秦海峰， 劉思博， 劉永錄

(中國航空工業(yè)集團(tuán)公司北京長城計(jì)量測試技術(shù)研究所，北京 100095)

傳感器是能感受被測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置[1]，傳感器技術(shù)是現(xiàn)代信息社會的重要技術(shù)基礎(chǔ)[2]，在工業(yè)測量控制、國防科研生產(chǎn)以及居民生活過程中均有著不可或缺的重要作用。以航空發(fā)動機(jī)試車臺為例，測控系統(tǒng)是試車臺的重要組成部分[3]，用于試車臺推力測量的力傳感器則是推力測控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來源，其測得數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性對航空發(fā)動機(jī)等工業(yè)產(chǎn)品的技術(shù)性能判定至關(guān)重要。

力傳感器按敏感元件的種類主要有電阻應(yīng)變式和壓電晶體式兩類。其中電阻應(yīng)變式力傳感器是一種以一定準(zhǔn)確度[4]把被測的力轉(zhuǎn)換為電阻量并進(jìn)行電信號轉(zhuǎn)換輸出的測量裝置。由于具有線性度高、滯后和蠕變小、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)多元化等特點(diǎn)，電阻應(yīng)變式力傳感器在力值測量領(lǐng)域具有極其重要的地位和更為普遍的應(yīng)用[5]。

力傳感器各項(xiàng)技術(shù)性能的優(yōu)劣也直接決定了可適用的場合。其技術(shù)性能的校準(zhǔn)通常是在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境條件下按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)文件進(jìn)行開展。國內(nèi)現(xiàn)行的技術(shù)文件為JJG 391-2009《力傳感器》計(jì)量檢定規(guī)程，國際上也有如OIMLR60《Metrological Regulation for Load Cells》計(jì)量法規(guī)國際建議和ISO 376《Metallic Materials—Calibration of Force-Proving Instruments Used for the Verification of Uniaxial Testing Machines》等與應(yīng)變式傳感器相關(guān)的校準(zhǔn)方法文件。這些技術(shù)文件均規(guī)定了在實(shí)驗(yàn)室條件下開展傳感器校準(zhǔn)工作的要求和方法。

力傳感器在工業(yè)測量中的實(shí)際使用條件常常存在不同于校準(zhǔn)條件的諸多特殊工況。結(jié)合在航空發(fā)動機(jī)試車臺中的實(shí)際使用工況進(jìn)行分析，主要影響因素有高低溫、低氣壓、非軸向附加載荷等。電阻應(yīng)變式力傳感器對這些特殊工況的敏感程度將決定其在實(shí)驗(yàn)室條件下的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的適用性水平。因此，開展對應(yīng)變式力傳感器在特殊工況下的技術(shù)特性分析和性能試驗(yàn)是確定其在不同應(yīng)用場合下的工作可靠性的重要手段。

結(jié)合應(yīng)變式力傳感器的測量原理和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，本文對其各項(xiàng)技術(shù)性能的影響機(jī)理進(jìn)行了分析。通過在多種影響因素作用下，分別開展測試試驗(yàn)得到力傳感器的實(shí)際敏感性特點(diǎn)。文中還進(jìn)一步探討了不同結(jié)構(gòu)力傳感器在各種應(yīng)用工況下的適用性，以期為應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場中的力傳感器的選型和溯源提出參考依據(jù)。

1 力傳感器的實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)

為了能科學(xué)評價(jià)力傳感器的通用計(jì)量性能，統(tǒng)一評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，需按照一定的規(guī)則和方法來進(jìn)行校準(zhǔn)和定級。國內(nèi)現(xiàn)行的JJG 391-2009《力傳感器》計(jì)量檢定規(guī)程中規(guī)定了輸出靈敏度、重復(fù)性、直線性等技術(shù)指標(biāo)的技術(shù)要求和檢定方法，圖1為規(guī)程中規(guī)定的校準(zhǔn)曲線和部分技術(shù)指標(biāo)的定義。

圖1 力傳感器的校準(zhǔn)曲線及技術(shù)指標(biāo)

該規(guī)程規(guī)定了檢定時(shí)的一些控制條件，其中環(huán)境溫度條件為(20±5) ℃，加荷時(shí)力傳感器的安裝條件為保證其主軸線與加荷軸線相重合，盡量使其偏心負(fù)荷的影響減到最小[6]。

在溫度影響方面，規(guī)程規(guī)定了兩個(gè)技術(shù)指標(biāo)：零點(diǎn)輸出溫度影響和額定輸出溫度影響。這兩個(gè)指標(biāo)是在用戶提出特殊需要時(shí)開展的檢定項(xiàng)目，常規(guī)情況下的檢定或校準(zhǔn)時(shí)可不進(jìn)行試驗(yàn)和評價(jià)。

由此可見，在生產(chǎn)廠家和用戶不提出特殊要求的情況下，力傳感器的校準(zhǔn)過程僅限于在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境溫度和理想載荷下開展。而當(dāng)力傳感器被用于特殊使用工況下時(shí)，其實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)得到的數(shù)據(jù)結(jié)果就會存在適用性問題。

2 力傳感器在航空發(fā)動機(jī)試車臺中的特殊使用工況

力傳感器常會被應(yīng)用于一些特殊場合和工況下。以航空渦噴/渦扇發(fā)動機(jī)試車臺為例，發(fā)動機(jī)推力是由試車臺中配置的推力測量系統(tǒng)[7]來完成的，推力測量系統(tǒng)系統(tǒng)中配套了一些力傳感器來進(jìn)行發(fā)動機(jī)推力的在線測量。圖2為某支撐式試車臺架中力傳感器的配置方式，其試驗(yàn)推力傳遞路線[8]為發(fā)動機(jī)推力—主支點(diǎn)—動架—力傳感器。

圖2 某型發(fā)動機(jī)試車臺中力傳感器的應(yīng)用

力傳感器在發(fā)動機(jī)試車臺中的應(yīng)用環(huán)境通常與實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)環(huán)境不同，主要差別有環(huán)境溫度條件、氣壓條件、受力狀態(tài)等。

① 環(huán)境溫度。力傳感器在實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)時(shí)環(huán)境溫度通常為15～25 ℃。配套于試車臺后，在室外條件下其環(huán)境溫度可達(dá)到-20～50 ℃。試車試驗(yàn)過程中，由于發(fā)動機(jī)工作發(fā)熱、熱輻射和熱傳導(dǎo)等因素，還會有試驗(yàn)空間局部升溫現(xiàn)象。在高空試驗(yàn)條件下其工作環(huán)境溫度還會更加惡劣，平流層底部20 km處溫度約-50 ℃[9]。

② 氣壓條件。力傳感器在實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)時(shí)為常規(guī)大氣條件，大氣壓力為100 kPa左右。配套于試車臺后，氣壓范圍與實(shí)際試車高度相關(guān)，在高空試驗(yàn)條件下，試車臺所處環(huán)境為低氣壓環(huán)境。航空飛機(jī)的最大飛行高度約為20 km[10]，此高度的大氣壓力約為5.5 kPa。臨近空間飛行器的主要活動區(qū)域要更高一些，且大氣壓力隨高度增加呈指數(shù)衰減。

③ 受力狀態(tài)。力傳感器在實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)時(shí)受力狀態(tài)為沿軸線受力。傳感器和力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)之間有活動球面進(jìn)行受力狀態(tài)調(diào)節(jié)修正，以保證除垂向載荷外，盡量不受到其他方向附加載荷的影響。圖3為某型力傳感器常規(guī)校準(zhǔn)時(shí)采用的活動球面承壓墊的實(shí)物圖和結(jié)構(gòu)示意圖，圖中壓頭壓帽結(jié)構(gòu)可在一定范圍內(nèi)起到調(diào)節(jié)傳感器受力方向的作用。

圖3 活動球面承壓墊實(shí)物圖和結(jié)構(gòu)示意圖

然而，力傳感器在實(shí)際使用時(shí)，由于空間和受力工況限制，很難利用這種承壓方式。尤其是拉壓向受力的傳感器，常常直接采用螺紋固接受力，這就增加了各種附加載荷對力傳感器測量過程中的輸出靈敏度的影響。以圖2所示的發(fā)動機(jī)試車臺為例，在試車時(shí)，推力由發(fā)動機(jī)產(chǎn)生，再由動架通過彈簧片傳遞到與靜架相接的力傳感器上來進(jìn)行測量。

推力發(fā)生過程中會產(chǎn)生振動、偏轉(zhuǎn)或俯仰等非軸向載荷，這些載荷將會對傳感器的測量結(jié)果產(chǎn)生一定影響。一方面，當(dāng)力傳感器受力軸線與所需測量的載荷方向不一致時(shí)，由于力被分解而導(dǎo)致實(shí)際測量結(jié)果通常會變小。偏載力的分解原理如圖4所示，F(xiàn)為外部加載的力，而對于傳感器的敏感區(qū)測到的則是近似于一個(gè)沿敏感軸線的力Fz和另一個(gè)沿不敏感軸方向的分力Fx。另一方面，當(dāng)力傳感器彈性元件受到非軸向力時(shí)，對輸出靈敏度也會產(chǎn)生一定的附加影響，其影響原理如圖5所示，對于傳感器來說，其實(shí)際承受的力相當(dāng)于Fy和Fx這兩個(gè)力的合力F，具體影響量的大小與力傳感器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和抗側(cè)向力性能有關(guān)。

圖4 偏載力的分解

圖5 非軸向載荷的影響

3 力傳感器的高低溫性能及試驗(yàn)

電阻應(yīng)變式力傳感器主要由感受力的彈性敏感元件[11]與粘貼在彈性元件表面的電阻應(yīng)變片組成的橋路構(gòu)成。彈性元件在不同溫度下的彈性模量會有不同，這樣就導(dǎo)致傳感器具有對溫度敏感的特性。通常情況下，為了改善力傳感器的高低溫性能，會采用應(yīng)變片自補(bǔ)償和電路補(bǔ)償?shù)姆椒▉頊p少溫度對零點(diǎn)輸出和對靈敏度輸出的影響。如果力傳感器不經(jīng)過溫度補(bǔ)償，其靈敏度變化可能會在±1%/10 K范圍，即使經(jīng)過溫度補(bǔ)償?shù)膫鞲衅饕矔捎诓牧咸匦?、工藝水平等的限制而存在不同的表現(xiàn)，只有經(jīng)過在實(shí)際環(huán)境條件下進(jìn)行標(biāo)定才能夠準(zhǔn)確獲得具體技術(shù)性能。

JJG 391-2009中規(guī)定了對力傳感器的兩個(gè)溫度特性進(jìn)行判定的方法，分別是在無負(fù)載時(shí)和額定負(fù)載時(shí)對傳感器的輸出變化進(jìn)行觀察和計(jì)算得到的。參考該標(biāo)準(zhǔn)文件中規(guī)定的方法，零點(diǎn)輸出溫度影響指標(biāo)可按式(1)進(jìn)行計(jì)算，額定輸出溫度影響指標(biāo)可按式(2)進(jìn)行計(jì)算。兩個(gè)指標(biāo)均以每10 K的變化來進(jìn)行評估。

(1)

(2)

式中，Zt為力傳感器的零點(diǎn)輸出溫度影響；θ0t,θ0s分別為在溫度T和常溫Ts時(shí)相對應(yīng)的無負(fù)載時(shí)輸出的平均值；θf為力傳感器在常溫時(shí)的額定輸出[12]；T,Ts分別為非常溫試驗(yàn)和常溫試驗(yàn)時(shí)的溫度；St為力傳感器的額定輸出溫度影響；θft,θfs分別為在溫度T和Ts時(shí)相對應(yīng)的額定負(fù)荷下輸出讀數(shù)的平均值。

試驗(yàn)前，需采用恒溫箱對力傳感器進(jìn)行局部控溫，并保持足夠長的時(shí)間，以保證傳感器彈性元件內(nèi)外溫度一致且充分穩(wěn)定。圖6為某傳感器試驗(yàn)時(shí)的安裝方式。傳感器置于恒溫箱中，上下放置隔熱墊并穿出溫箱與溫箱外部的力加載裝置相連，在實(shí)現(xiàn)力加載試驗(yàn)的同時(shí)盡量隔開與外界的熱交換。隔熱墊與恒溫箱箱體之間留有適量間隙，以避免摩擦。

圖6 力傳感器高低溫試驗(yàn)時(shí)的受力方式

圖7為某傳感器在不同溫度下試驗(yàn)得到的輸出靈敏度溫度曲線，可見在不同溫度下傳感器的輸出變化明顯，且線性特征基本保持一致。

圖7 某傳感器的輸出靈敏度溫度校準(zhǔn)曲線

圖8為該傳感器的各溫度點(diǎn)的額定輸出溫度影響指標(biāo)的計(jì)算結(jié)果，可見在-30～60 ℃溫度范圍內(nèi)，其輸出靈敏度呈現(xiàn)減小趨勢，溫度影響情況基本呈線性，且各溫度點(diǎn)的計(jì)算結(jié)果均不超過±0.02%FS/10 K的誤差范圍。按JJG 391-2009中的相關(guān)規(guī)定來判定，可符合0.02級力傳感器的技術(shù)指標(biāo)要求。

圖8 某傳感器的輸出溫度影響校準(zhǔn)結(jié)果

上述試驗(yàn)結(jié)果都是在充分恒溫的條件下得到的，僅適用于傳感器內(nèi)外溫度穩(wěn)定的狀態(tài)。如果環(huán)境溫度變化，或者環(huán)境溫度穩(wěn)定時(shí)間不夠，傳感器自身內(nèi)外溫度還沒有達(dá)到平衡，其輸出特性將會有大不一樣的表現(xiàn)。圖9為某傳感器在無負(fù)載狀態(tài)下測量信號的漂移曲線。可見在力值保持不變的條件下，當(dāng)溫度由20 ℃變化到40 ℃的過程中，其輸出信號產(chǎn)生了超過2.5%FS的變化，而當(dāng)溫度穩(wěn)定在40 ℃一定時(shí)間之后，力傳感器的輸出信號又逐漸回復(fù)到了0.1%FS的水平。

圖9 某傳感器的零點(diǎn)輸出隨溫度的變化

試驗(yàn)前期輸出會快速漂移，主要是由于傳感器彈性元件存在彈性模量變化、內(nèi)外溫度不平衡以及應(yīng)變片與彈性元件線膨脹系數(shù)不同等因素。應(yīng)變片對溫度變化十分敏感[13]，前期應(yīng)變片電橋的輸出靈敏度并不能反映彈性原件的實(shí)際應(yīng)變。圖10為某傳感器在溫度實(shí)現(xiàn)平衡之前的某一時(shí)刻彈性元件上溫度分布和彈性模量的仿真結(jié)果，可看出此刻各部分的差異明顯，在這種狀態(tài)下進(jìn)行測量得到的數(shù)據(jù)與常規(guī)環(huán)境條件下的測量結(jié)果必然具有明顯差異。

圖10 某傳感器熱平衡過程中的仿真圖

4 大氣壓力對力傳感器的影響試驗(yàn)

在力傳感器應(yīng)用于低氣壓工作環(huán)境時(shí)，可能會受到大氣壓力變化的影響。不同結(jié)構(gòu)的傳感器(如是否具有密封措施等)敏感程度可能會有不同，應(yīng)變片粘貼質(zhì)量差異也會產(chǎn)生不同的敏感反應(yīng)。為了得到大氣壓力變化對力傳感器輸出的影響特性，需要開展針對性試驗(yàn)來進(jìn)行評估。

當(dāng)前尚沒有相關(guān)規(guī)程規(guī)范對該試驗(yàn)方法進(jìn)行規(guī)定，而且也不具備在傳感器處于低氣壓環(huán)境下進(jìn)行力加載試驗(yàn)的校準(zhǔn)裝置。筆者利用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的低氣壓試驗(yàn)箱開展了力傳感器的在無負(fù)載狀態(tài)下對氣壓條件敏感狀況的試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)將力傳感器置于試驗(yàn)箱中，導(dǎo)線通過專用插頭引出，用于外接儀表讀數(shù)，具體安放狀態(tài)如圖11所示。

圖11 力傳感器低氣壓環(huán)境試驗(yàn)

試驗(yàn)開始時(shí)，將傳感器零點(diǎn)輸出清零，然后改變試驗(yàn)箱內(nèi)部氣壓環(huán)境，在不同氣壓條件下穩(wěn)定一段時(shí)間后，再讀取傳感器輸出數(shù)值。全程試驗(yàn)均在無負(fù)載狀態(tài)下進(jìn)行，因此所記錄的是傳感器零點(diǎn)輸出隨氣壓變化的漂移。圖12為兩個(gè)力傳感器的試驗(yàn)結(jié)果。

圖12 零點(diǎn)輸出隨氣壓變化的特性曲線

圖12中的數(shù)據(jù)分析參考了JJG 391-2009中零點(diǎn)漂移指標(biāo)的評價(jià)方法，按式(3)進(jìn)行計(jì)算。由圖12可知，兩個(gè)傳感器的零點(diǎn)輸出值均對大氣壓力有明顯反應(yīng)，其輸出變化隨氣壓基本呈現(xiàn)線性漂移，但兩個(gè)傳感器的數(shù)值變化趨勢并不一致，分別呈現(xiàn)變大和變小兩個(gè)方向。由此可見，傳感器對大氣壓力的反應(yīng)存在較大個(gè)體差異，不具備普適規(guī)律，究其原因，應(yīng)與每個(gè)傳感器的貼片質(zhì)量和密封程度等因素相關(guān)。

(3)

式中，ZP為力傳感器在氣壓為P時(shí)的零點(diǎn)漂移；θP為力傳感器在氣壓為P時(shí)的零點(diǎn)輸出值；θ0為力傳感器在正常大氣壓力下的零點(diǎn)輸出值。

由于當(dāng)前無法進(jìn)行在低氣壓環(huán)境下的力加載試驗(yàn)，因此尚無從得知該傳感器的輸出靈敏度隨氣壓變化的技術(shù)特性。

5 力傳感器抗偏載性能試驗(yàn)

力傳感器正常情況下的校準(zhǔn)會采用各種措施盡量避免除軸向載荷之外的其他方向附加載荷的影響。而在特殊工況下使用時(shí)，附加載荷卻常常難以避免。因此，力傳感器對于各種附加載荷的敏感性對于提高校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的適用性和準(zhǔn)確性具有重要的意義。筆者利用現(xiàn)有的多分量力校準(zhǔn)裝置設(shè)計(jì)并開展了部分傳感器在側(cè)向力作用下的輸出特性的校準(zhǔn)試驗(yàn)。

選擇了一個(gè)常見的復(fù)合梁式和一個(gè)四柱式力傳感器開展試驗(yàn)，前者的額定載荷為30 kN，后者的額定載荷為300 kN。通過多分量力校準(zhǔn)裝置同時(shí)對傳感器施加沿軸線的主載荷和一個(gè)側(cè)向力載荷，力傳感器的安裝和力加載方式如圖13所示。復(fù)合梁式側(cè)向力加載了沿正交的兩個(gè)方向分別進(jìn)行了試驗(yàn)。

圖13 力傳感器抗側(cè)向力性能試驗(yàn)

試驗(yàn)中，先施加軸向載荷，再施加側(cè)向力載荷，在每個(gè)軸向載荷下，逐步增加側(cè)向力載荷以觀察其輸出結(jié)果隨載荷變化的直線性。在記錄每個(gè)組合載荷下的傳感器輸出值的同時(shí)也對受力點(diǎn)的位移進(jìn)行了觀察和記錄。以四柱式力傳感器在軸向載荷為25 kN時(shí)的試驗(yàn)為例，部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。

表1 四柱式力傳感器的部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖14為兩個(gè)傳感器在軸向力Fz為25 kN時(shí)的3組側(cè)向力加載試驗(yàn)的結(jié)果。其中，圖14(a)和圖14(b)均為復(fù)合梁式傳感器的測量結(jié)果。圖14(a)對應(yīng)的試驗(yàn)中側(cè)向力(Fx)加載方向?yàn)閳D13(b)中的狀態(tài)，即垂直于傳感器的S形截面。圖14(b)對應(yīng)的試驗(yàn)中側(cè)向力(Fy)加載方向與圖14(a)的方向垂直正交。由于四柱式傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為對稱，對改變加力方向不敏感，因此僅做了一組試驗(yàn)，結(jié)果如圖14(c)所示。圖14中給出的最大變化值是指在該試驗(yàn)過程中傳感器輸出的最大偏移量與試驗(yàn)開始僅施加了軸向力載荷時(shí)的輸出的比值。

圖14 力傳感器抗側(cè)向力性能試驗(yàn)結(jié)果

由圖14可見，隨著側(cè)向力的增大，力傳感器的輸出均有一定程度的增大，且在一定負(fù)荷范圍內(nèi)基本呈線性。對復(fù)合式傳感器在不同方向施加側(cè)向力時(shí)，輸出變化程度有明顯差異，但均與位移變化程度趨向一致。在不同的軸向載荷下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果均表現(xiàn)出這一規(guī)律。

綜上可知，在單軸向力傳感器的實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)盡量避免或減少承受側(cè)向力或其他附加載荷。當(dāng)無法避免時(shí)，應(yīng)考慮選擇合適結(jié)構(gòu)的傳感器或采用合適的安裝受力方向來減少影響。當(dāng)對數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性要求較高時(shí)應(yīng)考慮開展實(shí)際測量試驗(yàn)并對數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的修正。

6 結(jié)束語

由于試驗(yàn)數(shù)量有限，各項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果僅對被測對象有意義。后續(xù)還需開展更多的試驗(yàn)，從而找出不同結(jié)構(gòu)特點(diǎn)力傳感器的各方面性能的表現(xiàn)規(guī)律，得到更具普遍意義的分析結(jié)果。

考慮到力傳感器廣泛應(yīng)用于各種測控場合，其實(shí)際使用工況的復(fù)雜性可能遠(yuǎn)超出本文討論的范疇。不同傳感器對于各種工況的反應(yīng)也各不相同，為了使力傳感器的應(yīng)用更加合理可靠，應(yīng)充分了解實(shí)際工作狀態(tài)，并開展各種有必要的校準(zhǔn)試驗(yàn)。

對于力傳感器，尚有一些用戶比較關(guān)心的技術(shù)性能缺少校準(zhǔn)方法。后續(xù)需開發(fā)相應(yīng)的校準(zhǔn)裝置，制定相應(yīng)的校準(zhǔn)規(guī)范，用于開展對應(yīng)于各種特殊應(yīng)用工況下的更多的校準(zhǔn)試驗(yàn)，從而指導(dǎo)用戶選型并提升數(shù)據(jù)應(yīng)用的可靠性。