陳 靜，孔德仁，郭 彬，張喜英，顧廷煒，陳金剛

(1.北京交通大學海濱學院電子與電氣工程學院，河北黃驊 061100；2.南京理工大學機械工程學院，江蘇南京 210094；3.黃驊市住房和城鄉(xiāng)建設(shè)局，河北黃驊 061100)

0 引言

壓電式壓力測量系統(tǒng)具有固有頻率高、動態(tài)特性好等優(yōu)點，因而被廣泛地應(yīng)用于動態(tài)壓力測試領(lǐng)域。然而，由于系統(tǒng)低頻特性不夠理想，若采用靜態(tài)標定的方法對其進行校準時不可避免地會產(chǎn)生電荷泄漏和系統(tǒng)響應(yīng)漂移等問題，導(dǎo)致獲得的傳感器靈敏度參數(shù)準確度不高，且靜態(tài)標定加載時間過長會嚴重影響傳感器的使用壽命；若采用激波管等動態(tài)標定的方法，由于階躍壓力的平臺持續(xù)時間較短，因而無法對系統(tǒng)的低頻特性進行校準，此外，激波管產(chǎn)生的壓力幅值較低，無法實現(xiàn)高壓傳感器的動態(tài)校準[1]。因此，為了提高壓電式壓力測量系統(tǒng)的校準精度，可采用落錘液壓動標裝置對其進行準靜態(tài)校準。該方法主要分為比對式和絕對式，前者采用的標準壓力監(jiān)測系統(tǒng)常選用多路價格昂貴的高精度壓電式壓力測量系統(tǒng)構(gòu)成，雖然有著較高的校準精度，但試驗成本很高，因而采用高精度的測力傳感器來監(jiān)測壓力[2]。

對于力監(jiān)測壓力的絕對式準靜態(tài)校準方法，若采用螺栓連接的方式將力傳感器固定在兩個過渡件上，螺栓預(yù)緊力在一定程度上影響其測量精度，此外，由于錘頭撞擊活塞桿的過程中必然會受到慣性力的影響，導(dǎo)致測得的力與校準原理中活塞作用力F是有差異的，與此同時，試驗過程中由于重錘組件與導(dǎo)向系統(tǒng)之間存在間隙，使得重錘打擊中心與精密活塞桿中心不一致，導(dǎo)致偏心力矩的存在，而精密活塞桿與活塞缸之間的摩擦力是和摩擦系數(shù)及彎矩產(chǎn)生的正壓力成正比的，因此該摩擦力不可控[3]?；谝陨戏治?，根據(jù)此安裝結(jié)構(gòu)按常規(guī)方法得到的力和壓力的關(guān)系模型與真實情況不符，為了精確測量錘頭撞擊精密活塞桿時力的大小，需研制測力傳感器，該傳感器具備良好的動態(tài)特性和較高的精度，且結(jié)構(gòu)上能適用于現(xiàn)有的落錘裝置，具體設(shè)計要求如下：

(1)錘頭便于安裝并能保證安裝后打擊活塞不偏心；

(2)所測得的力量程應(yīng)滿足壓電式壓力電測系統(tǒng)的校準需求，準靜態(tài)壓力校準范圍為 0～1 000 MPa，活塞桿以1 cm2面積作為指標考核值，則要求所設(shè)計的測力傳感器量程包含 0～100 kN；

(3)固有頻率至少應(yīng)高于壓力脈沖信號有效頻帶的3～5倍以減小動態(tài)誤差；

(4)結(jié)構(gòu)簡單，易于加工并具有較好的抗彎能力。

1 測力傳感器的結(jié)構(gòu)

根據(jù)落錘裝置的結(jié)構(gòu)特點及測力傳感器的設(shè)計要求，擬將測力傳感器設(shè)計為與錘頭一體，即將錘頭作為彈性敏感元件，從而可不借助過渡件直接將傳感器安裝在現(xiàn)有錘體上，如圖1所示。

圖1 傳感器內(nèi)部尺寸結(jié)構(gòu)圖

傳感器的敏感元件選用柱形結(jié)構(gòu)形式，中間位置粘貼有多個應(yīng)變片用來測量力的大小。粘貼方式如圖2所示，選用同一批號且阻值均為120 Ω的應(yīng)變片粘貼在錘頭圓柱部分的中間位置。為了盡可能消除錘頭打擊活塞偏心產(chǎn)生彎矩的影響，傳感器的電橋電路實現(xiàn)如圖3所示[4]。該電橋電路可以提高傳感器的輸出靈敏度，其中工作應(yīng)變片在電路中用對臂的方式，而補償應(yīng)變片與工作應(yīng)變片采用鄰臂的方式接入電橋中，此種連接方法不但起到了溫度補償作用，還具有抵抗打擊偏心產(chǎn)生的彎矩的能力。根據(jù)所選的錘頭材料，結(jié)合應(yīng)變片所測得的應(yīng)變關(guān)系得到應(yīng)力大小[5]。

圖2 應(yīng)變片粘貼圖

圖3 電橋電路連接圖

測力傳感器的整體結(jié)構(gòu)及實物圖如圖4所示，其中底部加球頭設(shè)計以減小錘頭與活塞桿的接觸面積，從而減小撞擊過程中對錘頭和活塞桿的磨損；上端加入軸向定位結(jié)構(gòu)以保證重錘垂直打擊活塞桿，減小偏心力矩；設(shè)計專用的保護罩對其進行防護，以免在試驗過程中對應(yīng)變片造成損傷導(dǎo)致測量結(jié)果有偏差。

圖4 傳感器整體結(jié)構(gòu)及實物圖

2 測力傳感器的理論計算

材料選用35CrMnSiA低合金超高強度鋼[6]，該材料強度較高，綜合機械性能較好，是應(yīng)變片式傳感器尤其是大噸位傳感器彈性體的理想材料，其理論分析計算如表1所示。由表中數(shù)據(jù)可知：

(1)在測試范圍內(nèi)敏感元件的軸向應(yīng)力σ<[σ]=1.275×109Pa，符合強度要求；軸向應(yīng)變ε<1 000 με能保證較好的線性及遲滯特性；

(2)造壓油缸內(nèi)的壓力信號波形呈半正弦型，若定義壓力信號的歸一化頻譜密度由1下降至其 2%處的頻帶作為有效帶寬，則對于脈寬為3～12 ms的理想半正弦信號而言，其有效頻帶范圍為113～454 Hz[7]。根據(jù)以上分析可知，研制的專用測力傳感器的固有頻率遠高于被測壓力信號的有效頻帶，即測量系統(tǒng)的工作頻帶能夠包容被測信號的有效頻帶，測量時的動態(tài)失真可以忽略不計，自研力傳感器的動態(tài)特性滿足準靜態(tài)校準的要求。

表1 傳感器彈性元件理論計算結(jié)果

(3)抗壓臨界力遠大于測力傳感器量程范圍內(nèi)的最大值，說明測力傳感器具有較好的抗彎能力。

通過對測力傳感器彈性元件進行理論計算可知，該傳感器設(shè)計合理。

3 測力傳感器的仿真分析

為了進一步驗證力傳感器的應(yīng)力、應(yīng)變均在合理范圍之內(nèi)，采用 workbench14.5對傳感器進行了仿真分析。按照力傳感器的設(shè)計尺寸建立仿真模型，并選用Johnson-Cook模型作為35CrMnSiA材料的強度模型[8]。在測力傳感器的中間位置選取一特征點，由表 2中仿真結(jié)果可知，測力傳感器的敏感元件在測試范圍內(nèi)的軸向應(yīng)力小于其屈服應(yīng)力，該傳感器滿足強度要求；由圖5所示傳測力傳感器的模態(tài)分析結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)傳感器產(chǎn)生橫向振型時對應(yīng)的固有頻率為f1=1 890.5 Hz ，在豎直方向振動的固有頻率為f6=12 693 Hz ，由此可知，測力傳感器的固有頻率遠高于被測壓力信號的有效頻帶，測量時的動態(tài)失真可以忽略不計，該測力傳感器的性能滿足設(shè)計要求[9]。

表2 傳感器仿真結(jié)果( 6 ms)

圖5 傳感器模態(tài)分析結(jié)果

4 測力傳感器靜動態(tài)特性試驗

對測力傳感器進行靜態(tài)標定[10]，結(jié)果如表3所示，所設(shè)計的測力傳感器靜態(tài)特性良好，滿足試驗要求。

表3 傳感器靜態(tài)特性指標

注：x為輸入力值，N；y為系統(tǒng)輸出值，放大倍數(shù)：10 000，mV

測力傳感器動態(tài)校準試驗方案如下：將測力傳感器豎直放置在脆性材料上，脆性材料由置于底座的兩支撐塊支承，并施加力直至其斷裂，如圖6所示，在斷裂瞬間測力傳感器的輸入信號為負階躍力，通過對已知的輸入信號和傳感器的輸出信號進行 FFT運算獲得其幅頻特性曲線[11]。

試驗時，通過千斤頂向高速鋼施加力直至其斷裂，因此在高速鋼斷裂前測力傳感器的輸出信號呈階梯狀，斷裂瞬間為負階躍信號。如圖7分別為系統(tǒng)響應(yīng)原始信號(采樣頻率100 kHz，采樣時間5 s)及截取原始信號中有效信號并將其轉(zhuǎn)換成正階躍信號后進行歸一化處理得到的曲線。

(a)階躍力發(fā)生器

(b)動態(tài)校準系統(tǒng)圖6 階躍力發(fā)生器及傳感器動態(tài)校準系統(tǒng)

(a)系統(tǒng)響應(yīng)原始信號

(b)截取有效信號并進行歸一化處理圖7 力值測量系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線

對力值測量系統(tǒng)的階躍響應(yīng)信號進行 FFT運算獲得圖8所示幅頻特性曲線，其在 0～1 kHz范圍內(nèi)為一條較平坦的直線，則有效頻帶上限為1 kHz；在1～2 kHz范圍內(nèi)有一共振峰，其產(chǎn)生的原因是由于階躍力發(fā)生器在力傳遞過程中不能很好地與傳感器軸線平行，導(dǎo)致所加載荷與傳感器的軸線有一定的夾角，從而激發(fā)了測力傳感器的橫向振動頻率；在12～13 kHz范圍內(nèi)有一主共振峰，其對應(yīng)的頻率即為測力傳感器的固有頻率。根據(jù)以上分析可知，測力傳感器的動態(tài)特性試驗結(jié)果與上文中的理論計算和仿真分析結(jié)果相吻合，因此傳感器的固有頻率遠高于被測信號的有效頻帶，其動態(tài)特性滿足準靜態(tài)校準的要求。

圖8 測力系統(tǒng)幅頻特性曲線圖

5 結(jié)束語

由理論計算、仿真分析及試驗驗證可知，采用該方案設(shè)計的測力傳感器可用于壓力傳感器絕對校準中，并且可有效消除預(yù)緊力和慣性力對實驗結(jié)果的影響。