應(yīng)變力傳感器性能對(duì)于推力測(cè)量影響研究

劉永錄，秦海峰

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

0 引言

對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)試車臺(tái)中配套的推力測(cè)量系統(tǒng)一般由力傳感器和測(cè)量儀表(或?qū)Ｓ脭?shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng))組成，總稱推力測(cè)量系統(tǒng)。推力測(cè)量系統(tǒng)的技術(shù)特性直接影響推力測(cè)量的準(zhǔn)確度。推力測(cè)量系統(tǒng)中力傳感器是敏感元件，所以對(duì)推力測(cè)量系統(tǒng)的評(píng)定中將主要對(duì)力傳感器的特性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

力傳感器裝配于試車臺(tái)架中，處于試車間的工作環(huán)境之下，此環(huán)境隨著氣候、試車對(duì)象以及安裝狀態(tài)的變化，將表現(xiàn)出不同的技術(shù)特性。這些技術(shù)特性主要包括在不同的工作環(huán)境溫度下測(cè)量系統(tǒng)的靈敏度、抗側(cè)向力性能等等。因此，應(yīng)對(duì)其進(jìn)行全面系統(tǒng)的性能評(píng)價(jià)。

1 試驗(yàn)流程及具體實(shí)施

本次研究工作中將選擇不同試車臺(tái)中配套的力測(cè)量系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)，針對(duì)三方面性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，具體工作流程和試驗(yàn)項(xiàng)目如圖1所示。

圖1 推力測(cè)量系統(tǒng)性能綜合評(píng)價(jià)流程

某試車臺(tái)使用的推力測(cè)量傳感器為美國Interface公司生產(chǎn)的力值范圍125 kN力傳感器。本文針對(duì)本傳感器開展了如下校準(zhǔn)試驗(yàn):工作性能校準(zhǔn)、溫度特性校準(zhǔn)、抗側(cè)向力特性校準(zhǔn)。

工作性能校準(zhǔn)采用本所測(cè)力實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)裝置根據(jù)JJG 391-2009《力傳感器檢定規(guī)程》開展試驗(yàn);溫度特性校準(zhǔn)將在-15～40℃內(nèi)對(duì)其特性進(jìn)行校準(zhǔn)試驗(yàn);抗側(cè)向力特性校準(zhǔn)將利用多分量力校準(zhǔn)裝置開展校準(zhǔn)試驗(yàn)。

針對(duì)這些推力測(cè)量系統(tǒng)開展各項(xiàng)試驗(yàn)，并進(jìn)行各項(xiàng)性能的綜合評(píng)價(jià)，其具體實(shí)施步驟如下所述。

1.1 力傳感器工作性能校準(zhǔn)和溫度特性校準(zhǔn)

根據(jù)試車臺(tái)推力測(cè)試的實(shí)際使用要求，首先應(yīng)對(duì)力傳感器的最大允許誤差進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。此項(xiàng)評(píng)定中涉及的主要試驗(yàn)項(xiàng)目有:重復(fù)性R/(%FS);直線度L/(%FS);滯后H/(%FS);溫度影響/(%FS)。這些指標(biāo)在目前日常校準(zhǔn)的過程中一般會(huì)進(jìn)行試驗(yàn)和評(píng)價(jià)，而其它的技術(shù)指標(biāo)對(duì)力測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果的影響卻很少進(jìn)行評(píng)價(jià)，尤其是溫度影響指標(biāo)是對(duì)結(jié)果影響明顯而又很少考慮的指標(biāo)。

由于試車間與外界環(huán)境相通，尤其是試車過程中，環(huán)境溫度變化較大，所以力傳感器的溫度特性的研究也尤為重要。參考稱重傳感器，以常溫狀態(tài)下的校準(zhǔn)曲線為基礎(chǔ)，比較高、低溫狀態(tài)下的校準(zhǔn)曲線特性。通常情況下力傳感器的溫度性能較難提高，而試車間的溫度范圍較大，通常為-15～40℃，因此本項(xiàng)目將在此溫度范圍內(nèi)對(duì)其進(jìn)行靈敏度溫度影響，計(jì)算相應(yīng)技術(shù)指標(biāo)，試驗(yàn)裝置如圖2所示。

圖2 力傳感器校準(zhǔn)裝置

力傳感器的試驗(yàn)裝置主要包括力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)和溫度試驗(yàn)箱。本力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)采用靜重式結(jié)構(gòu)，通過力值砝碼復(fù)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)力值，測(cè)量準(zhǔn)確度可以達(dá)到0.002%。高低溫環(huán)境的實(shí)現(xiàn)主要是通過溫度試驗(yàn)箱來完成。本溫度試驗(yàn)箱可以實(shí)現(xiàn)-50～110℃范圍內(nèi)的溫度控制，配合力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)可以完成力傳感器的高低溫試驗(yàn)。

測(cè)試結(jié)果見圖3、圖4。從圖4可以得知試車臺(tái)用力傳感器的重復(fù)性、滯后誤差均在0.05%范圍內(nèi)，直線度稍差，在0.1%以內(nèi)。針對(duì)直線度誤差較大的問題，通過采用可以進(jìn)行多點(diǎn)線性修正的采集系統(tǒng)來進(jìn)行線性補(bǔ)償以達(dá)到力值修正的目的。

圖3 工作力傳感器20℃(常溫)指標(biāo)曲線

圖4 力傳感器各溫度下誤差線

1.2 抗側(cè)向力和抗彎性能

在發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行推力的測(cè)試試驗(yàn)中，發(fā)動(dòng)機(jī)本身特性的差異和安裝位置的不同將對(duì)測(cè)試用力傳感器產(chǎn)生不同程度的側(cè)向力和彎矩，而不同結(jié)構(gòu)的力傳感器的抗側(cè)向力和抗彎性能又有很大的差異。由此引入的對(duì)靈敏度的干擾量也是一個(gè)不可忽視的數(shù)值，因此對(duì)力傳感器進(jìn)行抗側(cè)向力的試驗(yàn)在推力修正的研究中也非常重要。利用側(cè)向力校準(zhǔn)裝置對(duì)力傳感器抗側(cè)向力性能進(jìn)行校準(zhǔn)。

基于軸向加力裝置的側(cè)向力施加裝置見圖5。本裝置包括底座、主機(jī)架、升降裝置、側(cè)向力輸出裝置和控制系統(tǒng)。底座位于軸向加力裝置上，被測(cè)傳感器裝在底座上，所述主機(jī)架上有導(dǎo)軌，并通過導(dǎo)軌與側(cè)向力施加裝置相連。升降裝置在主機(jī)架的另一側(cè)，并且通過滾珠絲杠副與側(cè)向力施加裝置相連。本裝置基于軸向加力的基礎(chǔ)上，可以通過側(cè)向力輸出裝置來施加側(cè)向力，并通過升降機(jī)構(gòu)來調(diào)節(jié)上下位置，以適應(yīng)不同大小的被測(cè)傳感器。

圖5 側(cè)向力校準(zhǔn)裝置

進(jìn)行側(cè)向力試驗(yàn)時(shí)，首先在主分量上施加指定的壓力，施加完畢后，讀取力傳感器的指示值。讀取完畢后，在側(cè)向施加指定的幾個(gè)力值，待傳感器讀數(shù)溫度后讀取力傳感器的相應(yīng)輸出，將此輸出和不施加側(cè)向力的輸出進(jìn)行比較，得出力傳感器在有側(cè)向力作用時(shí)對(duì)其施加輸出的影響。本方向的試驗(yàn)完畢后，轉(zhuǎn)動(dòng)力傳感器至一定的角度，重復(fù)以上的試驗(yàn)。本試驗(yàn)每轉(zhuǎn)動(dòng)90°進(jìn)行一次，重復(fù)以上的試驗(yàn)。表1為工作力傳感器抗側(cè)向力性能的相關(guān)數(shù)據(jù)。

表1 工作力傳感器抗側(cè)向力性能

從表1的數(shù)據(jù)得知，側(cè)向力對(duì)于本力傳感器的輸出影響最大為0.03%。

3 結(jié)論

發(fā)動(dòng)機(jī)推力測(cè)量是發(fā)動(dòng)機(jī)性能的一個(gè)重要指標(biāo)，發(fā)動(dòng)機(jī)推力測(cè)量系統(tǒng)的校準(zhǔn)對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)推力的準(zhǔn)確測(cè)量有著十分重要的意義。本文通過對(duì)目前發(fā)動(dòng)機(jī)試車臺(tái)推力測(cè)量系統(tǒng)上普遍采用的力傳感器進(jìn)行深入的性能分析，選用一般發(fā)動(dòng)機(jī)試車臺(tái)采用的某種型號(hào)力傳感器進(jìn)行了工作性能校準(zhǔn)、溫度特性校準(zhǔn)、抗側(cè)向力特性校準(zhǔn)等工作。對(duì)于大量采用本文中型號(hào)傳感器的試車臺(tái)有著很好的代表性，基本掌握了用于發(fā)動(dòng)機(jī)推力測(cè)量系統(tǒng)的力傳感器的性能特點(diǎn)，對(duì)于推力測(cè)量系統(tǒng)的性能有了進(jìn)一步的理解，對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)的推力測(cè)量準(zhǔn)確度的分析提供了很好的數(shù)據(jù)參考。

［1］國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.JJG 669-2003稱重傳感器［S］.北京:中國計(jì)量出版社，2003.

［2］洪寶林.力學(xué)計(jì)量［M］.北京:原子能出版社，2002:163-175.

［3］劉永錄.多種校準(zhǔn)條件下動(dòng)態(tài)力傳感器性能研究［J］.計(jì)測(cè)技術(shù)，2009(29):39-40.