李自武，沈運(yùn)杰，張磊，曹仕國(guó)

(中航工業(yè)西安航空發(fā)動(dòng)機(jī)(集團(tuán))有限公司計(jì)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(cè)量?jī)x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(jí)的測(cè)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(qiáng)、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(dòng)態(tài)響應(yīng)好等特點(diǎn)，因而在力值測(cè)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(dòng)檢測(cè)及自動(dòng)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(cè)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(shí)現(xiàn)非電量測(cè)量。電阻應(yīng)變力傳感器是最為常見(jiàn)的力傳感器，由于其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的限制，會(huì)有許多影響其測(cè)量準(zhǔn)確度的因素。本文主要從初始力值、連接方式及測(cè)量電纜線對(duì)電阻應(yīng)變力傳感器(以下簡(jiǎn)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(duì)線性度影響

1.1 力傳感器線性度

力傳感器實(shí)際測(cè)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(diǎn)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(shí)際的檢定工作中，力傳感器的型號(hào)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(shí)更為常見(jiàn)。對(duì)于小量程的力傳感器來(lái)說(shuō)，標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力機(jī)不能滿足其測(cè)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(shí)際校準(zhǔn)曲線不是完全線性，檢定工裝自身的重量會(huì)改變力傳感器校準(zhǔn)曲線，使其實(shí)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(huì)產(chǎn)生測(cè)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(huì)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(dòng)0.1F 和向下移動(dòng)(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(gè)相同檢定點(diǎn)的輸出值會(huì)存在一定的偏差。在實(shí)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(shí)輸出狀態(tài)。

1.3 使用中初始力值的影響

在力傳感器的實(shí)際使用中，可能會(huì)遇到下面兩種情況:①試驗(yàn)工藝規(guī)范中要求力測(cè)量裝置對(duì)被測(cè)器件施加一定的預(yù)拉或壓力，然后再進(jìn)行正常試驗(yàn)，這中狀態(tài)下力傳感器會(huì)受到一定的初始力值。②測(cè)試裝置自身的重量會(huì)作用在傳感器上，使傳感器受到一定初始力值，如發(fā)動(dòng)機(jī)試車裝置上臺(tái)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(huì)造成一定的偏差，對(duì)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(méi)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(shí)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(shì)必會(huì)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(huì)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(shí)，力的作用線與傳感器的軸線不會(huì)完全重合，作用力可分解為通過(guò)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(gè)附加彎矩，這樣傳感器不能準(zhǔn)確地測(cè)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(guò)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(duì)軸向力敏感，對(duì)側(cè)向力不敏感，從而解決了力傳感器抗側(cè)向力問(wèn)題。力傳感器的生產(chǎn)廠家和型號(hào)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(duì)不同廠商生產(chǎn)的力傳感器進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了對(duì)于許多傳感器來(lái)說(shuō)，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(guó)產(chǎn)的0.1 級(jí)力傳感器，在帶球形壓頭和不帶球形壓頭時(shí)分別進(jìn)行10 次重復(fù)測(cè)量，測(cè)量的數(shù)據(jù)結(jié)果表明:

1)兩種情況下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果偏差在0.05% ～0.1%之間;

2)不帶球形壓頭的10 次實(shí)驗(yàn)結(jié)果重復(fù)性大于帶球形壓頭的10 次實(shí)驗(yàn)結(jié)果重復(fù)性。

許多使用單位在送檢力傳感器時(shí)，不把自身的上下壓墊或拉桿與傳感器一起送檢，計(jì)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(shì)必會(huì)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(shí)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(cè)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(gè)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(shí)，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(shí)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(mén)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(cè)量電纜線一起送檢。

2)在一些大型測(cè)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(zhǎng)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(shí)際使用的電纜線規(guī)格和長(zhǎng)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(cè)量?jī)x表進(jìn)行使用。計(jì)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(lì)電壓U 有關(guān)。如果實(shí)際使用與檢定中使用的電纜線規(guī)格和長(zhǎng)度不同，由于電纜線上的壓降將引起橋路中實(shí)際激勵(lì)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(zhǎng)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(huì)造成檢定所得傳感器參數(shù)與其實(shí)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(duì)于小量程的力傳感器來(lái)說(shuō)，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(duì)力傳感器輸出線性度的影響。對(duì)于那些使用中需要預(yù)加初始力值的力傳感器，在檢定時(shí)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(shí)際工作中所使用的，對(duì)于抗側(cè)向力差的傳感器來(lái)說(shuō)，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(cè)量電纜線應(yīng)該是實(shí)際工作中使用的專用電纜線，如果測(cè)試裝置上測(cè)量電纜線確實(shí)不容易拆卸，檢定時(shí)所使用的測(cè)量電纜線規(guī)格和長(zhǎng)度應(yīng)該和實(shí)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(jì)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(jì)量［M］. 北京:中國(guó)計(jì)量出版社，1999.

［3］國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局. JJG391 －2009 力傳感器檢定規(guī)程［S］. 北京:中國(guó)計(jì)量出版社，2009.