高低溫條件下力傳感器校準(zhǔn)裝置研究

高炳濤 梅紅偉 劉云平 鐘 山

(北京航天計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所，北京 100076)

1 引 言

近年來(lái)隨著航天技術(shù)的不斷進(jìn)步，人們對(duì)太空的探索更加深入，對(duì)力傳感器的使用與計(jì)量提出了更高要求，需要其承受超高溫、低溫、真空、水下等復(fù)雜及惡劣的環(huán)境，其中高低溫環(huán)境是最常見(jiàn)的情況。目前，國(guó)內(nèi)的力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)或力傳感器校準(zhǔn)裝置僅適用于在常溫環(huán)境下完成對(duì)力傳感器的計(jì)量測(cè)試，并對(duì)工作環(huán)境的溫度和濕度提出了嚴(yán)格的要求。一些力傳感器生產(chǎn)廠家和計(jì)量檢測(cè)機(jī)構(gòu)，雖然開(kāi)展了一些力傳感器溫度特性的研究工作，但溫度僅局限在-40℃～80℃范圍內(nèi)。材料的力學(xué)性能將隨著外界溫度的變化而發(fā)生變化，因此，力傳感器在高低溫環(huán)境下的輸出特性如線性度、重復(fù)性、滯后性、靈敏度等參數(shù)與常溫狀態(tài)相比必然會(huì)發(fā)生改變，鑒于力傳感器現(xiàn)有的計(jì)量手段在高低溫條件下已不再適用，通過(guò)研制一套高低溫條件下力傳感器校準(zhǔn)裝置，實(shí)現(xiàn)了在-80℃～400℃溫度條件下，力值范圍10kN～1000kN力傳感器的校準(zhǔn)，該裝置力值測(cè)量不確定度優(yōu)于0.3%(k=2)，為高低溫試驗(yàn)用力傳感器提供了可靠的計(jì)量保障。

2 校準(zhǔn)裝置總體組成

如圖1所示，高低溫條件下力傳感器校準(zhǔn)裝置由力發(fā)生裝置、高低溫發(fā)生裝置及連接工裝三部分組成，其中力發(fā)生裝置為被校準(zhǔn)力傳感器復(fù)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)力值，高低溫發(fā)生裝置為被校準(zhǔn)力傳感器提供高低溫試驗(yàn)環(huán)境，連接工裝用于連接被校準(zhǔn)力傳感器和力發(fā)生裝置，將力發(fā)生裝置產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)力值施加到被校準(zhǔn)力傳感器上。

1-高低溫發(fā)生裝置；2-連接工裝；3-力發(fā)生裝置。圖1 高低溫條件下力傳感器校準(zhǔn)裝置Fig.1 Calibration device at high andlow temperatureenvironment

進(jìn)行力傳感器校準(zhǔn)時(shí)，將其置于高低溫發(fā)生裝置中，通過(guò)連接工裝與力發(fā)生裝置連接，待高低溫發(fā)生裝置加熱或降溫到預(yù)定試驗(yàn)溫度，保溫一段時(shí)間后，利用力發(fā)生裝置對(duì)力傳感器產(chǎn)生穩(wěn)定且準(zhǔn)確的力值，完成對(duì)力傳感器的校準(zhǔn)。

3 校準(zhǔn)裝置分系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 高低溫發(fā)生裝置

為了探究力傳感器在高低溫條件下的溫度特性，需要研制一套高低溫發(fā)生裝置，為被校準(zhǔn)力傳感器提供所需的高低溫試驗(yàn)環(huán)境。高低溫發(fā)生裝置最常見(jiàn)的便是高低溫試驗(yàn)箱[1]，但由于力傳感器在高低溫條件下校準(zhǔn)存在結(jié)構(gòu)連接形式的特殊性，對(duì)高低溫發(fā)生裝置提出了以下幾個(gè)方面的要求：a)為適應(yīng)不同大小、不同型式力傳感器的安裝要求，高低溫發(fā)生裝置箱體應(yīng)便于移動(dòng)與調(diào)整；b)力傳感器在高低溫發(fā)生裝置箱體內(nèi)應(yīng)便于安裝與拆卸；c)箱體內(nèi)部力傳感器需通過(guò)上下金屬拉/壓桿與外部力傳感器校準(zhǔn)裝置連接，需要高低溫發(fā)生裝置箱體上下面設(shè)有連接孔。鑒于以上連接結(jié)構(gòu)形式的特殊性，現(xiàn)有高低溫試驗(yàn)箱無(wú)法滿足要求，因此，需要研制一套分體式對(duì)開(kāi)式高低溫發(fā)生裝置，作為專用設(shè)備用于力傳感器在高低溫條件下的校準(zhǔn)場(chǎng)合。

如圖2所示，高低溫發(fā)生裝置包括高低溫發(fā)生系統(tǒng)、箱體和高低溫風(fēng)循環(huán)管道三部分，高低溫發(fā)生裝置設(shè)計(jì)為分體式對(duì)開(kāi)式結(jié)構(gòu)，高低溫發(fā)生系統(tǒng)與箱體分開(kāi)，通過(guò)高低溫風(fēng)循環(huán)管道將高低溫發(fā)生系統(tǒng)與箱體連接，方便了箱體移動(dòng)與調(diào)整；箱體以中心對(duì)稱面分割為前后兩部分對(duì)開(kāi)式結(jié)構(gòu)，方便了被校準(zhǔn)力傳感器的安裝與拆卸。

1-箱體；2-高低溫風(fēng)循環(huán)管道；3-高低溫發(fā)生系統(tǒng)。圖2 高低溫發(fā)生裝置組成示意圖Fig.2 Sketchmap of the high and low temperature test chamber

3.2 力發(fā)生裝置

力發(fā)生裝置為被校準(zhǔn)力傳感器復(fù)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)力值，該裝置由移動(dòng)橫梁、液壓加載系統(tǒng)、加載平臺(tái)、反力架和移動(dòng)調(diào)整支撐架等組成，其中，移動(dòng)調(diào)整支撐架用于支撐高低溫發(fā)生裝置，將高低溫發(fā)生裝置與力發(fā)生裝置分開(kāi)，防止高低溫發(fā)生裝置對(duì)力發(fā)生裝置的力值準(zhǔn)確度產(chǎn)生影響，移動(dòng)調(diào)整支撐架可以實(shí)現(xiàn)對(duì)高低溫發(fā)生裝置在力發(fā)生裝置上下、左右、前后的移動(dòng)調(diào)整，左右、前后調(diào)整采用導(dǎo)軌滑塊組實(shí)現(xiàn)，如圖3所示。

1-橫向方鋼架；2-橫向?qū)к墸?-橫向滑塊；4-縱向方鋼架；5-縱向?qū)к墸?-縱向滑塊；7-箱體連接塊；8-支撐桿；9-支撐桿鎖緊螺母；10-支撐桿承載螺母；11-力發(fā)生裝置機(jī)座。圖3 移動(dòng)調(diào)整支撐架Fig.3 Adjustment support frame

力發(fā)生裝置如圖4所示。

1-移動(dòng)橫梁；2-立柱；3-移動(dòng)調(diào)整支撐架；4-加載平臺(tái)；5-壓向作用力傳感器；6-液壓缸；7-反力架；8-拉向作用力傳感器；9-機(jī)座。圖4 力發(fā)生裝置Fig.4 Force generating device

3.3 連接工裝設(shè)計(jì)

連接工裝用于連接被校準(zhǔn)力傳感器和力發(fā)生裝置，可以使力發(fā)生裝置產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)力值準(zhǔn)確施加到被校準(zhǔn)力傳感器上。由于力傳感器彈性體及其拉/壓桿均為金屬鋼材，金屬鋼材的熱導(dǎo)系數(shù)約為60W/m℃，金屬熱傳導(dǎo)會(huì)對(duì)高低溫發(fā)生裝置箱體內(nèi)部被校準(zhǔn)力傳感器溫度均勻性產(chǎn)生很大影響，因此，需要設(shè)計(jì)一套低熱導(dǎo)率高承載性能的力傳感器連接工裝。

可加工陶瓷可耐1000℃高溫，承壓可達(dá)345MPa，熱導(dǎo)系數(shù)僅為1.46W/m℃，利用可加工陶瓷良好的隔熱及抗壓性能設(shè)計(jì)加工隔熱墊[2～6]，利用該陶瓷隔熱墊將連接工裝金屬連接隔開(kāi)，降低金屬熱傳導(dǎo)對(duì)溫箱內(nèi)部被校準(zhǔn)力傳感器的影響，以隔熱墊為主構(gòu)件設(shè)計(jì)了如圖5所示的連接工裝。

1-上隔熱墊；2-上壓頭；3-上壓桿；4-被校準(zhǔn)力傳感器；5-下壓桿；6-下壓頭；7-下隔熱墊。圖5 連接工裝示意圖。Fig.5 Connecting structurediagram

試驗(yàn)結(jié)果表明，高低溫發(fā)生裝置400℃工作溫度條件下保溫2小時(shí)，圖5中下隔熱墊與力發(fā)生裝置平臺(tái)連接處溫度上升小于9℃。由于力發(fā)生裝置內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)力傳感器零點(diǎn)誤差和靈敏度受溫度影響每10℃變化0.01%，故連接工裝熱傳導(dǎo)對(duì)力發(fā)生裝置內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)力傳感器影響引入的誤差小于0.02%。

4 校準(zhǔn)裝置技術(shù)指標(biāo)測(cè)試及力值不確定度評(píng)定

4.1 技術(shù)指標(biāo)測(cè)試

選取了0.03級(jí)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力儀及溫度測(cè)量?jī)x對(duì)高低溫條件下力傳感器校準(zhǔn)裝置力值和溫度技術(shù)指標(biāo)分別進(jìn)行了測(cè)試，如表1所示為高低溫條件下力傳感器校準(zhǔn)裝置力值技術(shù)指標(biāo)測(cè)試結(jié)果。

如表2所示為高低溫條件下力傳感器校準(zhǔn)裝置溫度技術(shù)指標(biāo)測(cè)試結(jié)果。

表1 力值技術(shù)指標(biāo)測(cè)試數(shù)據(jù)Tab.1 Test results of the force technical parameters

表2 溫度技術(shù)指標(biāo)測(cè)試數(shù)據(jù)Tab.2 Test results of the temperature technical parameters

由表1、2測(cè)試結(jié)果可知，高低溫條件下力傳感器校準(zhǔn)裝置力值范圍為10kN～1000kN，其力值示值誤差為0.08%，重復(fù)性為0.02%；溫度范圍為-80℃～400℃，溫度偏差為±2℃，溫度均勻度為2℃，30min內(nèi)溫度穩(wěn)定度為±2℃。

4.2 力值測(cè)量不確定度評(píng)定

為了獲得高低溫條件下力傳感器校準(zhǔn)裝置力值準(zhǔn)確度，根據(jù)校準(zhǔn)裝置力值和溫度技術(shù)指標(biāo)測(cè)試結(jié)果，并考慮其他影響因素，對(duì)高低溫條件下力傳感器校準(zhǔn)裝置力值測(cè)量不確定度進(jìn)行評(píng)定。高低溫條件下力傳感器校準(zhǔn)裝置力值主要影響分量的標(biāo)準(zhǔn)不確定度如表3所示。

取包含因子k=2，可得擴(kuò)展不確定度：Ur=kuc=0.3%。由此，力傳感器校準(zhǔn)裝置可在10kN～1000kN力值范圍內(nèi)和-80℃～400℃的溫度范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)力傳感器的校準(zhǔn)，校準(zhǔn)不確定度為0.3%。

表3 標(biāo)準(zhǔn)不確定度一覽表Tab.3 Table of standard uncertainty components

5 結(jié)束語(yǔ)

完成力發(fā)生裝置、高低溫發(fā)生裝置及連接工裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，攻克了高低溫一體化和低熱導(dǎo)高承載連接兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，研制了一套高低溫條件下力傳感器校準(zhǔn)裝置，實(shí)現(xiàn)了在-80℃～400℃溫度條件下，力值范圍為10kN～1000kN力傳感器的校準(zhǔn)，有效地解決了力傳感器在高低溫條件下無(wú)法溯源的技術(shù)難題，為液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)、航天器等內(nèi)部試驗(yàn)用力傳感器提供可靠的計(jì)量保障。