高低温条件下力传感器校准装置分析

(湖北航天计量测试技术研究所 湖北 孝感 432100)

一、引言

随着科技的进步和人们对太空的深入探索，越来越多的尖端领域对力传感器的使用性能和测量精度等要求不断升高，在目前的力传感器应用中，高低温的环境更为常见。现阶段，我国的科研机构设计出的力传感器校准装置只可以在常温环境下进行试验，而且要求力传感器的运行环境温湿度在其允许范围内。行业内的一些力传感器生产单位虽然也尝试着进行了有关力传感器特性方面的研究和探索，但收效甚微，测试的温度仅仅在-40℃ ～80℃这个小范围内。通常，材料的力学特性会随着温度的变化而变化，所以，力传感器的重复性、灵敏度等输出特性在力传感器处于不同温度时存在差异，鉴于当前的测量手段不能满足高低温情况下力传感器的校准，文章探索出一套可以实现在-80℃ ～ 400℃的温度跨度内，进行10KN～1000KN范围内的力传感器的校准装置，且在不同温度下保持高精度。

二、校准装置总体构成

连接工装将高低温发生装置与力发生装置连接在一起，构成高低温条件下力发生装置传感器校准装置，运行时，高低温发生装置实现高低温环境的创造，力发生装置用来提供标准力值完成对被校准力传感器的校核，连接工装则起到机构连接和力值传递的作用。

对力传感器校准时，把它放在高低温发生装置内，以连接工装为中间机构连接力发生装置，在高低温发生装置内温度达到设定值后，恒温一定的时间，启动力发生装置，在力传感器上施加精确、稳定的力值，实现对力传感器的校准。

三、校准装置分系统设计

(一)高低温发生装置

为了研究力传感器受高低温环境的影响，在实验时需要进行高低温环境的实现。常见的高低温发生装置是高低温试验箱[1]，基于力传感器在不同温度下的校准需要不同连接形式的机构，所设计的高低温发生装置需要满足以下要求：

(1)高低温发生装置主体需要方便移动并容易调整，以实现对不同安装方式、外形尺寸不同的力传感器的校准；

(2)高低温发生装置的设计需要便于力传感器的拆装；

(3)高低温发生装置的箱体上端面和下端面需要开连接孔，以实现高低温发生装置内的力传感器与外部力传感器校准装置的连接。

基于以上对机构连接方面的要求，目前的高低温试验箱尚不能实现，所以，为了实现力传感器在高低温条件的校准，首先要制作一种分体式的对开高低温发生装置。高低温发生装置主要由箱体、高低温风循环管路以及高低温发生系统三部分组成，注意高低温发生装置的结构特征是分体式对开式的，箱体和高低温发生系统隔离开来，以高低温风循环管路实现高低温发生系统和箱体之间的连接，这样的结构便于箱体的移动和调整；为了便于待校准力传感器的拆装，箱体设计成中心对称前后部对开式结构。

(二)力发生装置

力发生装置的功能是为待校准力传感器提供稳定精确的力值，主要由液压加载机构、加载平台、可移动横梁、反力架以及移动调整支撑架等机构组成。移动调整支架用来固定高低温发生装置，隔离力发生装置和高低温发生装置，以防高低温发生装置影响力发生装置力值输出的精度。通过前后、左右导轨滑块组的移动，可以让高低温发生装置实现便捷的调整。

(三)连接工装设计

连接工装的作用是将力发生装置和待校准力传感器连成整体，实现力发生装置的力值传递。可加工陶瓷可以承受1000℃极限温度，在345MPa压力下也具有良好的稳定性，更重要的是其拥有超低的热导率，实验值仅有1.46W/m℃，其优良的材料性能适用于力传感器连接工装的设计要求，用该材料制作成隔热垫，用于减小热传导对待校准力传感器的影响，结构图如下图1所示。

图1 连接工装示意图

试验中，高低温发生装置加热到400摄氏度后恒温2小时，陶瓷隔热垫和力发生装置连接的地方温度仅仅升高了9℃。已知用于校准的标准力传感器零点以及灵敏度在温度变化10摄氏度范围内波动0.01%，所以这种连接工装热传导引入的误差不大于0.02%。

四、校准装置技术指标测试及力值不确定度分析

(一)技术指标测试

选用的标准测力仪和温度测量仪的精度等级均为0.03级，在高低温环境下进行力传感器校准装置温度技术指标和力值精度的测试.

高低温环境下力传感器校准装置在10KN到1000KN的力值范围内力值显示误差是0.08%，稳定性指标为0.02%；在-80℃到+400℃的温度范围内，温差±2摄氏度，半小时内温度稳定性达到±2摄氏度，温度均匀度达到2摄氏度。

(二)力值测量不确定度分析

通过对高低温条件下力传感器校准装置温度和力值技术指标的分析，分析高低温环境下力传感器校准装置测量力值的不确定度，可得高低温环境下力传感器校准的校正准确度。包含因子 k试验中取值2，得到扩展不确定度: Ur = kuc =0.3%。所以，力传感器校准装置可以实现力值在10kN到1000kN范围内和温度在-80℃到 400℃ 范围内的校准，校准不确定度达到0.3%。

五、结束语

高低温条件下力传感器校准装置的开发，攻克了力传感器在高低温条件下的校准难题，使其能够在高低温条件实现溯源，该装置能够在-80℃ ～ 400℃温度范围内，精确完成10KN～1000KN的校准工作，为我国航空航天事业尤其是液体发动机的研发提供了技术支持。