力传感器校准精度模拟与实验分析

赵延治，牛 智，李贵涛，吴 询，赵铁石

(1．燕山大学河北省并联机器人与机电系统重点实验室，河北秦皇岛 066004；2．先进锻压成型技术与科学教育部重点实验室(燕山大学)，河北秦皇岛 066004)

0 引言

目前高精度力传感器与测量仪表组成测力仪可以达到0.01级的测量精度[1]，因此被广泛应用于力值测量、自动控制与检测、称重与多维测力等工程实践中。力传感器检定周期根据其稳定性确定，一般不超过1年[2]。检定力传感器所选用的力基(标)准机准确度级别应高于所检定传感器准确度级别1 个等级或以上[3]。

文中拟从传感器安装方式、连接附件特性等几个方面，通过计算软件模拟和校准实验对传感器校准和使用精度的影响因素进行讨论与研究，给出一般情况下电阻应变式力传感器的校准与使用工况条件。

1 校准精度影响因素

在电阻应变式传感器的校准和使用过程中，除了传感器自身结构、材料、误差补偿等因素外，传感器的安装方式和外连接件属性对其信号输出可产生影响。因此在校准和使用力传感器时应注意这个问题。通过计算模拟和校准实验分析，发现传感器安装预紧力、连接件结构、安装底座硬度等对传感器输出信号有较大影响。此外，外接传感器信号线，结构振动，应用环境的电磁场、温度等都对传感器信号输出产生影响。

2 校准精度影响因素模拟

2.1传感器三维模型建立

选用Interface轮辐式1220ACK-250KN力传感器，通过CAD三维软件建立其结构模型，并通过CAE分析软件Ansys进行数值模拟。建立的传感器三维模型如图1所示，在Ansys中进行材料属性定义、接触定义、网络划分如图2所示。

图1 传感器模型

图2 传感器网络划分

2.2影响因素模拟结构

在数值模拟中，分别模拟传感器安装预紧力、连接压头结构和安装底座硬度对传感器输出的影响。模拟时选取传感器十字梁网格某节点P作为分析对象，求解其在不同影响条件的轴向变形，P点设置于纵向梁上平面中心的节点处，基于通过变形改变应变片电阻的特性，可通过测量P点处的轴向变形值来模拟电阻的改变，由桥路的线性特性可模拟输出电压的变化趋势。

在3种影响因素模拟中，通过改变材料拉伸硬度，模拟材料不同的硬度特性。材料硬度为一种材料抵抗另一种较硬材料压入其表面的能力[4]，根据文献[5-6]可知其与材料拉伸强度有近似线性关系。

在模拟传感器安装预紧力对传感器输出信号影响时，数值模拟分别考虑单一因素变量对传感器输出信号的影响。在固定传感器螺栓通孔上端面上施加面力来模拟安装螺栓对传感器施加的预紧力，连接压头材料为合金钢，安装底座在此处理为刚性体。

螺栓预紧力一般取螺栓保证载荷的50%～60%[7]，设定传感器通孔安装8.8级M10螺栓，施加12个面力载荷模拟12个螺栓预紧力，预紧力设置分别选取无预紧力、预紧力2 kN、预紧力20 kN 3种情况进行仿真。传感器施加载荷值设置分别选取50 kN、100 kN、150 kN、200 kN、250 kN 5种情况进行仿真。图3为传感器变形云图。表1为P点轴向变形值。

由表1数据可见，传感器安装预紧力对P点轴向变形有影响，相同载荷下，随着预紧力的增大，P点轴向变形随之增大，即传感器信号输出增大。在250 kN载荷下，P点轴向变形增大约1‰。

图3 20 kN预紧力时传感器变形云图(250 kN载荷)

表1 P点在不同预紧力时的轴向变形值

在模拟连接压头结构对传感器输出信号影响时，分别设置集中力和面力来模拟实际加载过程中平面接触和球面接触的传力过程。平面接触是指上垫板平面与压头球面近似集中力受力状态。球面接触是指上垫板球面与压头球面小面积均布受力状态。

连接压头材料设为合金钢，传感器安装预紧力设为20 kN，安装底座在此处理为刚性体。同样选取P点求解其轴向变形，表2为P点轴向变形值。

表2 P点在不同压头接触时的轴向变形值

分析表2数据可知，传感器连接压头接触形式对P点轴向变形有影响。在250 kN载荷下，连接压头与上垫板连接采用平面接触(集中力)时，P点轴向变形较采用球面接触(小面积均布力)增大3.5‰，即传感器输出信号增大。

在模拟安装底座硬度对传感器输出信号影响时，安装底座分别选用铸钢和合金钢材料进行数值模拟，设置其抗拉强度和屈服强度。铸造碳钢ZG270-500的抗拉强度σb为500 MPa，合金结构钢40CrMnMo的抗拉强度σb为800 MPa．其他工况设置为：传感器安装预紧力20 kN，连接压头材料为合金钢并与上垫板球面接触。同样选取P点求解其轴向变形，表3为P点轴向变形值。

表3 P点在不同安装底座时的轴向变形值

分析表3数据可知，安装底座硬度对P点轴向变形有影响。在250 kN载荷下，节点P的轴向变形随着安装底座硬度的增加而增大，即传感器输出电压信号增大。

3 传感器校准实验及分析

实际校准实验选用同样新出厂Interface 1220ACK-250 kN力传感器，在力标准机上进行校准实验。图4是Interface 1220ACK-250 kN力传感器在力标准机上进行检定实验的图片。

图4 Interface力传感器检定校准图

校准实验所用传感器的出厂检定级别为高于0.1级，检定实验中传感器激励电源为JJW-C，激励电压为(10±0.000 5)VDC，指示仪表为2 000 DMM，测试电缆长15 m．遵循单一变量原则，对传感器在不同的工况下输出的电压信号进行采集，并分析所得数据，计算出不同工况下Interface轮幅式力传感器线性度、迟滞、重复性、灵敏度等性能值。检定实验环境：温度24.0 ℃，湿度45.1%RH．

3.1传感器安装预紧力

进行传感器安装预紧力影响实验时，连接压头材料为2Cr13，采用球面接触；安装底座材料为40Cr，硬度为HRC50。传感器预紧所用12个M10安装螺栓交叉加载预紧力至相同值，预紧力值分别为2 kN和20 kN．

使用力标准机对传感器进行3次预加载实验后，再对其逐点加载，得到输出信号电压值，根据传感器输出电压值，绘制其进程平均校准曲线和2种不同安装预紧力下相同载荷值的传感器输出差值曲线，如图5所示，其中，差值=输出(预紧力20 kN)-输出(预紧力2 kN)。

图5 不同安装预紧力时传感器平均标准曲线和偏差曲线

通过分析不同安装预紧力时传感器输出电压信号，得到其分析指标如表4所示。

表4 不同安装预紧力时传感器性能指标

由表4中性能指标对比可知，安装预紧力增大至20 kN时，轮辐式力传感器线性度和迟滞提高，达到传感器出厂检定级别；传感器输出电压值随着安装预紧力的增大而增加，在满量程载荷值250 kN时，传感器输出电压值增大0.5‰。

3.2连接压头结构

进行传感器连接压头结构影响实验时，所用连接压头材料为2Cr13，上端接触分别为球面接触和平面接触；传感器安装预紧力为2 kN，安装底座材料为40Cr，硬度为HRC50。

预加载3次后，再对传感器进行逐点加载，得到其输出信号电压值，根据传感器输出电压值绘制其进程平均校准曲线、2种不同接触连接压头在相同载荷值下传感器输出差值曲线，如图6所示，其中差值=输出(平面接触)-输出(球面接触)。

图6 不同接触连接压头时传感器校准曲线和偏差曲线

通过分析不同接触连接压头时传感器输出电压信号，得到其分析指标，如表5所示。由表5中性能指标对比可知，连接压头与上垫板采用球面接触比采用平面接触有更高的线性度，达到传感器出厂检定级别；2种情况对迟滞影响较小(较小的预紧力2 kN对迟滞影响较大)；载荷至满量程250 kN时，传感器输出电压值在平面接触时增加约2‰，但平面接触时线性度受到影响较大，因此传感器在实际使用时应采用球面接触连接压头。

表5 不同接触连接压头传感器性能指标

3.3安装底座硬度

进行传感器安装底座硬度影响实验时，传感器安装预紧力为2 kN；压头材料为2Cr13，采用球面接触；安装底座采用不同的热处理工艺，底座硬度分别为HRC45和HRC55。

预加载3次后，再对传感器进行逐点加载，得到其输出电压信号，根据传感器输出电压值，绘制其进程平均校准曲线和2种不同硬度安装底座在相同载荷值下的传感器输出差值曲线，图7所示，其中，差值=输出(HRC55)-输出(HRC45)。

图7 不同硬度安装底座时传感器平均校准曲线和偏差曲线

通过分析不同硬度安装底座时传感器输出电压信号，得到传感器性能指标，如表6所示。

表6 不同硬度安装底座传感器性能指标

由表中性能指标对比可知，安装底座硬度高时传感器有较高线性度；两种安装底座硬度对迟滞影响较小(较小的预紧力2 kN对迟滞影响较大)；载荷至满量程250 kN时，传感器输出电压值在HRC55安装底座时增加约1%。因此传感器在实际使用时安装底座应具有适当硬度。

通过传感器校准实验可知，3种使用工况对传感器性能指标影响如下：

传感器安装预紧力对传感器的线性度和迟滞有超出允许范围的影响；在一定范围内，增大安装预紧力可增大传感器灵敏度，因此传感器安装预紧力应保证传感器安装稳定，一般保证预紧力控制在螺栓保证载荷的50%～60%之间。

连接压头结构对传感器线性度有超出允许范围的影响，球面接触连接压头较平面接触连接压头有高的线性度；不同接触连接压头对传感器迟滞和灵敏度的影响在允许范围之内，因此在校准或使用传感器时应使用球面接触连接压头，压头硬度一般应在HRC50以上。

安装底座硬度对传感器的线性度和灵敏度有超出允许范围的影响，使用高硬度的安装底座时传感器有好的线性度和高的灵敏度；不同硬度安装底座对迟滞的影响在允许范围之内，因此在校准或使用传感器时应使用高硬度安装底座，一般应保证安装底座硬度在HRC55以上。

上述3种工况对传感器重复性的影响均在允许范围之内。

4 结束语

文中通过对轮辐式力传感器数值模拟和实际校准实验，给出了传感器安装预紧力、连接压头结构、安装底座硬度3种使用工况对力传感器主要性能指标的具体影响，得出如下结论：

(1)力传感器校准和使用性能指标受到多种因素影响，其中包括传感器安装预紧力、连接压头结构、安装底座硬度等，要在校准和使用过程中仔细检查各个附属件性能及连接方式，以确保校准和使用传感器的正确性。

(2)通过数值模拟和校准实验对传感器性能指标的量化分析可知，使用传感器出厂检定性能指标时应保证传感器使用条件和出厂检定条件相一致；若传感器使用工况和出厂检定工况不一致或传感器校准期限失效时，应对传感器重新校准且校准工况和使用工况相一致。

参考文献：

[1]李自武，沈运杰，张磊，等．力传感器检定和使用中相关问题探讨．计测技术，2013，33(S1)：56-58．

[2]JJG 391—2009力传感器检定规程．

[3]唐纯谦．力值计量标准现状及研究进展．中国测试，2009，35(3)：11-16．

[4]马真兰，丛红梅，陈华，等．浅谈金属硬度及硬度试验．冶金标准化与质量，2005，43(1)：6-8；24．

[5]姚博，蔡力勋．金属布氏硬度行为的数值模拟．四川大学学报(工程科学版)，2010，42(2)：72-76．

[6]严柳新．铬钼钢抗拉强度与布氏硬度的某些关系．兵器材料科学与工程，1989(9)：18-21．

[7]机械设计手册编委会．机械设计手册(新版)第2卷．北京：机械工业出版社，2004，6-14-6-22．

作者简介：赵延治(1981—)，博士，副教授。研究方向为并联多维力传感器、并联机构学理论与应用。E-mail：yzzhao@ysu．edu．cn