力傳感器校準精度模擬與實驗分析

趙延治，牛 智，李貴濤，吳 詢，趙鐵石

(1．燕山大學河北省并聯(lián)機器人與機電系統(tǒng)重點實驗室，河北秦皇島 066004；2．先進鍛壓成型技術與科學教育部重點實驗室(燕山大學)，河北秦皇島 066004)

0 引言

目前高精度力傳感器與測量儀表組成測力儀可以達到0.01級的測量精度[1]，因此被廣泛應用于力值測量、自動控制與檢測、稱重與多維測力等工程實踐中。力傳感器檢定周期根據(jù)其穩(wěn)定性確定，一般不超過1年[2]。檢定力傳感器所選用的力基(標)準機準確度級別應高于所檢定傳感器準確度級別1 個等級或以上[3]。

文中擬從傳感器安裝方式、連接附件特性等幾個方面，通過計算軟件模擬和校準實驗對傳感器校準和使用精度的影響因素進行討論與研究，給出一般情況下電阻應變式力傳感器的校準與使用工況條件。

1 校準精度影響因素

在電阻應變式傳感器的校準和使用過程中，除了傳感器自身結構、材料、誤差補償?shù)纫蛩赝?，傳感器的安裝方式和外連接件屬性對其信號輸出可產(chǎn)生影響。因此在校準和使用力傳感器時應注意這個問題。通過計算模擬和校準實驗分析，發(fā)現(xiàn)傳感器安裝預緊力、連接件結構、安裝底座硬度等對傳感器輸出信號有較大影響。此外，外接傳感器信號線，結構振動，應用環(huán)境的電磁場、溫度等都對傳感器信號輸出產(chǎn)生影響。

2 校準精度影響因素模擬

2.1傳感器三維模型建立

選用Interface輪輻式1220ACK-250KN力傳感器，通過CAD三維軟件建立其結構模型，并通過CAE分析軟件Ansys進行數(shù)值模擬。建立的傳感器三維模型如圖1所示，在Ansys中進行材料屬性定義、接觸定義、網(wǎng)絡劃分如圖2所示。

圖1 傳感器模型

圖2 傳感器網(wǎng)絡劃分

2.2影響因素模擬結構

在數(shù)值模擬中，分別模擬傳感器安裝預緊力、連接壓頭結構和安裝底座硬度對傳感器輸出的影響。模擬時選取傳感器十字梁網(wǎng)格某節(jié)點P作為分析對象，求解其在不同影響條件的軸向變形，P點設置于縱向梁上平面中心的節(jié)點處，基于通過變形改變應變片電阻的特性，可通過測量P點處的軸向變形值來模擬電阻的改變，由橋路的線性特性可模擬輸出電壓的變化趨勢。

在3種影響因素模擬中，通過改變材料拉伸硬度，模擬材料不同的硬度特性。材料硬度為一種材料抵抗另一種較硬材料壓入其表面的能力[4]，根據(jù)文獻[5-6]可知其與材料拉伸強度有近似線性關系。

在模擬傳感器安裝預緊力對傳感器輸出信號影響時，數(shù)值模擬分別考慮單一因素變量對傳感器輸出信號的影響。在固定傳感器螺栓通孔上端面上施加面力來模擬安裝螺栓對傳感器施加的預緊力，連接壓頭材料為合金鋼，安裝底座在此處理為剛性體。

螺栓預緊力一般取螺栓保證載荷的50%～60%[7]，設定傳感器通孔安裝8.8級M10螺栓，施加12個面力載荷模擬12個螺栓預緊力，預緊力設置分別選取無預緊力、預緊力2 kN、預緊力20 kN 3種情況進行仿真。傳感器施加載荷值設置分別選取50 kN、100 kN、150 kN、200 kN、250 kN 5種情況進行仿真。圖3為傳感器變形云圖。表1為P點軸向變形值。

由表1數(shù)據(jù)可見，傳感器安裝預緊力對P點軸向變形有影響，相同載荷下，隨著預緊力的增大，P點軸向變形隨之增大，即傳感器信號輸出增大。在250 kN載荷下，P點軸向變形增大約1‰。

圖3 20 kN預緊力時傳感器變形云圖(250 kN載荷)

表1 P點在不同預緊力時的軸向變形值

在模擬連接壓頭結構對傳感器輸出信號影響時，分別設置集中力和面力來模擬實際加載過程中平面接觸和球面接觸的傳力過程。平面接觸是指上墊板平面與壓頭球面近似集中力受力狀態(tài)。球面接觸是指上墊板球面與壓頭球面小面積均布受力狀態(tài)。

連接壓頭材料設為合金鋼，傳感器安裝預緊力設為20 kN，安裝底座在此處理為剛性體。同樣選取P點求解其軸向變形，表2為P點軸向變形值。

表2 P點在不同壓頭接觸時的軸向變形值

分析表2數(shù)據(jù)可知，傳感器連接壓頭接觸形式對P點軸向變形有影響。在250 kN載荷下，連接壓頭與上墊板連接采用平面接觸(集中力)時，P點軸向變形較采用球面接觸(小面積均布力)增大3.5‰，即傳感器輸出信號增大。

在模擬安裝底座硬度對傳感器輸出信號影響時，安裝底座分別選用鑄鋼和合金鋼材料進行數(shù)值模擬，設置其抗拉強度和屈服強度。鑄造碳鋼ZG270-500的抗拉強度σb為500 MPa，合金結構鋼40CrMnMo的抗拉強度σb為800 MPa．其他工況設置為：傳感器安裝預緊力20 kN，連接壓頭材料為合金鋼并與上墊板球面接觸。同樣選取P點求解其軸向變形，表3為P點軸向變形值。

表3 P點在不同安裝底座時的軸向變形值

分析表3數(shù)據(jù)可知，安裝底座硬度對P點軸向變形有影響。在250 kN載荷下，節(jié)點P的軸向變形隨著安裝底座硬度的增加而增大，即傳感器輸出電壓信號增大。

3 傳感器校準實驗及分析

實際校準實驗選用同樣新出廠Interface 1220ACK-250 kN力傳感器，在力標準機上進行校準實驗。圖4是Interface 1220ACK-250 kN力傳感器在力標準機上進行檢定實驗的圖片。

圖4 Interface力傳感器檢定校準圖

校準實驗所用傳感器的出廠檢定級別為高于0.1級，檢定實驗中傳感器激勵電源為JJW-C，激勵電壓為(10±0.000 5)VDC，指示儀表為2 000 DMM，測試電纜長15 m．遵循單一變量原則，對傳感器在不同的工況下輸出的電壓信號進行采集，并分析所得數(shù)據(jù)，計算出不同工況下Interface輪幅式力傳感器線性度、遲滯、重復性、靈敏度等性能值。檢定實驗環(huán)境：溫度24.0 ℃，濕度45.1%RH．

3.1傳感器安裝預緊力

進行傳感器安裝預緊力影響實驗時，連接壓頭材料為2Cr13，采用球面接觸；安裝底座材料為40Cr，硬度為HRC50。傳感器預緊所用12個M10安裝螺栓交叉加載預緊力至相同值，預緊力值分別為2 kN和20 kN．

使用力標準機對傳感器進行3次預加載實驗后，再對其逐點加載，得到輸出信號電壓值，根據(jù)傳感器輸出電壓值，繪制其進程平均校準曲線和2種不同安裝預緊力下相同載荷值的傳感器輸出差值曲線，如圖5所示，其中，差值=輸出(預緊力20 kN)-輸出(預緊力2 kN)。

圖5 不同安裝預緊力時傳感器平均標準曲線和偏差曲線

通過分析不同安裝預緊力時傳感器輸出電壓信號，得到其分析指標如表4所示。

表4 不同安裝預緊力時傳感器性能指標

由表4中性能指標對比可知，安裝預緊力增大至20 kN時，輪輻式力傳感器線性度和遲滯提高，達到傳感器出廠檢定級別；傳感器輸出電壓值隨著安裝預緊力的增大而增加，在滿量程載荷值250 kN時，傳感器輸出電壓值增大0.5‰。

3.2連接壓頭結構

進行傳感器連接壓頭結構影響實驗時，所用連接壓頭材料為2Cr13，上端接觸分別為球面接觸和平面接觸；傳感器安裝預緊力為2 kN，安裝底座材料為40Cr，硬度為HRC50。

預加載3次后，再對傳感器進行逐點加載，得到其輸出信號電壓值，根據(jù)傳感器輸出電壓值繪制其進程平均校準曲線、2種不同接觸連接壓頭在相同載荷值下傳感器輸出差值曲線，如圖6所示，其中差值=輸出(平面接觸)-輸出(球面接觸)。

圖6 不同接觸連接壓頭時傳感器校準曲線和偏差曲線

通過分析不同接觸連接壓頭時傳感器輸出電壓信號，得到其分析指標，如表5所示。由表5中性能指標對比可知，連接壓頭與上墊板采用球面接觸比采用平面接觸有更高的線性度，達到傳感器出廠檢定級別；2種情況對遲滯影響較小(較小的預緊力2 kN對遲滯影響較大)；載荷至滿量程250 kN時，傳感器輸出電壓值在平面接觸時增加約2‰，但平面接觸時線性度受到影響較大，因此傳感器在實際使用時應采用球面接觸連接壓頭。

表5 不同接觸連接壓頭傳感器性能指標

3.3安裝底座硬度

進行傳感器安裝底座硬度影響實驗時，傳感器安裝預緊力為2 kN；壓頭材料為2Cr13，采用球面接觸；安裝底座采用不同的熱處理工藝，底座硬度分別為HRC45和HRC55。

預加載3次后，再對傳感器進行逐點加載，得到其輸出電壓信號，根據(jù)傳感器輸出電壓值，繪制其進程平均校準曲線和2種不同硬度安裝底座在相同載荷值下的傳感器輸出差值曲線，圖7所示，其中，差值=輸出(HRC55)-輸出(HRC45)。

圖7 不同硬度安裝底座時傳感器平均校準曲線和偏差曲線

通過分析不同硬度安裝底座時傳感器輸出電壓信號，得到傳感器性能指標，如表6所示。

表6 不同硬度安裝底座傳感器性能指標

由表中性能指標對比可知，安裝底座硬度高時傳感器有較高線性度；兩種安裝底座硬度對遲滯影響較小(較小的預緊力2 kN對遲滯影響較大)；載荷至滿量程250 kN時，傳感器輸出電壓值在HRC55安裝底座時增加約1%。因此傳感器在實際使用時安裝底座應具有適當硬度。

通過傳感器校準實驗可知，3種使用工況對傳感器性能指標影響如下：

傳感器安裝預緊力對傳感器的線性度和遲滯有超出允許范圍的影響；在一定范圍內(nèi)，增大安裝預緊力可增大傳感器靈敏度，因此傳感器安裝預緊力應保證傳感器安裝穩(wěn)定，一般保證預緊力控制在螺栓保證載荷的50%～60%之間。

連接壓頭結構對傳感器線性度有超出允許范圍的影響，球面接觸連接壓頭較平面接觸連接壓頭有高的線性度；不同接觸連接壓頭對傳感器遲滯和靈敏度的影響在允許范圍之內(nèi)，因此在校準或使用傳感器時應使用球面接觸連接壓頭，壓頭硬度一般應在HRC50以上。

安裝底座硬度對傳感器的線性度和靈敏度有超出允許范圍的影響，使用高硬度的安裝底座時傳感器有好的線性度和高的靈敏度；不同硬度安裝底座對遲滯的影響在允許范圍之內(nèi)，因此在校準或使用傳感器時應使用高硬度安裝底座，一般應保證安裝底座硬度在HRC55以上。

上述3種工況對傳感器重復性的影響均在允許范圍之內(nèi)。

4 結束語

文中通過對輪輻式力傳感器數(shù)值模擬和實際校準實驗，給出了傳感器安裝預緊力、連接壓頭結構、安裝底座硬度3種使用工況對力傳感器主要性能指標的具體影響，得出如下結論：

(1)力傳感器校準和使用性能指標受到多種因素影響，其中包括傳感器安裝預緊力、連接壓頭結構、安裝底座硬度等，要在校準和使用過程中仔細檢查各個附屬件性能及連接方式，以確保校準和使用傳感器的正確性。

(2)通過數(shù)值模擬和校準實驗對傳感器性能指標的量化分析可知，使用傳感器出廠檢定性能指標時應保證傳感器使用條件和出廠檢定條件相一致；若傳感器使用工況和出廠檢定工況不一致或傳感器校準期限失效時，應對傳感器重新校準且校準工況和使用工況相一致。

參考文獻：

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[7]機械設計手冊編委會．機械設計手冊(新版)第2卷．北京：機械工業(yè)出版社，2004，6-14-6-22．

作者簡介：趙延治(1981—)，博士，副教授。研究方向為并聯(lián)多維力傳感器、并聯(lián)機構學理論與應用。E-mail：yzzhao@ysu．edu．cn