論力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)加力同軸在力值計(jì)量中的重要性

陳奎一+黃廣峰++董欣+趙春生

摘要：隨著科學(xué)技術(shù)及工業(yè)的不斷發(fā)展，力傳感器（包括用于電子秤的各種稱重傳感器）得到越來越廣泛的應(yīng)用。它已在機(jī)械制造、冶金、石油、化工、建筑、航天航空、造船、交通運(yùn)輸、商業(yè)等工業(yè)部門及科研部門、大專院校中發(fā)揮重要作用,成為研制新產(chǎn)品、提高產(chǎn)品的質(zhì)量、生產(chǎn)效率、成品率、自動(dòng)化程度、安全、降低成本等必不可少的手段。

關(guān)鍵詞：力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)；力傳感器；力值

中圖分類號(hào)： TG83 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)： 1674-0432（2014）-07-94-2

力傳感器分為許多類型，如電阻應(yīng)變式、電容式、電感式、磁電式、振弦式等。在目前應(yīng)用的各種類型的力傳感器中，應(yīng)用最廣、精度最高、穩(wěn)定性最好的首推電阻應(yīng)變式傳感器。但是，電阻應(yīng)變式力產(chǎn)感器由于它結(jié)構(gòu)和測(cè)量原理上的原因，普遍存在的一個(gè)缺點(diǎn)是：偏心載荷對(duì)測(cè)量精度影響較大。即當(dāng)加力載荷的軸線與力傳感器幾何中心軸線不重合時(shí)，將會(huì)影響測(cè)量精度。而且這一缺點(diǎn)至今仍未被許多應(yīng)用者所重視，所以有必要深入探討其產(chǎn)生的原因，影響程度及改進(jìn)措施。

1 電阻應(yīng)變式力傳感器的工作原理

電阻應(yīng)變式力傳感器有彈性體、電阻應(yīng)變片、外殼、引出電纜等組成（見圖1），彈性體的作用是將載荷轉(zhuǎn)換成變形。電阻應(yīng)變片實(shí)際是一個(gè)微小電阻絲，用膠粘貼在彈性體上，當(dāng)彈性體尺寸變化時(shí)，電阻絲的長(zhǎng)短也跟著變化，其阻值也隨之發(fā)生變化，通過橋路，可以降低電阻變化轉(zhuǎn)換成電訊號(hào)，也就實(shí)現(xiàn)了從力值轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的過程。

橋路平衡輸出為零的條件是：■或R1·R3=R2·R4

當(dāng)彈性體受壓時(shí)，R2·R4受壓縮，阻值變小，R1·R3受拉伸，阻值變大，平衡條件被破壞，橋路產(chǎn)生輸出電壓與載荷力成正比。

當(dāng)彈性體受壓時(shí)，R2·R4受壓縮，阻值變小，R1·R3受拉伸，阻值變大，平衡條件被破壞，橋路產(chǎn)生輸出電壓與載荷力成正比（見圖2）。

2 偏載影響測(cè)量精度的原理

標(biāo)準(zhǔn)機(jī)是復(fù)現(xiàn)力值和傳遞力值的標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量?jī)x器，它主要用于標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力儀、負(fù)荷傳感器等檢定、檢測(cè)及校準(zhǔn)。當(dāng)力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)載荷中心軸線與力傳感器幾何中心軸線重合時(shí)，是理想的受力狀態(tài)。此時(shí)，加載后的力傳感器幾何中心軸線仍保持為直線狀態(tài)。如果在力值傳遞時(shí)都能保持這種理想狀態(tài)，它將呈現(xiàn)極好的重復(fù)性、線性。多次反復(fù)測(cè)量不會(huì)降低它的測(cè)量精度。

然而，實(shí)際中由于定位不可能絕對(duì)精確，存在一定誤差，也由于連接件的加工精度不可能沒有偏差，都會(huì)造成力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)載荷中心軸線與力傳感器幾何中心軸線的偏移。這將會(huì)造成力傳感器輸出特性的改變，引起測(cè)量誤差（見圖3）。

在這種受力狀態(tài)下，由于偏心力的作用，使彈性體除了受壓縮之外，還受到一個(gè)彎矩M作用。正是由于這個(gè)彎矩M的作用，使力傳感器的軸線產(chǎn)生彎曲，在沒有彎矩作用的理想加載狀態(tài)時(shí)，彈性體上所粘貼的應(yīng)變片產(chǎn)生對(duì)稱相等的應(yīng)變。而當(dāng)有彎矩作用時(shí)，彈性體產(chǎn)生彎曲，這就造成左側(cè)的應(yīng)變片應(yīng)變值增加，而右側(cè)應(yīng)變片應(yīng)變值減小，從而造成橋路輸出特性的改變，引起測(cè)量精度誤差。

彎矩M的大小為：M=Fl………（1）

式中：F ─ 力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)施加的載荷， l ─ 偏心量

由材料力學(xué)可知：彎矩M等于彈性體端部受到的水平力與彈性體高度的乘積：

M=F'L ………（2）

式中：F' ─ 折算到彈性體端部的水平力

l ─ 彈性體高度

由材料力學(xué)又可知，由于彎矩M造成的左側(cè)和右側(cè)所貼應(yīng)變片部位的附加應(yīng)變?yōu)棣遥?/p>

■………（3）

式中：R ─ 彈性體的半徑，I ─ 彈性體的軸慣性矩，W ─ 彈性體的抗彎截面系數(shù)

當(dāng)彈性體的結(jié)構(gòu)、形狀、尺寸不同時(shí)，其T及W均不同，以圓柱形彈性體為例：

■

式中：D ─ 彈性體直徑，D=2R

由以上的討論可知，偏載影響的大小與載荷F、偏心量l、彈性體高度L、彈性體的直徑D有關(guān)。

3 實(shí)測(cè)對(duì)比數(shù)據(jù)

為了解偏載時(shí)對(duì)傳感器測(cè)量精度的影響程度，對(duì)傳感器進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)。

試驗(yàn)用的傳感器為美國(guó)MTS的傳感器，額定負(fù)荷為50kN，兩端面均為平面，有利于人為偏心加載，調(diào)整控制偏心量。加載用60kN杠桿式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)為實(shí)測(cè)結(jié)果見表1和表2 及圖4。

由圖和表可見由于偏載造成下列結(jié)果：

一是線性由0.044%FS變壞為0.110%FS。

二是滿度輸出增大0.03%FS。

三是線性在載荷前段時(shí)影響大，后段時(shí)影響小，也就是說小載荷時(shí)影響更大

4 改進(jìn)措施

要減小偏載的影響，可從以下幾個(gè)方面著手：一是操作時(shí)盡最大努力保持載荷對(duì)中精度，減小偏心量；二是采用高度L低的傳感器，減小彎矩造成的影響；三是采用傳感器幾何軸線上方加球面，使載荷自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)中心；四是拉式傳感器必須兩端安裝自動(dòng)對(duì)心的萬向節(jié)。

5 結(jié)語

由以上的分析討論可知：偏心載荷會(huì)對(duì)測(cè)量精度造成較大的影響，在檢定、校準(zhǔn)、安裝、使用各個(gè)環(huán)節(jié)中都必須引起我們檢定員的充分重視，以保證所測(cè)量的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，避免產(chǎn)生額外的誤差，提高測(cè)量精度。

值得指出的是：偏載僅僅是影響力傳感器測(cè)量精度的因素之一，除此之外，影響因素還有傾斜載荷、扭轉(zhuǎn)力矩、方位角等，需要我們做進(jìn)一步探討。

參考文獻(xiàn)

[1] 李慶忠編著.負(fù)荷傳感器檢定測(cè)試技術(shù)[M].中國(guó)計(jì)量出版社.1990.

[2] 吳建生主編.工程力學(xué).機(jī)械工業(yè)出版社.2003.

作者簡(jiǎn)介：陳奎一，吉林省計(jì)量科學(xué)研究院，工程師，研究方向：扭矩力值。

endprint

摘要：隨著科學(xué)技術(shù)及工業(yè)的不斷發(fā)展，力傳感器（包括用于電子秤的各種稱重傳感器）得到越來越廣泛的應(yīng)用。它已在機(jī)械制造、冶金、石油、化工、建筑、航天航空、造船、交通運(yùn)輸、商業(yè)等工業(yè)部門及科研部門、大專院校中發(fā)揮重要作用,成為研制新產(chǎn)品、提高產(chǎn)品的質(zhì)量、生產(chǎn)效率、成品率、自動(dòng)化程度、安全、降低成本等必不可少的手段。

關(guān)鍵詞：力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)；力傳感器；力值

中圖分類號(hào)： TG83 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)： 1674-0432（2014）-07-94-2

力傳感器分為許多類型，如電阻應(yīng)變式、電容式、電感式、磁電式、振弦式等。在目前應(yīng)用的各種類型的力傳感器中，應(yīng)用最廣、精度最高、穩(wěn)定性最好的首推電阻應(yīng)變式傳感器。但是，電阻應(yīng)變式力產(chǎn)感器由于它結(jié)構(gòu)和測(cè)量原理上的原因，普遍存在的一個(gè)缺點(diǎn)是：偏心載荷對(duì)測(cè)量精度影響較大。即當(dāng)加力載荷的軸線與力傳感器幾何中心軸線不重合時(shí)，將會(huì)影響測(cè)量精度。而且這一缺點(diǎn)至今仍未被許多應(yīng)用者所重視，所以有必要深入探討其產(chǎn)生的原因，影響程度及改進(jìn)措施。

1 電阻應(yīng)變式力傳感器的工作原理

電阻應(yīng)變式力傳感器有彈性體、電阻應(yīng)變片、外殼、引出電纜等組成（見圖1），彈性體的作用是將載荷轉(zhuǎn)換成變形。電阻應(yīng)變片實(shí)際是一個(gè)微小電阻絲，用膠粘貼在彈性體上，當(dāng)彈性體尺寸變化時(shí)，電阻絲的長(zhǎng)短也跟著變化，其阻值也隨之發(fā)生變化，通過橋路，可以降低電阻變化轉(zhuǎn)換成電訊號(hào)，也就實(shí)現(xiàn)了從力值轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的過程。

橋路平衡輸出為零的條件是：■或R1·R3=R2·R4

當(dāng)彈性體受壓時(shí)，R2·R4受壓縮，阻值變小，R1·R3受拉伸，阻值變大，平衡條件被破壞，橋路產(chǎn)生輸出電壓與載荷力成正比。

當(dāng)彈性體受壓時(shí)，R2·R4受壓縮，阻值變小，R1·R3受拉伸，阻值變大，平衡條件被破壞，橋路產(chǎn)生輸出電壓與載荷力成正比（見圖2）。

2 偏載影響測(cè)量精度的原理

標(biāo)準(zhǔn)機(jī)是復(fù)現(xiàn)力值和傳遞力值的標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量?jī)x器，它主要用于標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力儀、負(fù)荷傳感器等檢定、檢測(cè)及校準(zhǔn)。當(dāng)力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)載荷中心軸線與力傳感器幾何中心軸線重合時(shí)，是理想的受力狀態(tài)。此時(shí)，加載后的力傳感器幾何中心軸線仍保持為直線狀態(tài)。如果在力值傳遞時(shí)都能保持這種理想狀態(tài)，它將呈現(xiàn)極好的重復(fù)性、線性。多次反復(fù)測(cè)量不會(huì)降低它的測(cè)量精度。

然而，實(shí)際中由于定位不可能絕對(duì)精確，存在一定誤差，也由于連接件的加工精度不可能沒有偏差，都會(huì)造成力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)載荷中心軸線與力傳感器幾何中心軸線的偏移。這將會(huì)造成力傳感器輸出特性的改變，引起測(cè)量誤差（見圖3）。

在這種受力狀態(tài)下，由于偏心力的作用，使彈性體除了受壓縮之外，還受到一個(gè)彎矩M作用。正是由于這個(gè)彎矩M的作用，使力傳感器的軸線產(chǎn)生彎曲，在沒有彎矩作用的理想加載狀態(tài)時(shí)，彈性體上所粘貼的應(yīng)變片產(chǎn)生對(duì)稱相等的應(yīng)變。而當(dāng)有彎矩作用時(shí)，彈性體產(chǎn)生彎曲，這就造成左側(cè)的應(yīng)變片應(yīng)變值增加，而右側(cè)應(yīng)變片應(yīng)變值減小，從而造成橋路輸出特性的改變，引起測(cè)量精度誤差。

彎矩M的大小為：M=Fl………（1）

式中：F ─ 力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)施加的載荷， l ─ 偏心量

由材料力學(xué)可知：彎矩M等于彈性體端部受到的水平力與彈性體高度的乘積：

M=F'L ………（2）

式中：F' ─ 折算到彈性體端部的水平力

l ─ 彈性體高度

由材料力學(xué)又可知，由于彎矩M造成的左側(cè)和右側(cè)所貼應(yīng)變片部位的附加應(yīng)變?yōu)棣遥?/p>

■………（3）

式中：R ─ 彈性體的半徑，I ─ 彈性體的軸慣性矩，W ─ 彈性體的抗彎截面系數(shù)

當(dāng)彈性體的結(jié)構(gòu)、形狀、尺寸不同時(shí)，其T及W均不同，以圓柱形彈性體為例：

■

式中：D ─ 彈性體直徑，D=2R

由以上的討論可知，偏載影響的大小與載荷F、偏心量l、彈性體高度L、彈性體的直徑D有關(guān)。

3 實(shí)測(cè)對(duì)比數(shù)據(jù)

為了解偏載時(shí)對(duì)傳感器測(cè)量精度的影響程度，對(duì)傳感器進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)。

試驗(yàn)用的傳感器為美國(guó)MTS的傳感器，額定負(fù)荷為50kN，兩端面均為平面，有利于人為偏心加載，調(diào)整控制偏心量。加載用60kN杠桿式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)為實(shí)測(cè)結(jié)果見表1和表2 及圖4。

由圖和表可見由于偏載造成下列結(jié)果：

一是線性由0.044%FS變壞為0.110%FS。

二是滿度輸出增大0.03%FS。

三是線性在載荷前段時(shí)影響大，后段時(shí)影響小，也就是說小載荷時(shí)影響更大

4 改進(jìn)措施

要減小偏載的影響，可從以下幾個(gè)方面著手：一是操作時(shí)盡最大努力保持載荷對(duì)中精度，減小偏心量；二是采用高度L低的傳感器，減小彎矩造成的影響；三是采用傳感器幾何軸線上方加球面，使載荷自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)中心；四是拉式傳感器必須兩端安裝自動(dòng)對(duì)心的萬向節(jié)。

5 結(jié)語

由以上的分析討論可知：偏心載荷會(huì)對(duì)測(cè)量精度造成較大的影響，在檢定、校準(zhǔn)、安裝、使用各個(gè)環(huán)節(jié)中都必須引起我們檢定員的充分重視，以保證所測(cè)量的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，避免產(chǎn)生額外的誤差，提高測(cè)量精度。

值得指出的是：偏載僅僅是影響力傳感器測(cè)量精度的因素之一，除此之外，影響因素還有傾斜載荷、扭轉(zhuǎn)力矩、方位角等，需要我們做進(jìn)一步探討。

參考文獻(xiàn)

[1] 李慶忠編著.負(fù)荷傳感器檢定測(cè)試技術(shù)[M].中國(guó)計(jì)量出版社.1990.

[2] 吳建生主編.工程力學(xué).機(jī)械工業(yè)出版社.2003.

作者簡(jiǎn)介：陳奎一，吉林省計(jì)量科學(xué)研究院，工程師，研究方向：扭矩力值。

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摘要：隨著科學(xué)技術(shù)及工業(yè)的不斷發(fā)展，力傳感器（包括用于電子秤的各種稱重傳感器）得到越來越廣泛的應(yīng)用。它已在機(jī)械制造、冶金、石油、化工、建筑、航天航空、造船、交通運(yùn)輸、商業(yè)等工業(yè)部門及科研部門、大專院校中發(fā)揮重要作用,成為研制新產(chǎn)品、提高產(chǎn)品的質(zhì)量、生產(chǎn)效率、成品率、自動(dòng)化程度、安全、降低成本等必不可少的手段。

關(guān)鍵詞：力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)；力傳感器；力值

中圖分類號(hào)： TG83 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)： 1674-0432（2014）-07-94-2

力傳感器分為許多類型，如電阻應(yīng)變式、電容式、電感式、磁電式、振弦式等。在目前應(yīng)用的各種類型的力傳感器中，應(yīng)用最廣、精度最高、穩(wěn)定性最好的首推電阻應(yīng)變式傳感器。但是，電阻應(yīng)變式力產(chǎn)感器由于它結(jié)構(gòu)和測(cè)量原理上的原因，普遍存在的一個(gè)缺點(diǎn)是：偏心載荷對(duì)測(cè)量精度影響較大。即當(dāng)加力載荷的軸線與力傳感器幾何中心軸線不重合時(shí)，將會(huì)影響測(cè)量精度。而且這一缺點(diǎn)至今仍未被許多應(yīng)用者所重視，所以有必要深入探討其產(chǎn)生的原因，影響程度及改進(jìn)措施。

1 電阻應(yīng)變式力傳感器的工作原理

電阻應(yīng)變式力傳感器有彈性體、電阻應(yīng)變片、外殼、引出電纜等組成（見圖1），彈性體的作用是將載荷轉(zhuǎn)換成變形。電阻應(yīng)變片實(shí)際是一個(gè)微小電阻絲，用膠粘貼在彈性體上，當(dāng)彈性體尺寸變化時(shí)，電阻絲的長(zhǎng)短也跟著變化，其阻值也隨之發(fā)生變化，通過橋路，可以降低電阻變化轉(zhuǎn)換成電訊號(hào)，也就實(shí)現(xiàn)了從力值轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的過程。

橋路平衡輸出為零的條件是：■或R1·R3=R2·R4

當(dāng)彈性體受壓時(shí)，R2·R4受壓縮，阻值變小，R1·R3受拉伸，阻值變大，平衡條件被破壞，橋路產(chǎn)生輸出電壓與載荷力成正比。

當(dāng)彈性體受壓時(shí)，R2·R4受壓縮，阻值變小，R1·R3受拉伸，阻值變大，平衡條件被破壞，橋路產(chǎn)生輸出電壓與載荷力成正比（見圖2）。

2 偏載影響測(cè)量精度的原理

標(biāo)準(zhǔn)機(jī)是復(fù)現(xiàn)力值和傳遞力值的標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量?jī)x器，它主要用于標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力儀、負(fù)荷傳感器等檢定、檢測(cè)及校準(zhǔn)。當(dāng)力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)載荷中心軸線與力傳感器幾何中心軸線重合時(shí)，是理想的受力狀態(tài)。此時(shí)，加載后的力傳感器幾何中心軸線仍保持為直線狀態(tài)。如果在力值傳遞時(shí)都能保持這種理想狀態(tài)，它將呈現(xiàn)極好的重復(fù)性、線性。多次反復(fù)測(cè)量不會(huì)降低它的測(cè)量精度。

然而，實(shí)際中由于定位不可能絕對(duì)精確，存在一定誤差，也由于連接件的加工精度不可能沒有偏差，都會(huì)造成力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)載荷中心軸線與力傳感器幾何中心軸線的偏移。這將會(huì)造成力傳感器輸出特性的改變，引起測(cè)量誤差（見圖3）。

在這種受力狀態(tài)下，由于偏心力的作用，使彈性體除了受壓縮之外，還受到一個(gè)彎矩M作用。正是由于這個(gè)彎矩M的作用，使力傳感器的軸線產(chǎn)生彎曲，在沒有彎矩作用的理想加載狀態(tài)時(shí)，彈性體上所粘貼的應(yīng)變片產(chǎn)生對(duì)稱相等的應(yīng)變。而當(dāng)有彎矩作用時(shí)，彈性體產(chǎn)生彎曲，這就造成左側(cè)的應(yīng)變片應(yīng)變值增加，而右側(cè)應(yīng)變片應(yīng)變值減小，從而造成橋路輸出特性的改變，引起測(cè)量精度誤差。

彎矩M的大小為：M=Fl………（1）

式中：F ─ 力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)施加的載荷， l ─ 偏心量

由材料力學(xué)可知：彎矩M等于彈性體端部受到的水平力與彈性體高度的乘積：

M=F'L ………（2）

式中：F' ─ 折算到彈性體端部的水平力

l ─ 彈性體高度

由材料力學(xué)又可知，由于彎矩M造成的左側(cè)和右側(cè)所貼應(yīng)變片部位的附加應(yīng)變?yōu)棣遥?/p>

■………（3）

式中：R ─ 彈性體的半徑，I ─ 彈性體的軸慣性矩，W ─ 彈性體的抗彎截面系數(shù)

當(dāng)彈性體的結(jié)構(gòu)、形狀、尺寸不同時(shí)，其T及W均不同，以圓柱形彈性體為例：

■

式中：D ─ 彈性體直徑，D=2R

由以上的討論可知，偏載影響的大小與載荷F、偏心量l、彈性體高度L、彈性體的直徑D有關(guān)。

3 實(shí)測(cè)對(duì)比數(shù)據(jù)

為了解偏載時(shí)對(duì)傳感器測(cè)量精度的影響程度，對(duì)傳感器進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)。

試驗(yàn)用的傳感器為美國(guó)MTS的傳感器，額定負(fù)荷為50kN，兩端面均為平面，有利于人為偏心加載，調(diào)整控制偏心量。加載用60kN杠桿式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)為實(shí)測(cè)結(jié)果見表1和表2 及圖4。

由圖和表可見由于偏載造成下列結(jié)果：

一是線性由0.044%FS變壞為0.110%FS。

二是滿度輸出增大0.03%FS。

三是線性在載荷前段時(shí)影響大，后段時(shí)影響小，也就是說小載荷時(shí)影響更大

4 改進(jìn)措施

要減小偏載的影響，可從以下幾個(gè)方面著手：一是操作時(shí)盡最大努力保持載荷對(duì)中精度，減小偏心量；二是采用高度L低的傳感器，減小彎矩造成的影響；三是采用傳感器幾何軸線上方加球面，使載荷自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)中心；四是拉式傳感器必須兩端安裝自動(dòng)對(duì)心的萬向節(jié)。

5 結(jié)語

由以上的分析討論可知：偏心載荷會(huì)對(duì)測(cè)量精度造成較大的影響，在檢定、校準(zhǔn)、安裝、使用各個(gè)環(huán)節(jié)中都必須引起我們檢定員的充分重視，以保證所測(cè)量的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，避免產(chǎn)生額外的誤差，提高測(cè)量精度。

值得指出的是：偏載僅僅是影響力傳感器測(cè)量精度的因素之一，除此之外，影響因素還有傾斜載荷、扭轉(zhuǎn)力矩、方位角等，需要我們做進(jìn)一步探討。

參考文獻(xiàn)

[1] 李慶忠編著.負(fù)荷傳感器檢定測(cè)試技術(shù)[M].中國(guó)計(jì)量出版社.1990.

[2] 吳建生主編.工程力學(xué).機(jī)械工業(yè)出版社.2003.

作者簡(jiǎn)介：陳奎一，吉林省計(jì)量科學(xué)研究院，工程師，研究方向：扭矩力值。

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