论力标准机加力同轴在力值计量中的重要性

陈奎一+黄广峰++董欣+赵春生

摘要：随着科学技术及工业的不断发展，力传感器（包括用于电子秤的各种称重传感器）得到越来越广泛的应用。它已在机械制造、冶金、石油、化工、建筑、航天航空、造船、交通运输、商业等工业部门及科研部门、大专院校中发挥重要作用,成为研制新产品、提高产品的质量、生产效率、成品率、自动化程度、安全、降低成本等必不可少的手段。

关键词：力标准机；力传感器；力值

中图分类号： TG83 文献标识码：A 文章编号： 1674-0432（2014）-07-94-2

力传感器分为许多类型，如电阻应变式、电容式、电感式、磁电式、振弦式等。在目前应用的各种类型的力传感器中，应用最广、精度最高、稳定性最好的首推电阻应变式传感器。但是，电阻应变式力产感器由于它结构和测量原理上的原因，普遍存在的一个缺点是：偏心载荷对测量精度影响较大。即当加力载荷的轴线与力传感器几何中心轴线不重合时，将会影响测量精度。而且这一缺点至今仍未被许多应用者所重视，所以有必要深入探讨其产生的原因，影响程度及改进措施。

1 电阻应变式力传感器的工作原理

电阻应变式力传感器有弹性体、电阻应变片、外壳、引出电缆等组成（见图1），弹性体的作用是将载荷转换成变形。电阻应变片实际是一个微小电阻丝，用胶粘贴在弹性体上，当弹性体尺寸变化时，电阻丝的长短也跟着变化，其阻值也随之发生变化，通过桥路，可以降低电阻变化转换成电讯号，也就实现了从力值转换为电信号的过程。

桥路平衡输出为零的条件是：■或R1·R3=R2·R4

当弹性体受压时，R2·R4受压缩，阻值变小，R1·R3受拉伸，阻值变大，平衡条件被破坏，桥路产生输出电压与载荷力成正比。

当弹性体受压时，R2·R4受压缩，阻值变小，R1·R3受拉伸，阻值变大，平衡条件被破坏，桥路产生输出电压与载荷力成正比（见图2）。

2 偏载影响测量精度的原理

标准机是复现力值和传递力值的标准计量仪器，它主要用于标准测力仪、负荷传感器等检定、检测及校准。当力标准机载荷中心轴线与力传感器几何中心轴线重合时，是理想的受力状态。此时，加载后的力传感器几何中心轴线仍保持为直线状态。如果在力值传递时都能保持这种理想状态，它将呈现极好的重复性、线性。多次反复测量不会降低它的测量精度。

然而，实际中由于定位不可能绝对精确，存在一定误差，也由于连接件的加工精度不可能没有偏差，都会造成力标准机载荷中心轴线与力传感器几何中心轴线的偏移。这将会造成力传感器输出特性的改变，引起测量误差（见图3）。

在这种受力状态下，由于偏心力的作用，使弹性体除了受压缩之外，还受到一个弯矩M作用。正是由于这个弯矩M的作用，使力传感器的轴线产生弯曲，在没有弯矩作用的理想加载状态时，弹性体上所粘贴的应变片产生对称相等的应变。而当有弯矩作用时，弹性体产生弯曲，这就造成左侧的应变片应变值增加，而右侧应变片应变值减小，从而造成桥路输出特性的改变，引起测量精度误差。

弯矩M的大小为：M=Fl………（1）

式中：F ─ 力标准机施加的载荷， l ─ 偏心量

由材料力学可知：弯矩M等于弹性体端部受到的水平力与弹性体高度的乘积：

M=F'L ………（2）

式中：F' ─ 折算到弹性体端部的水平力

l ─ 弹性体高度

由材料力学又可知，由于弯矩M造成的左侧和右侧所贴应变片部位的附加应变为σ：

■………（3）

式中：R ─ 弹性体的半径，I ─ 弹性体的轴惯性矩，W ─ 弹性体的抗弯截面系数

当弹性体的结构、形状、尺寸不同时，其T及W均不同，以圆柱形弹性体为例：

■

式中：D ─ 弹性体直径，D=2R

由以上的讨论可知，偏载影响的大小与载荷F、偏心量l、弹性体高度L、弹性体的直径D有关。

3 实测对比数据

为了解偏载时对传感器测量精度的影响程度，对传感器进行了对比试验。

试验用的传感器为美国MTS的传感器，额定负荷为50kN，两端面均为平面，有利于人为偏心加载，调整控制偏心量。加载用60kN杠杆式力标准机为实测结果见表1和表2 及图4。

由图和表可见由于偏载造成下列结果：

一是线性由0.044%FS变坏为0.110%FS。

二是满度输出增大0.03%FS。

三是线性在载荷前段时影响大，后段时影响小，也就是说小载荷时影响更大

4 改进措施

要减小偏载的影响，可从以下几个方面着手：一是操作时尽最大努力保持载荷对中精度，减小偏心量；二是采用高度L低的传感器，减小弯矩造成的影响；三是采用传感器几何轴线上方加球面，使载荷自动对准中心；四是拉式传感器必须两端安装自动对心的万向节。

5 结语

由以上的分析讨论可知：偏心载荷会对测量精度造成较大的影响，在检定、校准、安装、使用各个环节中都必须引起我们检定员的充分重视，以保证所测量的数据准确可靠，避免产生额外的误差，提高测量精度。

值得指出的是：偏载仅仅是影响力传感器测量精度的因素之一，除此之外，影响因素还有倾斜载荷、扭转力矩、方位角等，需要我们做进一步探讨。

参考文献

[1] 李庆忠编著.负荷传感器检定测试技术[M].中国计量出版社.1990.

[2] 吴建生主编.工程力学.机械工业出版社.2003.

作者简介：陈奎一，吉林省计量科学研究院，工程师，研究方向：扭矩力值。

endprint

摘要：随着科学技术及工业的不断发展，力传感器（包括用于电子秤的各种称重传感器）得到越来越广泛的应用。它已在机械制造、冶金、石油、化工、建筑、航天航空、造船、交通运输、商业等工业部门及科研部门、大专院校中发挥重要作用,成为研制新产品、提高产品的质量、生产效率、成品率、自动化程度、安全、降低成本等必不可少的手段。

关键词：力标准机；力传感器；力值

中图分类号： TG83 文献标识码：A 文章编号： 1674-0432（2014）-07-94-2

力传感器分为许多类型，如电阻应变式、电容式、电感式、磁电式、振弦式等。在目前应用的各种类型的力传感器中，应用最广、精度最高、稳定性最好的首推电阻应变式传感器。但是，电阻应变式力产感器由于它结构和测量原理上的原因，普遍存在的一个缺点是：偏心载荷对测量精度影响较大。即当加力载荷的轴线与力传感器几何中心轴线不重合时，将会影响测量精度。而且这一缺点至今仍未被许多应用者所重视，所以有必要深入探讨其产生的原因，影响程度及改进措施。

1 电阻应变式力传感器的工作原理

电阻应变式力传感器有弹性体、电阻应变片、外壳、引出电缆等组成（见图1），弹性体的作用是将载荷转换成变形。电阻应变片实际是一个微小电阻丝，用胶粘贴在弹性体上，当弹性体尺寸变化时，电阻丝的长短也跟着变化，其阻值也随之发生变化，通过桥路，可以降低电阻变化转换成电讯号，也就实现了从力值转换为电信号的过程。

桥路平衡输出为零的条件是：■或R1·R3=R2·R4

当弹性体受压时，R2·R4受压缩，阻值变小，R1·R3受拉伸，阻值变大，平衡条件被破坏，桥路产生输出电压与载荷力成正比。

当弹性体受压时，R2·R4受压缩，阻值变小，R1·R3受拉伸，阻值变大，平衡条件被破坏，桥路产生输出电压与载荷力成正比（见图2）。

2 偏载影响测量精度的原理

标准机是复现力值和传递力值的标准计量仪器，它主要用于标准测力仪、负荷传感器等检定、检测及校准。当力标准机载荷中心轴线与力传感器几何中心轴线重合时，是理想的受力状态。此时，加载后的力传感器几何中心轴线仍保持为直线状态。如果在力值传递时都能保持这种理想状态，它将呈现极好的重复性、线性。多次反复测量不会降低它的测量精度。

然而，实际中由于定位不可能绝对精确，存在一定误差，也由于连接件的加工精度不可能没有偏差，都会造成力标准机载荷中心轴线与力传感器几何中心轴线的偏移。这将会造成力传感器输出特性的改变，引起测量误差（见图3）。

在这种受力状态下，由于偏心力的作用，使弹性体除了受压缩之外，还受到一个弯矩M作用。正是由于这个弯矩M的作用，使力传感器的轴线产生弯曲，在没有弯矩作用的理想加载状态时，弹性体上所粘贴的应变片产生对称相等的应变。而当有弯矩作用时，弹性体产生弯曲，这就造成左侧的应变片应变值增加，而右侧应变片应变值减小，从而造成桥路输出特性的改变，引起测量精度误差。

弯矩M的大小为：M=Fl………（1）

式中：F ─ 力标准机施加的载荷， l ─ 偏心量

由材料力学可知：弯矩M等于弹性体端部受到的水平力与弹性体高度的乘积：

M=F'L ………（2）

式中：F' ─ 折算到弹性体端部的水平力

l ─ 弹性体高度

由材料力学又可知，由于弯矩M造成的左侧和右侧所贴应变片部位的附加应变为σ：

■………（3）

式中：R ─ 弹性体的半径，I ─ 弹性体的轴惯性矩，W ─ 弹性体的抗弯截面系数

当弹性体的结构、形状、尺寸不同时，其T及W均不同，以圆柱形弹性体为例：

■

式中：D ─ 弹性体直径，D=2R

由以上的讨论可知，偏载影响的大小与载荷F、偏心量l、弹性体高度L、弹性体的直径D有关。

3 实测对比数据

为了解偏载时对传感器测量精度的影响程度，对传感器进行了对比试验。

试验用的传感器为美国MTS的传感器，额定负荷为50kN，两端面均为平面，有利于人为偏心加载，调整控制偏心量。加载用60kN杠杆式力标准机为实测结果见表1和表2 及图4。

由图和表可见由于偏载造成下列结果：

一是线性由0.044%FS变坏为0.110%FS。

二是满度输出增大0.03%FS。

三是线性在载荷前段时影响大，后段时影响小，也就是说小载荷时影响更大

4 改进措施

要减小偏载的影响，可从以下几个方面着手：一是操作时尽最大努力保持载荷对中精度，减小偏心量；二是采用高度L低的传感器，减小弯矩造成的影响；三是采用传感器几何轴线上方加球面，使载荷自动对准中心；四是拉式传感器必须两端安装自动对心的万向节。

5 结语

由以上的分析讨论可知：偏心载荷会对测量精度造成较大的影响，在检定、校准、安装、使用各个环节中都必须引起我们检定员的充分重视，以保证所测量的数据准确可靠，避免产生额外的误差，提高测量精度。

值得指出的是：偏载仅仅是影响力传感器测量精度的因素之一，除此之外，影响因素还有倾斜载荷、扭转力矩、方位角等，需要我们做进一步探讨。

参考文献

[1] 李庆忠编著.负荷传感器检定测试技术[M].中国计量出版社.1990.

[2] 吴建生主编.工程力学.机械工业出版社.2003.

作者简介：陈奎一，吉林省计量科学研究院，工程师，研究方向：扭矩力值。

endprint

摘要：随着科学技术及工业的不断发展，力传感器（包括用于电子秤的各种称重传感器）得到越来越广泛的应用。它已在机械制造、冶金、石油、化工、建筑、航天航空、造船、交通运输、商业等工业部门及科研部门、大专院校中发挥重要作用,成为研制新产品、提高产品的质量、生产效率、成品率、自动化程度、安全、降低成本等必不可少的手段。

关键词：力标准机；力传感器；力值

中图分类号： TG83 文献标识码：A 文章编号： 1674-0432（2014）-07-94-2

力传感器分为许多类型，如电阻应变式、电容式、电感式、磁电式、振弦式等。在目前应用的各种类型的力传感器中，应用最广、精度最高、稳定性最好的首推电阻应变式传感器。但是，电阻应变式力产感器由于它结构和测量原理上的原因，普遍存在的一个缺点是：偏心载荷对测量精度影响较大。即当加力载荷的轴线与力传感器几何中心轴线不重合时，将会影响测量精度。而且这一缺点至今仍未被许多应用者所重视，所以有必要深入探讨其产生的原因，影响程度及改进措施。

1 电阻应变式力传感器的工作原理

电阻应变式力传感器有弹性体、电阻应变片、外壳、引出电缆等组成（见图1），弹性体的作用是将载荷转换成变形。电阻应变片实际是一个微小电阻丝，用胶粘贴在弹性体上，当弹性体尺寸变化时，电阻丝的长短也跟着变化，其阻值也随之发生变化，通过桥路，可以降低电阻变化转换成电讯号，也就实现了从力值转换为电信号的过程。

桥路平衡输出为零的条件是：■或R1·R3=R2·R4

当弹性体受压时，R2·R4受压缩，阻值变小，R1·R3受拉伸，阻值变大，平衡条件被破坏，桥路产生输出电压与载荷力成正比。

当弹性体受压时，R2·R4受压缩，阻值变小，R1·R3受拉伸，阻值变大，平衡条件被破坏，桥路产生输出电压与载荷力成正比（见图2）。

2 偏载影响测量精度的原理

标准机是复现力值和传递力值的标准计量仪器，它主要用于标准测力仪、负荷传感器等检定、检测及校准。当力标准机载荷中心轴线与力传感器几何中心轴线重合时，是理想的受力状态。此时，加载后的力传感器几何中心轴线仍保持为直线状态。如果在力值传递时都能保持这种理想状态，它将呈现极好的重复性、线性。多次反复测量不会降低它的测量精度。

然而，实际中由于定位不可能绝对精确，存在一定误差，也由于连接件的加工精度不可能没有偏差，都会造成力标准机载荷中心轴线与力传感器几何中心轴线的偏移。这将会造成力传感器输出特性的改变，引起测量误差（见图3）。

在这种受力状态下，由于偏心力的作用，使弹性体除了受压缩之外，还受到一个弯矩M作用。正是由于这个弯矩M的作用，使力传感器的轴线产生弯曲，在没有弯矩作用的理想加载状态时，弹性体上所粘贴的应变片产生对称相等的应变。而当有弯矩作用时，弹性体产生弯曲，这就造成左侧的应变片应变值增加，而右侧应变片应变值减小，从而造成桥路输出特性的改变，引起测量精度误差。

弯矩M的大小为：M=Fl………（1）

式中：F ─ 力标准机施加的载荷， l ─ 偏心量

由材料力学可知：弯矩M等于弹性体端部受到的水平力与弹性体高度的乘积：

M=F'L ………（2）

式中：F' ─ 折算到弹性体端部的水平力

l ─ 弹性体高度

由材料力学又可知，由于弯矩M造成的左侧和右侧所贴应变片部位的附加应变为σ：

■………（3）

式中：R ─ 弹性体的半径，I ─ 弹性体的轴惯性矩，W ─ 弹性体的抗弯截面系数

当弹性体的结构、形状、尺寸不同时，其T及W均不同，以圆柱形弹性体为例：

■

式中：D ─ 弹性体直径，D=2R

由以上的讨论可知，偏载影响的大小与载荷F、偏心量l、弹性体高度L、弹性体的直径D有关。

3 实测对比数据

为了解偏载时对传感器测量精度的影响程度，对传感器进行了对比试验。

试验用的传感器为美国MTS的传感器，额定负荷为50kN，两端面均为平面，有利于人为偏心加载，调整控制偏心量。加载用60kN杠杆式力标准机为实测结果见表1和表2 及图4。

由图和表可见由于偏载造成下列结果：

一是线性由0.044%FS变坏为0.110%FS。

二是满度输出增大0.03%FS。

三是线性在载荷前段时影响大，后段时影响小，也就是说小载荷时影响更大

4 改进措施

要减小偏载的影响，可从以下几个方面着手：一是操作时尽最大努力保持载荷对中精度，减小偏心量；二是采用高度L低的传感器，减小弯矩造成的影响；三是采用传感器几何轴线上方加球面，使载荷自动对准中心；四是拉式传感器必须两端安装自动对心的万向节。

5 结语

由以上的分析讨论可知：偏心载荷会对测量精度造成较大的影响，在检定、校准、安装、使用各个环节中都必须引起我们检定员的充分重视，以保证所测量的数据准确可靠，避免产生额外的误差，提高测量精度。

值得指出的是：偏载仅仅是影响力传感器测量精度的因素之一，除此之外，影响因素还有倾斜载荷、扭转力矩、方位角等，需要我们做进一步探讨。

参考文献

[1] 李庆忠编著.负荷传感器检定测试技术[M].中国计量出版社.1990.

[2] 吴建生主编.工程力学.机械工业出版社.2003.

作者简介：陈奎一，吉林省计量科学研究院，工程师，研究方向：扭矩力值。

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