高低温条件下力传感器校准装置研究

高炳涛 梅红伟 刘云平 钟 山

(北京航天计量测试技术研究所，北京 100076)

1 引 言

近年来随着航天技术的不断进步，人们对太空的探索更加深入，对力传感器的使用与计量提出了更高要求，需要其承受超高温、低温、真空、水下等复杂及恶劣的环境，其中高低温环境是最常见的情况。目前，国内的力标准机或力传感器校准装置仅适用于在常温环境下完成对力传感器的计量测试，并对工作环境的温度和湿度提出了严格的要求。一些力传感器生产厂家和计量检测机构，虽然开展了一些力传感器温度特性的研究工作，但温度仅局限在-40℃～80℃范围内。材料的力学性能将随着外界温度的变化而发生变化，因此，力传感器在高低温环境下的输出特性如线性度、重复性、滞后性、灵敏度等参数与常温状态相比必然会发生改变，鉴于力传感器现有的计量手段在高低温条件下已不再适用，通过研制一套高低温条件下力传感器校准装置，实现了在-80℃～400℃温度条件下，力值范围10kN～1000kN力传感器的校准，该装置力值测量不确定度优于0.3%(k=2)，为高低温试验用力传感器提供了可靠的计量保障。

2 校准装置总体组成

如图1所示，高低温条件下力传感器校准装置由力发生装置、高低温发生装置及连接工装三部分组成，其中力发生装置为被校准力传感器复现标准力值，高低温发生装置为被校准力传感器提供高低温试验环境，连接工装用于连接被校准力传感器和力发生装置，将力发生装置产生的标准力值施加到被校准力传感器上。

1-高低温发生装置；2-连接工装；3-力发生装置。图1 高低温条件下力传感器校准装置Fig.1 Calibration device at high andlow temperatureenvironment

进行力传感器校准时，将其置于高低温发生装置中，通过连接工装与力发生装置连接，待高低温发生装置加热或降温到预定试验温度，保温一段时间后，利用力发生装置对力传感器产生稳定且准确的力值，完成对力传感器的校准。

3 校准装置分系统设计

3.1 高低温发生装置

为了探究力传感器在高低温条件下的温度特性，需要研制一套高低温发生装置，为被校准力传感器提供所需的高低温试验环境。高低温发生装置最常见的便是高低温试验箱[1]，但由于力传感器在高低温条件下校准存在结构连接形式的特殊性，对高低温发生装置提出了以下几个方面的要求：a)为适应不同大小、不同型式力传感器的安装要求，高低温发生装置箱体应便于移动与调整；b)力传感器在高低温发生装置箱体内应便于安装与拆卸；c)箱体内部力传感器需通过上下金属拉/压杆与外部力传感器校准装置连接，需要高低温发生装置箱体上下面设有连接孔。鉴于以上连接结构形式的特殊性，现有高低温试验箱无法满足要求，因此，需要研制一套分体式对开式高低温发生装置，作为专用设备用于力传感器在高低温条件下的校准场合。

如图2所示，高低温发生装置包括高低温发生系统、箱体和高低温风循环管道三部分，高低温发生装置设计为分体式对开式结构，高低温发生系统与箱体分开，通过高低温风循环管道将高低温发生系统与箱体连接，方便了箱体移动与调整；箱体以中心对称面分割为前后两部分对开式结构，方便了被校准力传感器的安装与拆卸。

1-箱体；2-高低温风循环管道；3-高低温发生系统。图2 高低温发生装置组成示意图Fig.2 Sketchmap of the high and low temperature test chamber

3.2 力发生装置

力发生装置为被校准力传感器复现标准力值，该装置由移动横梁、液压加载系统、加载平台、反力架和移动调整支撑架等组成，其中，移动调整支撑架用于支撑高低温发生装置，将高低温发生装置与力发生装置分开，防止高低温发生装置对力发生装置的力值准确度产生影响，移动调整支撑架可以实现对高低温发生装置在力发生装置上下、左右、前后的移动调整，左右、前后调整采用导轨滑块组实现，如图3所示。

1-横向方钢架；2-横向导轨；3-横向滑块；4-纵向方钢架；5-纵向导轨；6-纵向滑块；7-箱体连接块；8-支撑杆；9-支撑杆锁紧螺母；10-支撑杆承载螺母；11-力发生装置机座。图3 移动调整支撑架Fig.3 Adjustment support frame

力发生装置如图4所示。

1-移动横梁；2-立柱；3-移动调整支撑架；4-加载平台；5-压向作用力传感器；6-液压缸；7-反力架；8-拉向作用力传感器；9-机座。图4 力发生装置Fig.4 Force generating device

3.3 连接工装设计

连接工装用于连接被校准力传感器和力发生装置，可以使力发生装置产生的标准力值准确施加到被校准力传感器上。由于力传感器弹性体及其拉/压杆均为金属钢材，金属钢材的热导系数约为60W/m℃，金属热传导会对高低温发生装置箱体内部被校准力传感器温度均匀性产生很大影响，因此，需要设计一套低热导率高承载性能的力传感器连接工装。

可加工陶瓷可耐1000℃高温，承压可达345MPa，热导系数仅为1.46W/m℃，利用可加工陶瓷良好的隔热及抗压性能设计加工隔热垫[2～6]，利用该陶瓷隔热垫将连接工装金属连接隔开，降低金属热传导对温箱内部被校准力传感器的影响，以隔热垫为主构件设计了如图5所示的连接工装。

1-上隔热垫；2-上压头；3-上压杆；4-被校准力传感器；5-下压杆；6-下压头；7-下隔热垫。图5 连接工装示意图。Fig.5 Connecting structurediagram

试验结果表明，高低温发生装置400℃工作温度条件下保温2小时，图5中下隔热垫与力发生装置平台连接处温度上升小于9℃。由于力发生装置内部标准力传感器零点误差和灵敏度受温度影响每10℃变化0.01%，故连接工装热传导对力发生装置内标准力传感器影响引入的误差小于0.02%。

4 校准装置技术指标测试及力值不确定度评定

4.1 技术指标测试

选取了0.03级标准测力仪及温度测量仪对高低温条件下力传感器校准装置力值和温度技术指标分别进行了测试，如表1所示为高低温条件下力传感器校准装置力值技术指标测试结果。

如表2所示为高低温条件下力传感器校准装置温度技术指标测试结果。

表1 力值技术指标测试数据Tab.1 Test results of the force technical parameters

表2 温度技术指标测试数据Tab.2 Test results of the temperature technical parameters

由表1、2测试结果可知，高低温条件下力传感器校准装置力值范围为10kN～1000kN，其力值示值误差为0.08%，重复性为0.02%；温度范围为-80℃～400℃，温度偏差为±2℃，温度均匀度为2℃，30min内温度稳定度为±2℃。

4.2 力值测量不确定度评定

为了获得高低温条件下力传感器校准装置力值准确度，根据校准装置力值和温度技术指标测试结果，并考虑其他影响因素，对高低温条件下力传感器校准装置力值测量不确定度进行评定。高低温条件下力传感器校准装置力值主要影响分量的标准不确定度如表3所示。

取包含因子k=2，可得扩展不确定度：Ur=kuc=0.3%。由此，力传感器校准装置可在10kN～1000kN力值范围内和-80℃～400℃的温度范围内，实现力传感器的校准，校准不确定度为0.3%。

表3 标准不确定度一览表Tab.3 Table of standard uncertainty components

5 结束语

完成力发生装置、高低温发生装置及连接工装结构设计，攻克了高低温一体化和低热导高承载连接两项关键技术，研制了一套高低温条件下力传感器校准装置，实现了在-80℃～400℃温度条件下，力值范围为10kN～1000kN力传感器的校准，有效地解决了力传感器在高低温条件下无法溯源的技术难题，为液体火箭发动机、航天器等内部试验用力传感器提供可靠的计量保障。