［摘 要］文章介紹了多分量力的測(cè)試與校準(zhǔn)技術(shù)研究現(xiàn)狀，重點(diǎn)分析了二分量力傳感器、三分量力傳感器和六分量力傳感器的基本原理和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。闡述了當(dāng)下多分量力測(cè)量?jī)x器的校準(zhǔn)工作中參考的標(biāo)準(zhǔn)方法，并說明了多分量力校準(zhǔn)儀器的基本原理和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。最后介紹了撓性連接件的結(jié)構(gòu)功能特點(diǎn)，指出其在校準(zhǔn)裝置中的應(yīng)用和作用機(jī)理，旨在為工程技術(shù)人員提供一種詳細(xì)、全面、可靠的多分量力測(cè)試與校準(zhǔn)解決方案。

［關(guān)鍵詞］多分量力；二分量力傳感器；三分量力傳感器；六分量力傳感器；校準(zhǔn)裝置；撓性連接件

［中圖分類號(hào)］TH823 ［文獻(xiàn)標(biāo)志碼］A ［文章編號(hào)］2095–6487（2024）03–0128–03

1 多分量力

空間中的力不僅具有大?。?biāo)量），還具有方向（矢量），在工程研究領(lǐng)域，對(duì)多分量力進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量和分析，對(duì)于理解物體的力學(xué)行為及優(yōu)化設(shè)計(jì)具有重要現(xiàn)實(shí)意義。對(duì)于空間的任一矢力量，在三維坐標(biāo)系中最多可分解為6 個(gè)分量。在特定場(chǎng)景下，每個(gè)力都有著不同的定義。多分量力的測(cè)試通常需要先進(jìn)的傳感器和測(cè)量技術(shù)，以便能夠在多個(gè)方向上精確地測(cè)量作用在物體上的力。這些傳感器能夠提供力的大小和方向信息，使得工程研究人員能夠深入了解物體的受力情況。

2 多分量力測(cè)試技術(shù)

在實(shí)際工程領(lǐng)域，能夠同時(shí)測(cè)試兩個(gè)或兩個(gè)以上力或力矩的現(xiàn)象便稱之為多分量力測(cè)試。多分量力傳感器、多分量力測(cè)試儀是常見的多分量力測(cè)試器具。在實(shí)際應(yīng)用中，由于使用條件及場(chǎng)景的不同，多分量力測(cè)試儀器的量程、分量情況有所差異，結(jié)構(gòu)形式也各式各樣。

現(xiàn)階段，多分量力測(cè)試技術(shù)在很多行業(yè)都得到了廣泛應(yīng)用。例如，在機(jī)器人產(chǎn)業(yè)中，主要作用于機(jī)器人爪、機(jī)器人手指；在汽車制造業(yè)中，主要應(yīng)用于剎車檢測(cè)、精密裝配、切割等；在生物力學(xué)行業(yè)，主要應(yīng)用于修復(fù)研究、整形外科研究等。

2.1 二分量力傳感器

二分量力傳感器可以測(cè)量2 個(gè)力分量和2 個(gè)力矩分量，適用于大多數(shù)工業(yè)環(huán)境中。浙江海洋學(xué)院設(shè)計(jì)的一種π 型二分力傳感器，主要由π 型的支架和兩個(gè)應(yīng)變片組合，應(yīng)變片之間均進(jìn)行橋式連接，同時(shí)，每個(gè)應(yīng)變片表面涂覆防水材料，能夠更好地適用于水下的網(wǎng)漁具、網(wǎng)及其他二分力測(cè)量。在應(yīng)用于水下環(huán)境時(shí)，需要對(duì)π 型二分量力傳感器進(jìn)行防水處理，設(shè)置防水層，但需注意的是，應(yīng)變片表面防水層厚度不能過大，以免影響應(yīng)變片的靈敏性。此外，在投入使用之前要進(jìn)行反復(fù)的防水測(cè)試，并同時(shí)進(jìn)行拉伸與彎曲的檢驗(yàn)，確保傳感器的各項(xiàng)性能可靠、穩(wěn)定。通常，對(duì)于二分量力傳感器的檢測(cè)方法如下。

（1）水平受力標(biāo)定測(cè)試。對(duì)π 型二分量力傳感器的水平受力進(jìn)行標(biāo)定測(cè)試，標(biāo)定過程中，每次增加砝碼的重量為500 g，分別施加0.98 N、1.96 N、2.94 N、3.92 N 的受力，然后逐步減少砝碼直至降為零。在標(biāo)定中，通過逐步減少砝碼的還原過程，觀察到其曲線與逐漸增加砝碼的應(yīng)力應(yīng)變曲線基本重合，顯示出良好的恢復(fù)效果。

（2）垂向受力標(biāo)定測(cè)試。針對(duì)垂向受力進(jìn)行標(biāo)定測(cè)試，每次增加砝碼的重量為100 g，相應(yīng)施加0.98 N、1.96 N、2.94 N、3.92 N 的受力，然后逐步減少砝碼直至降為零。

（3）無論是水平受力還是垂向受力的標(biāo)定，得到的標(biāo)定線性系數(shù)均高達(dá)R2≥ 0.999 9，表明精度較高。

2.2 三分量力傳感器

三分量力傳感器所測(cè)量的是直角坐標(biāo)三維空間的3 個(gè)力分量，分別為Fx、Fy、Fz，即水平徑向、垂直徑向及軸向3 個(gè)方向。三分量力傳感器是多維力傳感器中應(yīng)用最廣泛的一種，然而，該傳感器在使用過程中會(huì)產(chǎn)生一定的串?dāng)_問題，導(dǎo)致傳感器的測(cè)量精度受到較大影響。

吉林大學(xué)聯(lián)合上汽通用五菱汽車股份有限公司共同設(shè)計(jì)開發(fā)的三分量力傳感器，主要應(yīng)用于商用車動(dòng)力學(xué)測(cè)試、工業(yè)測(cè)量等領(lǐng)域，并且對(duì)輪胎測(cè)試環(huán)境具有較高的通用性。三分量力傳感器具有靈敏度高、維間耦合度小、測(cè)量精度較高、體積小、自重對(duì)于測(cè)量精度的影響較小等特點(diǎn)。該傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，主要由一體成型的彈性體和應(yīng)變片組成。

彈性體結(jié)構(gòu)包含1 個(gè)固定在圓周內(nèi)側(cè)的支撐端、1 個(gè)位于圓周外側(cè)的加載端，以及連接兩者之間環(huán)形間隙的應(yīng)變梁。在應(yīng)變梁上，粘貼了應(yīng)變片，應(yīng)變片成對(duì)地分布并覆蓋在梁的貼片面上，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)水平徑向、垂直徑向和軸向的受力感應(yīng)。這種設(shè)計(jì)使得在同一方向上的應(yīng)變片電連接形成了獨(dú)立的惠斯通全橋電路。通過在電路中各電橋臂上的應(yīng)變片電阻值的變化，引起檢測(cè)端的電壓值改變，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)相應(yīng)方向上分力的高效檢測(cè)。

用于測(cè)量x 方向受力（Fx）的應(yīng)變片總共有8 個(gè)，應(yīng)變片安裝在第一和第二應(yīng)變梁上。其中，4 個(gè)應(yīng)變片布置在z 方向正向（向上）的第一應(yīng)變梁上，另外4 個(gè)則分別布置在z 方向負(fù)向（向下）的第二應(yīng)變梁上。

為了測(cè)量y 方向受力（Fy），采用了16 個(gè)應(yīng)變片。這些應(yīng)變片分別分布在第一、第二、第三和第四應(yīng)變梁上。具體而言，有4 個(gè)應(yīng)變片安裝在z 方向正向（向上）的第一應(yīng)變梁上，另外4 個(gè)分別布置在z 方向正負(fù)向（向上和向下）的第二應(yīng)變梁上，還有4 個(gè)分別放置在x 方向負(fù)向（向左）的第三應(yīng)變梁上，最后的4 個(gè)則分別安裝在x 方向正向（向右）的第四應(yīng)變梁上。

用于測(cè)量z 方向受力（Fz）的應(yīng)變片總共有8 個(gè)。其中，4 個(gè)應(yīng)變片被設(shè)置在x 方向負(fù)向（向左）的第三應(yīng)變梁上，另外4個(gè)則分別布置在x 方向正向（向右）的第四應(yīng)變梁上。

2.3 六分量力傳感器

六分量力傳感器廣泛用于采集汽車從輪胎傳遞到車身的3 個(gè)方向力和3 個(gè)方向力矩。六分量力傳感器不能直接與車輛原有輪胎和輪轂結(jié)構(gòu)直接相連，因此需要設(shè)計(jì)適配裝置進(jìn)行連接。現(xiàn)有傳感器技術(shù)設(shè)置輪輞與傳感器外環(huán)連接，設(shè)置輪轂適配器將輪轂與傳感器內(nèi)環(huán)連接，這樣力從輪輞經(jīng)過傳感器傳遞到輪轂，實(shí)現(xiàn)車輪六分力的測(cè)量。這種適配器方案下，傳感器會(huì)隨著車輪旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致測(cè)量精度降低，而且適配結(jié)構(gòu)復(fù)雜，會(huì)增加車輪總成的質(zhì)量，影響車輛動(dòng)力學(xué)性能。此外，目前還有一種測(cè)量裝置為測(cè)力軸承，主要由內(nèi)環(huán)、外環(huán)和傳感器環(huán)組成，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但只能用于徑向力和軸向力的測(cè)量，不能滿足車輪六分力的測(cè)量需求。

上汽通用五菱汽車股份有限公司研制的車載六分量力傳感器應(yīng)用裝置，解決了傳統(tǒng)六分量力傳感器應(yīng)用裝置裝配方案測(cè)量精度較低的問題。車載六分量力傳感器應(yīng)用裝置包括前輪傳感器應(yīng)用裝置，前輪傳感器應(yīng)用裝置包括前制動(dòng)盤、第一六分量力傳感器、前制動(dòng)盤和前軸承座，其中，第一六分量力傳感器開設(shè)有安裝孔和固定孔，前軸承座包括軸承安裝筒和軸承座法蘭板，軸承安裝筒安裝在安裝孔內(nèi)，軸承安裝筒通過軸承與制動(dòng)盤連接，軸承座法蘭板環(huán)繞軸承安裝筒設(shè)置，軸承座法蘭板上開設(shè)有連接孔，連接孔通過連接件與固定孔連接；制動(dòng)盤的外周夾持有前卡鉗，前卡鉗與軸承座法蘭板連接。

3 多分量力的校準(zhǔn)方法及校準(zhǔn)裝置

3.1 多分量力的校準(zhǔn)方法

在國外，多分量測(cè)力儀和多分量力傳感器的生產(chǎn)廠商通常采用各自獨(dú)特的檢驗(yàn)和校準(zhǔn)方法。這些方法通常專為特定產(chǎn)品設(shè)計(jì)，且絕大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)并沒有公開發(fā)布，僅在企業(yè)內(nèi)部使用。目前大多數(shù)實(shí)驗(yàn)室和生產(chǎn)廠家在制訂產(chǎn)品的校準(zhǔn)方法時(shí)，通常參考ISO376—2011《金屬材料—— 單軸試驗(yàn)機(jī)檢驗(yàn)用標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力儀的標(biāo)準(zhǔn)》。實(shí)際上，生產(chǎn)廠商在對(duì)相關(guān)產(chǎn)品進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)，不僅進(jìn)行了各分量的獨(dú)立校準(zhǔn)，還進(jìn)行了多分量力的組合校準(zhǔn)。這個(gè)過程通常包括提供各分量的技術(shù)參數(shù)指標(biāo)及相互之間的耦合誤差指標(biāo)。這種綜合的校準(zhǔn)方法確保了產(chǎn)品在實(shí)際使用中能夠達(dá)到高度準(zhǔn)確的測(cè)量性能。

在我國，針對(duì)多分量測(cè)力儀和多分量力傳感器的校準(zhǔn)目前已發(fā)布如下相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。

（1）JJF20—2012《多分量測(cè)力儀校準(zhǔn)規(guī)范》。該規(guī)范明確規(guī)定了力值范圍，主要適用于力值分量≤ 500 kN、力矩分量≤ 10 kN·m 的多分量力測(cè)力儀和傳感器的校準(zhǔn)，校準(zhǔn)方法包括應(yīng)變式和壓電晶體式。

（2）JJG144—2007《標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力儀檢定規(guī)程》中明確了示值誤差、回零誤差等技術(shù)指標(biāo)，對(duì)于多分量測(cè)力儀的單分量獨(dú)立校準(zhǔn)提供了有價(jià)值的參考。然而，考慮到多分量測(cè)力儀通常采用引用誤差來評(píng)估各項(xiàng)指標(biāo)，與標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力儀評(píng)價(jià)方法存在差異。

（3）JJG391—2009《力傳感器檢定規(guī)程》中的一些技術(shù)指標(biāo)和校準(zhǔn)方法，與多分量力傳感器的單分量獨(dú)立校準(zhǔn)時(shí)相似，包括重復(fù)性、直線性和輸出靈敏度等方面。

（4）JJ20—2012《多分量測(cè)力儀校準(zhǔn)規(guī)范》。該規(guī)范在綜合考慮各方面技術(shù)要求的基礎(chǔ)上，特別增加了多分量測(cè)量?jī)x器的耦合誤差這一關(guān)鍵指標(biāo)的相關(guān)內(nèi)容。耦合誤差部分主要參考了各生產(chǎn)廠家提供的指標(biāo)參數(shù)及其計(jì)算方法。鑒于多分量測(cè)力儀和多分量力傳感器的計(jì)量特性和評(píng)價(jià)方法相似，因此該規(guī)范將二者同時(shí)納入，以方便規(guī)范的引用和執(zhí)行。

3.2 多分量力的校準(zhǔn)裝置

秦海峰等[1] 研制了一種多分量力組合加載校準(zhǔn)裝置，由裝置主機(jī)、液壓動(dòng)力系統(tǒng)、輔助裝系統(tǒng)和控制及數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)組成，如圖1 所示。

裝置主機(jī)通過多個(gè)加載單元進(jìn)行自核，實(shí)現(xiàn)3 個(gè)力值分量和3 個(gè)力矩分量的選擇加載；液壓動(dòng)力系統(tǒng)用來實(shí)現(xiàn)各個(gè)加載單元的荷載驅(qū)動(dòng)；輔助工裝系統(tǒng)用于承受和傳遞主機(jī)各力加載單元施加的力，并耦合為所需實(shí)現(xiàn)的多分量力的機(jī)械部件。控制及數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)是通過計(jì)算機(jī)確定所需施加荷載的位置、大小和方向，并對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行采集和處理分析。

該裝置多分量力加O207mDKaCBqT2mueielsgg==載原理設(shè)計(jì)如下。

（1）在校準(zhǔn)裝置主機(jī)力加載空間坐標(biāo)系設(shè)計(jì)分布13 個(gè)力源，每個(gè)力源有獨(dú)立的動(dòng)力系統(tǒng)，并安裝標(biāo)準(zhǔn)力傳感器，實(shí)現(xiàn)力值的測(cè)量和控制及力矢量的多個(gè)分量的同步加載和校準(zhǔn)；在加載機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中，力矢量坐標(biāo)系垂直方向布置5 個(gè)力源，在裝置力坐標(biāo)系水平面（x–y 平面）布置8 個(gè)力源，實(shí)現(xiàn)側(cè)向力分量和主分量的扭矩。根據(jù)這一原理，在進(jìn)行力矩分量的校準(zhǔn)時(shí)，裝置會(huì)同時(shí)引起相應(yīng)方向的加載。為了滿足實(shí)際需求，需要合理設(shè)計(jì)加載過程，以實(shí)現(xiàn)力值的抵消或累加，確保校準(zhǔn)的準(zhǔn)確性和可靠性。

（2）為防止主機(jī)結(jié)構(gòu)變形，控制和保證力臂長(zhǎng)度的準(zhǔn)確度，還應(yīng)增加裝置剛度，減小整體質(zhì)量。設(shè)置剛性支撐機(jī)構(gòu)或增加撓性連接件保證各分量標(biāo)準(zhǔn)里傳感器輸出軸線與受力軸線的一致性，使其保持平衡，減少寄生分量的產(chǎn)生。

（3）撓性結(jié)構(gòu)件的優(yōu)勢(shì)在于，其在軸線方向具有很高的剛度，因而能夠有效地傳遞軸向力。然而，在側(cè)向上的剛度相對(duì)較小，使其能夠通過解耦件自身的側(cè)向位移，實(shí)現(xiàn)軸向力值的平行傳遞。這種設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)在于，即使在標(biāo)準(zhǔn)力值輸出端和被校力傳感器受力端軸線不重合的情況下，仍然能夠通過撓性結(jié)構(gòu)件的側(cè)向位移實(shí)現(xiàn)軸向力的傳遞，有效地克服了附加彎矩的產(chǎn)生。通過充分利用撓性連接軸線位置偏移的功能，成功地降低了裝置結(jié)構(gòu)在受力過程中可能產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)和變形引入的耦合誤差不確定度，從而有效減小了對(duì)測(cè)量的影響。

（4）裝置受力變形或被校傳感器安裝位置與標(biāo)準(zhǔn)傳感器有偏差時(shí)，可能導(dǎo)致被校工裝受力位置與標(biāo)準(zhǔn)傳感器的加力頭產(chǎn)生偏離。當(dāng)在加載器和標(biāo)準(zhǔn)傳感器之間增加撓性連接件時(shí)，撓性連接件將起到平移加力軸線，適應(yīng)加載工裝的作用。平移后，標(biāo)準(zhǔn)傳感器的力值與被校傳感器承受的力值在大小和方向上都保持一致，有效地避免了側(cè)向力對(duì)兩者的影響。在進(jìn)行多分量力加載時(shí)，加載位置主要由被校傳感器加載工裝的位置決定。因此，即使標(biāo)準(zhǔn)傳感器的加力點(diǎn)發(fā)生了平移，也不會(huì)對(duì)力臂的準(zhǔn)確度產(chǎn)生影響。這種設(shè)計(jì)有效地降低了被校工裝在加載過程中可能發(fā)生的變形和位置偏差對(duì)標(biāo)準(zhǔn)傳感器的影響，從而提高了測(cè)量的準(zhǔn)確性。

4 結(jié)束語

多分量力的測(cè)試與校準(zhǔn)技術(shù)在現(xiàn)代科學(xué)與工程領(lǐng)域中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。通過對(duì)多個(gè)力量分量的準(zhǔn)確測(cè)量，能夠更全面地了解物體受力情況，為產(chǎn)品設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)分析及工程優(yōu)化提供可靠的數(shù)據(jù)支持。通過校準(zhǔn)技術(shù)，能夠確保測(cè)試結(jié)果的精確性和可重復(fù)性，從而提高數(shù)據(jù)的可信度?？傊?，多分量力的測(cè)試與校準(zhǔn)技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域中均具有廣泛的應(yīng)用前景，通過不斷提升測(cè)試精度和校準(zhǔn)技術(shù)，能夠更好地應(yīng)用于工程領(lǐng)域。

參考文獻(xiàn)

[1] 秦海峰，王麗，劉思博. 撓性連接件在多分量力校準(zhǔn)裝置中的應(yīng)用[J]. 計(jì)測(cè)技術(shù)，2019，39（2）：1-5.