采樣率會導(dǎo)致存儲量及計(jì)算量的增大，因此要綜合權(quán)衡考慮。

4 結(jié)束語

由于靜態(tài)校準(zhǔn)與脈沖式校準(zhǔn)方法的局限性，同時(shí)綜合考量高精度標(biāo)準(zhǔn)力傳感器的響應(yīng)時(shí)間慢的特性，再兼顧到壓電式力傳感器電荷泄漏的影響，壓電式力傳感器的這種連續(xù)加載校準(zhǔn)方法，具有精度高、實(shí)用性強(qiáng)的特點(diǎn)。連續(xù)加載的校準(zhǔn)方法也可以應(yīng)用于壓電式壓力傳感器的校準(zhǔn)。我們應(yīng)進(jìn)一步對這種方法進(jìn)行深入研究，完善其校準(zhǔn)方法和不確定度分析，制定出相應(yīng)的校準(zhǔn)規(guī)范或檢定規(guī)程。

［1］國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.JJG391-2009 力傳感器［S］.北京:中國計(jì)量出版社，2009.

［2］劉海斌，元文學(xué)，孟昭莉.多分量壓電晶體測力平臺靜態(tài)標(biāo)定與COP 驗(yàn)證研究［J］.吉林體育學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，25(5):82-84.

［3］李培玉，譚大鵬，劉端陽，等.六分量力傳感器及其校準(zhǔn)系統(tǒng)［J］.中國機(jī)械工程，2005，17(16):1523-1526.