［摘 要］文章介紹了多分量力的測試與校準技術(shù)研究現(xiàn)狀，重點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。闡述了當下多分量力測量儀器的校準工作中參考的標準方法，并說明了多分量力校準儀器的基本原理和結(jié)構(gòu)特點。最后介紹了撓性連接件的結(jié)構(gòu)功能特點，指出其在校準裝置中的應(yīng)用和作用機理，旨在為工程技術(shù)人員提供一種詳細、全面、可靠的多分量力測試與校準解決方案。

［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；校準裝置；撓性連接件

［中圖分類號］TH823 ［文獻標志碼］A ［文章編號］2095–6487（2024）03–0128–03

1 多分量力

空間中的力不僅具有大?。肆浚?，還具有方向（矢量），在工程研究領(lǐng)域，對多分量力進行準確測量和分析，對于理解物體的力學行為及優(yōu)化設(shè)計具有重要現(xiàn)實意義。對于空間的任一矢力量，在三維坐標系中最多可分解為6 個分量。在特定場景下，每個力都有著不同的定義。多分量力的測試通常需要先進的傳感器和測量技術(shù)，以便能夠在多個方向上精確地測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 多分量力測試技術(shù)

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

現(xiàn)階段，多分量力測試技術(shù)在很多行業(yè)都得到了廣泛應(yīng)用。例如，在機器人產(chǎn)業(yè)中，主要作用于機器人爪、機器人手指；在汽車制造業(yè)中，主要應(yīng)用于剎車檢測、精密裝配、切割等；在生物力學行業(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量2 個力分量和2 個力矩分量，適用于大多數(shù)工業(yè)環(huán)境中。浙江海洋學院設(shè)計的一種π 型二分力傳感器，主要由π 型的支架和兩個應(yīng)變片組合，應(yīng)變片之間均進行橋式連接，同時，每個應(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)及其他二分力測量。在應(yīng)用于水下環(huán)境時，需要對π 型二分量力傳感器進行防水處理，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行反復(fù)的防水測試，并同時進行拉伸與彎曲的檢驗，確保傳感器的各項性能可靠、穩(wěn)定。通常，對于二分量力傳感器的檢測方法如下。

（1）水平受力標定測試。對π 型二分量力傳感器的水平受力進行標定測試，標定過程中，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）垂向受力標定測試。針對垂向受力進行標定測試，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定，得到的標定線性系數(shù)均高達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量的是直角坐標三維空間的3 個力分量，分別為Fx、Fy、Fz，即水平徑向、垂直徑向及軸向3 個方向。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產(chǎn)生一定的串擾問題，導致傳感器的測量精度受到較大影響。

吉林大學聯(lián)合上汽通用五菱汽車股份有限公司共同設(shè)計開發(fā)的三分量力傳感器，主要應(yīng)用于商用車動力學測試、工業(yè)測量等領(lǐng)域，并且對輪胎測試環(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、測量精度較高、體積小、自重對于測量精度的影響較小等特點。該傳感器結(jié)構(gòu)簡單，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 個固定在圓周內(nèi)側(cè)的支撐端、1 個位于圓周外側(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)變片成對地分布并覆蓋在梁的貼片面上，從而實現(xiàn)對水平徑向、垂直徑向和軸向的受力感應(yīng)。這種設(shè)計使得在同一方向上的應(yīng)變片電連接形成了獨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，引起檢測端的電壓值改變，從而實現(xiàn)對相應(yīng)方向上分力的高效檢測。

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

為了測量y 方向受力（Fy），采用了16 個應(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 個分別布置在z 方向正負向（向上和向下）的第二應(yīng)變梁上，還有4 個分別放置在x 方向負向（向左）的第三應(yīng)變梁上，最后的4 個則分別安裝在x 方向正向（向右）的第四應(yīng)變梁上。

用于測量z 方向受力（Fz）的應(yīng)變片總共有8 個。其中，4 個應(yīng)變片被設(shè)置在x 方向負向（向左）的第三應(yīng)變梁上，另外4個則分別布置在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 個方向力和3 個方向力矩。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)計適配裝置進行連接?，F(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，實現(xiàn)車輪六分力的測量。這種適配器方案下，傳感器會隨著車輪旋轉(zhuǎn)，導致測量精度降低，而且適配結(jié)構(gòu)復(fù)雜，會增加車輪總成的質(zhì)量，影響車輛動力學性能。此外，目前還有一種測量裝置為測力軸承，主要由內(nèi)環(huán)、外環(huán)和傳感器環(huán)組成，結(jié)構(gòu)簡單，但只能用于徑向力和軸向力的測量，不能滿足車輪六分力的測量需求。

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)用裝置包括前制動盤、第一六分量力傳感器、前制動盤和前軸承座，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 多分量力的校準方法及校準裝置

3.1 多分量力的校準方法

在國外，多分量測力儀和多分量力傳感器的生產(chǎn)廠商通常采用各自獨特的檢驗和校準方法。這些方法通常專為特定產(chǎn)品設(shè)計，且絕大多數(shù)標準并沒有公開發(fā)布，僅在企業(yè)內(nèi)部使用。目前大多數(shù)實驗室和生產(chǎn)廠家在制訂產(chǎn)品的校準方法時，通常參考ISO376—2011《金屬材料—— 單軸試驗機檢驗用標準測力儀的標準》。實際上，生產(chǎn)廠商在對相關(guān)產(chǎn)品進行校準時，不僅進行了各分量的獨立校準，還進行了多分量力的組合校準。這個過程通常包括提供各分量的技術(shù)參數(shù)指標及相互之間的耦合誤差指標。這種綜合的校準方法確保了產(chǎn)品在實際使用中能夠達到高度準確的測量性能。

在我國，針對多分量測力儀和多分量力傳感器的校準目前已發(fā)布如下相關(guān)標準規(guī)范。

（1）JJF20—2012《多分量測力儀校準規(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 的多分量力測力儀和傳感器的校準，校準方法包括應(yīng)變式和壓電晶體式。

（2）JJG144—2007《標準測力儀檢定規(guī)程》中明確了示值誤差、回零誤差等技術(shù)指標，對于多分量測力儀的單分量獨立校準提供了有價值的參考。然而，考慮到多分量測力儀通常采用引用誤差來評估各項指標，與標準測力儀評價方法存在差異。

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

（4）JJ20—2012《多分量測力儀校準規(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量儀器的耦合誤差這一關(guān)鍵指標的相關(guān)內(nèi)容。耦合誤差部分主要參考了各生產(chǎn)廠家提供的指標參數(shù)及其計算方法。鑒于多分量測力儀和多分量力傳感器的計量特性和評價方法相似，因此該規(guī)范將二者同時納入，以方便規(guī)范的引用和執(zhí)行。

3.2 多分量力的校準裝置

秦海峰等[1] 研制了一種多分量力組合加載校準裝置，由裝置主機、液壓動力系統(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。

裝置主機通過多個加載單元進行自核，實現(xiàn)3 個力值分量和3 個力矩分量的選擇加載；液壓動力系統(tǒng)用來實現(xiàn)各個加載單元的荷載驅(qū)動；輔助工裝系統(tǒng)用于承受和傳遞主機各力加載單元施加的力，并耦合為所需實現(xiàn)的多分量力的機械部件?？刂萍皵?shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)是通過計算機確定所需施加荷載的位置、大小和方向，并對測量結(jié)果進行采集和處理分析。

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

（1）在校準裝置主機力加載空間坐標系設(shè)計分布13 個力源，每個力源有獨立的動力系統(tǒng)，并安裝標準力傳感器，實現(xiàn)力值的測量和控制及力矢量的多個分量的同步加載和校準；在加載機構(gòu)設(shè)計中，力矢量坐標系垂直方向布置5 個力源，在裝置力坐標系水平面（x–y 平面）布置8 個力源，實現(xiàn)側(cè)向力分量和主分量的扭矩。根據(jù)這一原理，在進行力矩分量的校準時，裝置會同時引起相應(yīng)方向的加載。為了滿足實際需求，需要合理設(shè)計加載過程，以實現(xiàn)力值的抵消或累加，確保校準的準確性和可靠性。

（2）為防止主機結(jié)構(gòu)變形，控制和保證力臂長度的準確度，還應(yīng)增加裝置剛度，減小整體質(zhì)量。設(shè)置剛性支撐機構(gòu)或增加撓性連接件保證各分量標準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)向上的剛度相對較小，使其能夠通過解耦件自身的側(cè)向位移，實現(xiàn)軸向力值的平行傳遞。這種設(shè)計的優(yōu)勢在于，即使在標準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，從而有效減小了對測量的影響。

（4）裝置受力變形或被校傳感器安裝位置與標準傳感器有偏差時，可能導致被校工裝受力位置與標準傳感器的加力頭產(chǎn)生偏離。當在加載器和標準傳感器之間增加撓性連接件時，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，標準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)向力對兩者的影響。在進行多分量力加載時，加載位置主要由被校傳感器加載工裝的位置決定。因此，即使標準傳感器的加力點發(fā)生了平移，也不會對力臂的準確度產(chǎn)生影響。這種設(shè)計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標準傳感器的影響，從而提高了測量的準確性。

4 結(jié)束語

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

參考文獻

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