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论力标准机加力同轴在力值计量中的重要性

2014-08-08陈奎一黄广峰董欣赵春生

吉林农业 2014年6期
关键词:力值

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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