拉扭疲劳试验机同步校准技术研究

艾兆春 刘汉冶 薛文瑞 李兴华 公旭国

(黑龙江华安精益计量技术研究院有限公司，哈尔滨 150046)

1 引 言

金属、非金属和复合材料等各种结构材料，在涉及的所有产品中，都会产生疲劳现象，而这种疲劳现象并不是单一的轴向力或单一的扭矩造成的，往往是由多种载荷共同作用的结果，测试这种复杂情况下的疲劳度需用拉扭疲劳试验机来完成。

拉扭疲劳试验机在工作时可以实现力值、扭矩两个参数分别独立操作，并在此基础上进行了力值、扭矩两个参数分别独立的校准，这种分参数的校准方法是目前国内所采用的通用方法。校准时，先用标准测力仪单独校准静态轴向力值参数，用标准扭矩仪单独校准静态扭矩参数，再用动态力校准装置进行交变力的校准，最后用动态扭矩校准装置进行交变扭矩的校准[1]。

分参数校准的方法具有测量准确性高的优点，但在试验工作时通常是力值参数和扭矩参数同时输出。分参数校准具有很大的局限性，当校准力值参数时，扭矩参数的准确与否得不到有效判断；当校准扭矩参数时，力值参数的准确性得不到有效判断，分参数校准不能同时反映两个参数的准确性。因此设计力值、扭矩多分量传感器，研究力值、扭矩参数同步校准技术是十分必要的。

2 力值、扭矩多分量传感器的设计

2.1 弹性结构的选择

弹性体是感受力和扭矩的主要元件，它是传感器的重要组成部分，弹性体的结构形式多样，常用的结构有梁式、环式、轮辐式和柱式四种[4]，从结构设计上我们选取轮辐式结构，其优点是：①具有良好的自然线性。因为在加载时，轮辐的截面尺寸变化小，可以忽略不计，这就避免由于尺寸变化产生误差。同时又由于采取了等臂全桥线路，这就消除了由于加工不对称所造成的误差；②由于它按剪切力作用原理而设计，所以载荷作用点位置的准确度对传感器的准确度影响不大；③具有良好的对称性，它可以经受住大的偏心和侧向力，适合同时承载拉力和扭矩载荷；④具有扁平的外形，它在载荷作用下变形小，因此可以提高拉力和扭矩参数之间的抗干扰能力；⑤由于传感器设计成一个整体结构，因此热膨胀各方向一致，所以在全桥等臂桥路中可以得到很好的补偿。

2.2 传感器的接桥方式

基于力或扭矩对应变梁的作用分析可知，对于一个力参量或扭矩参量，其作用线与梁轴线正交，所产生的正应力和剪切应力的最大值会位于应变梁的不同位置。图1中所示的传感器弹性体设计结构其正应力最大值位于远离中性层的上下表面，并且此处的剪切应力为零。剪切应力的最大值位于中性层上，而此处的正应力为零。所以我们选择远离中性层的上表面作为轴向力的敏感单元，选择中性层根部作为扭矩参量的敏感单元。传感器的结构及各个方向测量的应变片粘贴方式如图1所示。

图1 传感器的结构及各个方向应变片粘贴方式示意图Fig.1 Schematic diagram of sensor structure and strain gauge paste

传感器在每根横梁上都贴有4个应变片，共有16个应变片，组成2个电桥，共有2路输出信号，测量电路全部采用直流对称全桥测量电路，供桥电压设计皆为10V。其中，轴向力参数(Z方向)通过四根横梁上表面粘贴的1，2，3，4，5，6，7，8八个应变片来测量，其中：2，3，5，8是正应变，1，4，6，7是负应变，组成的电桥电路如图2(a)所示。扭矩参数(M)通过粘贴在四根横梁侧面根部的11，12，13，14，15，16，17，18八个应变片来测量，其中11，14，16，17是正应变，12，13，15，18是负应变，组成的电桥电路如图2(b)所示。

(a) 轴向力电桥电路 (b)扭矩电桥电路 (a) Axial force bridge circuit (b) Torque bridge circuit图2 传感器电桥电路Fig.2 Bridge circuit of the sensor

2.3 传感器材料的选择

为了获得传感器良好的线性、小的蠕变及滞后，弹性体通常选用强度比较高的合金结构钢。目前国内普遍采用40CrNiMoA作为各种测力传感器的材料，这种材料性能稳定，价格较低廉，由于有铬镍共存，不但具有良好的机械性能，而且由于钼的存在，可以防止高温回火时的脆性，具有良好的淬渗性。有研究资料表明，铬在钢中的含量大约为1%时，对钢在回火过程中阻止软化具有一定的作用，钼在钢中的含量大约为1%时，比铬和镍更提高淬渗性，还能提高钢的强度和抗蠕变性。综上所述，我们采用40CrNiMoA作为感器弹性体的材料。

3 数据采集单元的设计

拉扭疲劳试验机同步校准数据采集单元原理方框图如图3所示。

图3 数据采集单元原理框图Fig.3 Schematic diagram of the date acquisition unit

单片机是数据采集环节中的关键，本项目需要同时采集力值和转速2个参数，测量通道数量至少为2个，我们选用爱特梅尔公司(ATMEL)的AT89S51单片机，这种单片机所带资源足够满足本项目设计的要求。

目前，便携式计算机配备的高速接口一般有以太网接口、IEEE-1394接口和通用串行总线(USB)接口。USB2.0的传输速度超过了IEEE-1394接口的400Mbps,达到了480Mbps，且USB接口具有使用方便、低成本、抗干扰能力强等优点。综合上诉分析，本项目采用USB2.0接口进行数据的传输。

数据采集单元正常工作需提供一个5V电源,与此同时还需要一个高精度的10V电源作为传感器的激励电源。USB接口通过PC机能够提供两种功率的电源，一是由低功率USB端口提供的电源为4.4V～5.25V、电流为100mA；二是由高功率USB端口提供的电源为4.75V～5.25V、电流为500mA。我们采用升压型DC/DC转换器将USB接口电压升压至10V，作为传感器激励电源，再通过降压型DC/DC转换器将电压降至5V，作为数据采集的电源输入。电路图如图4所示。

图4 升压、降压电路图Fig.4 Schematic diagram of the boost and buck

4 力值、扭矩两参数同步校准技术研究

由于力值、扭矩多分量传感器要同时承受轴向载荷和扭转载荷，传感器在受轴向载荷时，传感器弹性体会产生轴向拉伸，弹性体在轴向方向上会发生一定的弹性形变，轴向弹性形变会对弹性体的扭矩敏感区产生影响，使得在没有施加任何扭矩载荷的情况下，形成扭矩参数输出。同理，力值、扭矩多分量传感器在受扭转载荷时，传感器弹性体会发生扭转形变，弹性体在轴向方向会发生受扭缩短形变，轴向形变会对弹性体的轴向敏感区产生影响，使得在没有施加任何轴向力的情况下，形成轴向载荷输出。传感器的力值和扭矩参数是相互影响的，并且这种影响不可能完全消除。

有研究表明，拉扭传感器拉、扭参数的相互影响量主要是相互的零点耦合误差，零点耦合误差大约为±1%F.S左右(见表1)，因此两者的相互影响因素应进行消除，才能保证装置测量的准确可靠。

表1 拉力、扭矩方向相互影响量

Tab.1 Mutual influence quantity of the pull direction and torque direction

对于力值、扭矩两个参数影响量的消除可以用力标准机对力值、扭矩多分量传感器的力参量进行单向标定，获得传感器力参量在不同测量点的输出值，同时可以在扭矩输出端获得相应的零点耦合误差值。这些相应的零点耦合误差值基本上呈现线性关系，根据具体的测量数据可以用最小二乘法拟合成一条零点耦合误差修正曲线，这条曲线对于拉扭传感器而言是系统误差。对于扭矩参量来说，均可以用修正曲线将扭矩零点输出值进行修正。因此，零点耦合误差可以通过软件进行修正，修正后的影响量可以达到±0.5%以内。

同理，我们可以用标准扭矩机对拉扭传感器的扭矩参量进行单向标定，同时监测力参量的零点耦合误差，通过试验获得的修正曲线，完成对力参量零点耦合误差的修正。

5 结束语

随着科学技术的进步与发展，对计量测试技术也提出了更高的要求，多参数同步测量技术得到了广泛应用。通过力值、扭矩多分量传感器、数据采集单元以及零点耦合误差的修正，能够实现对拉扭疲劳试验机同步校准，从而解决以往分参数校准的不足，具有很好的经济效益和社会效益。

[1] JJG 556-2011轴向加力疲劳试验机检定规程[S].北京：中国质检出版社，2011.

[2] 钱小琳,韩炜红，梁素珍.传感器贴片表面化学处理工艺的研究[C].2000年全国力学量传感器及测试、计量学术交流会论文集，2000：170～173

[3] 郭宏伟，孙贺欣.基于无线传输技术的测力装置[J].传感器技术,2004，23(9):52～54.