摘要：文中介紹了一種高精度組合式力傳感器。該組合式力傳感器將三個經(jīng)溯源的高精度小量程力傳感器耦合連接組成一大量程力傳感器，對其進(jìn)行受力分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明，該組合式力傳感器可保證在大量程下的準(zhǔn)確度，同時具有穩(wěn)定、可靠的優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞：高精度；組合式力傳感器；大量程

Structural Design and Analysis of a High Precision Combined Force Sensor

XIE Jie 1，2，3

（ 1 Fujian Metrology Institute， Fuzhou 350003， Fujian， China ）

（ 2 Key Laboratory of State Administration for Market Regulation （Force Measurement Test）， Fuzhou 350003， Fujian， China ）

（ 3 Fujian Provincial Key Laboratory of Force Measurement， Fuzhou 350003， Fujian， China ）

Abstract： This paper introduces a high-precision combined force sensor. The sensor combines three traceable， high-precision and small-range force sensors to form a large-range force sensor， which is analyzed and verified by experiments. The results show that the combined force sensor can guarantee the accuracy in a large range， and has the advantages of stability and reliability.

Key Words： High precision; Combined force sensor; Large-range

0引言

大力值傳感器廣泛用于汽車制造、冶金、化工、橋梁、建筑、國防等多個行業(yè)，其精度高低直接影響生產(chǎn)安全和產(chǎn)品質(zhì)量。目前，1MN以上力傳感器普遍存在方位誤差大、穩(wěn)定性差等問題，在高精度應(yīng)用場景中，其準(zhǔn)確度不能得到有效保證。而高準(zhǔn)確度大量程的力傳感器，其采購費(fèi)用極其高昂，對于日常使用來說，成本太高。

針對上述問題，文中提出了一種高精度組合式力傳感器，可保證最大量程為3MN力傳感器的準(zhǔn)確度，達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)測力儀0.01級要求。

1 設(shè)計方案

1.1 設(shè)計原理

文中設(shè)計采用并聯(lián)式測量原理，分別將3只力傳感器應(yīng)變片橋路的輸入、輸出端并聯(lián)，然后接入信號合成器，測試時力傳感器所測得的數(shù)據(jù)經(jīng)信號合成器處理后，輸入測量儀表，通過測量儀表顯示所承受的外部載荷，從而達(dá)到力值測量的目的。

但這種傳感器并聯(lián)的方式會產(chǎn)生附加誤差，主要是由于傳感器的直線度和靈敏度不同，而導(dǎo)致在承受非均布載荷時產(chǎn)生測量誤差。因此，消除或減少附加誤差的根本途徑是通過補(bǔ)償調(diào)整使輸出阻抗和輸出靈敏度各自保持一致或者選配靈敏度接近和直線度好的傳感器。以上是決定傳感器性能的一方面，但是，傳感器是否合理、規(guī)范地安裝也是非常重要的保證因素。實(shí)際使用中會因?yàn)榘惭b對位的偏心，或基礎(chǔ)與承載板的不水平等原因，導(dǎo)致傳感器受力狀態(tài)不一致而出現(xiàn)實(shí)際意義上的新的“靈敏度”不一致的情況。因此文中選配了3個經(jīng)溯源且靈敏度接近和直線度較好的高精度小量程力值傳感器（C18/1MN），均勻布置安裝在法蘭盤底座上。采用雙層自適應(yīng)球頭結(jié)構(gòu)，在確保靜止?fàn)顟B(tài)下組合式傳感器與力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)處于同一軸線上的情況下，使其在測試時的受載點(diǎn)可自動對中，受力均勻化，可消除大部分側(cè)向分力。如圖1所示，F(xiàn)=F1+F2+F3。

圖1 高精度組合式力傳感器原理

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

高精度組合式力傳感器由提桿、大球頭、小球頭、均壓板、C18/1MN、底板、定位銷、彈簧萬向球、模擬4進(jìn)1出接線盒等構(gòu)成，如圖2所示。具體為：3個C18/1MN高精度傳感器三等分均勻放置在底座上，通過定位銷2連接底座，保持傳感器位置不變；定位環(huán)固定在均壓板上，然后與傳感器壓頭連接，確保傳感器位置不會發(fā)生偏移；小球頭座通過定位銷2與均壓板確定位置后固定；小球頭與大球頭座通過定位銷1連接；大球頭座上以每120°均安裝彈簧萬向球，可快速自動調(diào)整大球頭位置，保持在大球頭座正中心。由于此組合式傳感器在使用時處于靜止?fàn)顟B(tài)，僅在加載時產(chǎn)生微小變形，因此在安裝定位銷1、定位銷2、定位環(huán)、小球頭座及均壓板相應(yīng)位置銷孔時保持同軸心，并且C18/1MN設(shè)計采用球鉸式調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)，再加上大球頭與小球頭設(shè)計，在加載時，可有效減小偏心、傾斜加載引入的寄生分量從而造成的測量誤差；同時傳感器進(jìn)行溫度補(bǔ)償，保證在使用溫度條件下的測量準(zhǔn)確度。提桿貫穿于整個組合式傳感器中心，用于壓緊大球頭以及吊裝。模擬4進(jìn)1出接線盒將三個C18/1MN傳感器輸出數(shù)據(jù)并聯(lián)，接入DMP41儀表，通過接線盒中濾波裝置，保證讀數(shù)的穩(wěn)定、準(zhǔn)確。

（a） （b）

（c） （d）

圖2 高精度組合式力傳感器組成

1.3 受載結(jié)構(gòu)分析

該組合式力傳感器由3個C18/1MN組成，最大受力為3MN，主要受力部件為大球頭、大球頭座、小球頭、小球頭座、均壓板、底板。其中大球頭、大球頭座、均壓板和底板受力均為3MN，小球頭和小球頭座受力為1MN。零件材料為42CrMo，屈服強(qiáng)度為9.300×108N/m2。對其進(jìn)行有限元仿真，模擬實(shí)際使用時固定形式，對受力區(qū)域施加相應(yīng)大小的力。有限元仿真計算結(jié)果如圖3所示，大球頭所承受的最大應(yīng)力為1.584×108N/m2，最大變形量為0.011mm；大球頭座所承受的最大應(yīng)力為7.764×107N/m2，最大變形量為0.018mm；小球頭所承受的最大應(yīng)力為1.394×108N/m2，最大變形量為0.013mm；小球座所承受最大應(yīng)力為1.001×108N/m2，最大變形量為0.011mm；均壓板所承受最大應(yīng)力為155MPa，最大變形量為0.062mm；下壓板所承受最大應(yīng)力為42MPa，最大變形量為0.012mm。以上受力部件最大應(yīng)力均小于42CrMo合金鋼的屈服極限，變形量處于安全范圍。

（a）

（b）

（c）

圖3 有限元仿真及結(jié)果

2 實(shí)驗(yàn)測試

2.1實(shí)驗(yàn)裝置

高精度組合式力傳感器測試在福建省計量科學(xué)研究院進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)裝置為20 kN～2 MN力基準(zhǔn)裝置（國基證〔2023〕第171號），其測量范圍為20 kN～2 MN，不確定度為0.002%（=3），由于此高精度組合式力傳感器設(shè)計量程為3MN，準(zhǔn)確度等級為0.01級，然而力基準(zhǔn)裝置的最大量程為2 MN，國內(nèi)也僅有此力基準(zhǔn)裝置才能滿足其準(zhǔn)確度等級測試要求，所以本次測試額定負(fù)荷為2 MN。

所使用通訊儀表為HBM制造的DMP41高精度儀表（校準(zhǔn)證書23S2-05034），準(zhǔn)確度等級為0.0005。

2.2測試方案

2.2.1測試準(zhǔn)備

將組合式力傳感器放置在20 kN～2 MN力基準(zhǔn)裝置測試平臺上并對中，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境溫度（20±1）℃下恒溫24h，將傳感器與DMP41高精度儀表連接，預(yù)熱30min。

2.2.2測試流程

參照J(rèn)JG 144《標(biāo)準(zhǔn)測力儀檢定規(guī)程》，對傳感器以給定方式預(yù)加至少3次額定負(fù)荷，每次額定負(fù)荷的保持時間為30s～1min。每次預(yù)負(fù)荷被完全卸除之后，等待回零至少30s，檢查儀表的回零情況，根據(jù)需要可重新調(diào)整零點(diǎn)。將DMP41高精度儀表調(diào)至零點(diǎn)（或作為零點(diǎn)的起點(diǎn)位置），以測量下限為測試起始點(diǎn)，沿傳感器受力軸線逐點(diǎn)遞增標(biāo)準(zhǔn)力值，至各檢定點(diǎn)保持穩(wěn)定后記錄相應(yīng)進(jìn)程示值，至測量上限后逐點(diǎn)遞減卸除標(biāo)準(zhǔn)力值，至各測試點(diǎn)保持穩(wěn)定后記取相應(yīng)回程示值。從傳感器額定負(fù)荷的10%開始，逐級加荷，當(dāng)負(fù)荷達(dá)到穩(wěn)定，讀取儀表數(shù)值，一直測試至額定負(fù)荷。此過程進(jìn)行3次，記下相應(yīng)示值，即可完成進(jìn)程示值檢測。

保持底部墊塊不動，將傳感器繞傳感器主軸線分別轉(zhuǎn)到 120°、240°方位，每個按試驗(yàn)力遞增順序逐點(diǎn)預(yù)加載1次，正式測量1次。

圖4 現(xiàn)場測試圖

力傳感器的重復(fù)性、方位誤差p 分RVLRaFnVjD0f2m/VNcp11A==別按式（1）和式（2）計算：

（1）

（2）

式中，，分別是0°方位測試的最大值和最小值；，分別是3個方位測試的最大值和最小值；，，分別是0°測試的第1遍示值，120°、240°測試的示值。

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

測量數(shù)據(jù)如表1所示，從表中明顯看出，該組合式力傳感器采用20 kN～2 MN力基準(zhǔn)裝置測試，計量性能比較優(yōu)異，在各個測量點(diǎn)的重復(fù)性優(yōu)于0.009% ，方位誤差優(yōu)于 0.014% ，重復(fù)性、方位誤差指標(biāo)滿足JJG 144《標(biāo)準(zhǔn)測力儀檢定規(guī)程》0.01級的要求。

表1 測試結(jié)果

3結(jié)論

文中提出了高精度組合式力傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，通過小量程力傳感器組合來擴(kuò)大力值測量范圍，并對傳感器的性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，得出以下結(jié)論：

1）高精度組合式傳感器的重復(fù)性、方位誤差指標(biāo)滿足JJG 144《標(biāo)準(zhǔn)測力儀檢定規(guī)程》0.01級的要求，符合預(yù)期設(shè)計目標(biāo)。

2）采用組合式的設(shè)計結(jié)構(gòu)，不僅安裝快速、吊裝方便，而且可有效擴(kuò)大測量范圍，大大降低生產(chǎn)成本，滿足大量程的高精度力值測量要求。可以作為力標(biāo)準(zhǔn)裝置的參考傳感器或比對用的傳遞裝置。

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