力传感器检定和使用中相关问题探讨

李自武，沈运杰，张磊，曹仕国

(中航工业西安航空发动机(集团)有限公司计量中心，陕西 西安710021)

0 引言

随着科学技术的发展，20 世纪70 年代末，电阻应变力传感器及测量仪表技术有了突破性发展，产生了准确度可以达到0.01 级的测力仪。如今电阻应变力传感器已是一种使用方便、适应性强、比较完善的器件，由于电阻应变力传感器具有线性度高、滞后和蠕变小、稳定性好、动态响应好等特点，因而在力值测量中占有极其重要的地位，被广泛应用于力值量值传递、自动检测及自动控制技术中。

电阻应变力传感器主要由弹性元件、电阻应变片及测量电路组成。电阻应变力传感器工作原理是在外力作用下，弹性体的变形引起粘贴在其表面上的电阻应变片电阻值变化，电阻应变片组成的惠斯顿电桥使电阻的变化变成了电压的变化，电压的变化与外力基本成线性关系，从而实现非电量测量。电阻应变力传感器是最为常见的力传感器，由于其结构特点的限制，会有许多影响其测量准确度的因素。本文主要从初始力值、连接方式及测量电缆线对电阻应变力传感器(以下简称力传感器)影响方面进行分析，阐述力传感器使用状态与检定状态相一致的必要性。

1 初始力值对线性度影响

1.1 力传感器线性度

力传感器实际测量所得的输出—输入校准曲线与其理论拟合直线之间的偏差称为该传感器的线性度。一般用端基法所得的直线作为拟合直线，端基法所得的直线是指把传感器校准数据的零点输出平均值和满量程输出平均值连成的直线，线性度用校准曲线与其理论拟合直线最大偏差与传感器满量程输出之比表示。不同的力传感器有不同的校准曲线，校准曲线又有多种不同的分布形式。

1.2 检定工装重量的影响

在实际的检定工作中，力传感器的型号规格和连接方式很多，为了和力标准机进行连接，需要配备专用的检定工装，这种现象在做拉向检定时更为常见。对于小量程的力传感器来说，标准测力机不能满足其测量范围的要求，常采用直接悬挂砝码的方式进行检定，这就需要有检定工装才能完成检定工作。由于力传感器实际校准曲线不是完全线性，检定工装自身的重量会改变力传感器校准曲线，使其实际校准曲线与其特性曲线产生一定的偏差，依据这样的校准结果进行使用，一定会产生测量误差。

如图1 所示，曲线a 为力传感器初始状态不受外力情况下的校准曲线，曲线b 是传感器初始状态受到满量程的10%外力作用下校准曲线。由图1 可以明显看出，由于校准曲线的不完全线性，校准工装自重会使校准曲线发生变化，校准曲线b 是由校准曲线a 向左移动0.1F 和向下移动(V1 －V0)所得到的，两种情况下的力传感器输出值如表1 所示，每个相同检定点的输出值会存在一定的偏差。在实际工作中如果使用校准工装影响下的校准参数，这些校准参数已经偏离力传感器的真实输出状态。

1.3 使用中初始力值的影响

在力传感器的实际使用中，可能会遇到下面两种情况:①试验工艺规范中要求力测量装置对被测器件施加一定的预拉或压力，然后再进行正常试验，这中状态下力传感器会受到一定的初始力值。②测试装置自身的重量会作用在传感器上，使传感器受到一定初始力值，如发动机试车装置上台架的自重使传感器受到一定的初始力值。

图1 检定工装重量影响校准曲线示意图

以上两种情况都是传感器在使用中受到一定的初始力值。如果力传感器在检定中初始状态受力为零，按照这样的方法检定所得数据进行使用同样也会造成一定的偏差，对于不同的传感器其影响量不同，影响量的大小取决于力传感器的线性度。

图2 为某一力传感器特性曲线示意图，曲线a 为力传感器初始状态没有受到外力作用的校准曲线，曲线b 是力传感器初始状态受到满量程的10%外作用下的校准曲线，曲线b 是曲线a 向下平移(V1 －V0)和向左平移0.1 F 所得到的。如果在实际的工作中，力传感器在初始状态下受到了满量程的10%外力作用，我们应该使用曲线b 的传感器校准数据，如果使用了曲线a 的传感器校准数据，势必会产生一定的误差。误差的大小与力传感器的线性度有很大关系，线性好的传感器影响量小，反之，线性不好的传感器影响量会很大。

表1 两种校准曲线输出值的比较

图2 检定与使用两种状态下校准曲线比较示意图

2 连接方式的影响

力传感器在外力的作用时，力的作用线与传感器的轴线不会完全重合，作用力可分解为通过力传感器的轴线力和垂直与轴线的侧向力，侧向力使力传感器受到一个附加弯矩，这样传感器不能准确地测得所施加外力的大小。

图3 柱式力传感器结构示意图

图3为一般柱式力传感器所采用的抗侧向力结构形式，通过增加膜片的方式消除侧向力的影响。膜片横向刚性很大，轴向刚性小，这样力传感器只对轴向力敏感，对侧向力不敏感，从而解决了力传感器抗侧向力问题。力传感器的生产厂家和型号规格很多，由于材料的选用、制造工艺和成本等原因，力传感器在抗侧向力影响的能力方面参差不齐。我们对不同厂商生产的力传感器进行了大量实验，实验结果证明了对于许多传感器来说，侧向力的影响是很明显的，不同规格和精度的力传感器影响量不相同。例如，我们选用的一只国产的0.1 级力传感器，在带球形压头和不带球形压头时分别进行10 次重复测量，测量的数据结果表明:

1)两种情况下的实验结果偏差在0.05% ～0.1%之间;

2)不带球形压头的10 次实验结果重复性大于带球形压头的10 次实验结果重复性。

许多使用单位在送检力传感器时，不把自身的上下压垫或拉杆与传感器一起送检，计量检定机构随意地为传感器选用上下压垫或拉杆进行检定，这种不能完全模拟其使用状态的检定方法，势必会造成检定与使用的差异，增加了量值传递的不准确性。所以检定所使用的上下压垫或拉杆应该是传感器实际使用中的上下压垫或拉杆，这样的做法是科学的和必要的。

3 测量电缆线的影响

图4 为力传感器直流电桥的基本形式。以电阻R1，R2，R3，R4 作为四个桥臂，在a，c 两端接入直流电源U，在b，d 两端输出电压ΔU，当传感器受到外力作用时，应变片随着弹性体产生弹性变形，桥路中的电阻阻值发生变化，引起输出电压的变化。

图4 力传感器电桥

在实际工作中，关于力传感器的检定和使用有如下几种情况:

1)力传感器与其专门配套的二次仪表组合使用，使用单位把力传感器、二次仪表及其工作中使用的专用测量电缆线一起送检。

2)在一些大型测试设备上使用的力传感器，由于力传感器与二次仪表之间连接的电缆线太长或拆卸不方便等原因，使用单位把力传感器与二次仪表送检，随意找一段其它的电缆线进行替代，与实际使用的电缆线规格和长度不一致。

3)使用单位仅送检力传感器，把传感器的检定结果数据置入测量仪表进行使用。计量检定人员不可能知道力传感器使用中电缆线的情况，在检定中随意选用连接线进行替代。

由公式(1)可知，输出电压的变化不仅与桥路中电阻阻值的变化有关，也与激励电压U 有关。如果实际使用与检定中使用的电缆线规格和长度不同，由于电缆线上的压降将引起桥路中实际激励电压U 的变化，从而使检定所得的传感器参数不能与使用状态参数相一致，影响量的大小与传感器类型、电缆线规格和长度有关。上面情况1)所述的送检方式是最科学合理的，符合检定状态与使用状态相一致的原则，2)和3)两种方式会造成检定所得传感器参数与其实际状态参数存在一定偏差，很难保证使用中数据的准确可靠。

4 结论

1)在日常的检定工作中，特别对于小量程的力传感器来说，尽量采用轻质的检定工装进行检定，避免检定工装自身重量对力传感器输出线性度的影响。对于那些使用中需要预加初始力值的力传感器，在检定时应给与相同的初始力值，保证使用与检定状态相一致。

2)在力传感器检定中使用的上下压垫及拉杆应该是其实际工作中所使用的，对于抗侧向力差的传感器来说，随意更换或混用上下压垫及拉杆很难保证所得数据的准确可靠。

3)检定中所使用的测量电缆线应该是实际工作中使用的专用电缆线，如果测试装置上测量电缆线确实不容易拆卸，检定时所使用的测量电缆线规格和长度应该和实际工作中的相一致。

总之，影响力传感器准确度的因素有很多，在力传感器的检定中，只有遵循了检定状态与使用状态相一致的原则，才能保证量值传递的准确可靠，避免质量安全隐患。

［1］洪宝林. 力学计量(上)［M］. 北京:原子能出版社，2002.

［2］李孝武，刘景利，刘焕桥，等. 力学计量［M］. 北京:中国计量出版社，1999.

［3］国家质量监督检验检疫总局. JJG391 －2009 力传感器检定规程［S］. 北京:中国计量出版社，2009.