高低溫條件下力傳感器校準(zhǔn)裝置分析

(湖北航天計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所 湖北 孝感 432100)

一、引言

隨著科技的進(jìn)步和人們對(duì)太空的深入探索，越來(lái)越多的尖端領(lǐng)域?qū)α鞲衅鞯氖褂眯阅芎蜏y(cè)量精度等要求不斷升高，在目前的力傳感器應(yīng)用中，高低溫的環(huán)境更為常見(jiàn)?，F(xiàn)階段，我國(guó)的科研機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)出的力傳感器校準(zhǔn)裝置只可以在常溫環(huán)境下進(jìn)行試驗(yàn)，而且要求力傳感器的運(yùn)行環(huán)境溫濕度在其允許范圍內(nèi)。行業(yè)內(nèi)的一些力傳感器生產(chǎn)單位雖然也嘗試著進(jìn)行了有關(guān)力傳感器特性方面的研究和探索，但收效甚微，測(cè)試的溫度僅僅在-40℃ ～80℃這個(gè)小范圍內(nèi)。通常，材料的力學(xué)特性會(huì)隨著溫度的變化而變化，所以，力傳感器的重復(fù)性、靈敏度等輸出特性在力傳感器處于不同溫度時(shí)存在差異，鑒于當(dāng)前的測(cè)量手段不能滿足高低溫情況下力傳感器的校準(zhǔn)，文章探索出一套可以實(shí)現(xiàn)在-80℃ ～ 400℃的溫度跨度內(nèi)，進(jìn)行10KN～1000KN范圍內(nèi)的力傳感器的校準(zhǔn)裝置，且在不同溫度下保持高精度。

二、校準(zhǔn)裝置總體構(gòu)成

連接工裝將高低溫發(fā)生裝置與力發(fā)生裝置連接在一起，構(gòu)成高低溫條件下力發(fā)生裝置傳感器校準(zhǔn)裝置，運(yùn)行時(shí)，高低溫發(fā)生裝置實(shí)現(xiàn)高低溫環(huán)境的創(chuàng)造，力發(fā)生裝置用來(lái)提供標(biāo)準(zhǔn)力值完成對(duì)被校準(zhǔn)力傳感器的校核，連接工裝則起到機(jī)構(gòu)連接和力值傳遞的作用。

對(duì)力傳感器校準(zhǔn)時(shí)，把它放在高低溫發(fā)生裝置內(nèi)，以連接工裝為中間機(jī)構(gòu)連接力發(fā)生裝置，在高低溫發(fā)生裝置內(nèi)溫度達(dá)到設(shè)定值后，恒溫一定的時(shí)間，啟動(dòng)力發(fā)生裝置，在力傳感器上施加精確、穩(wěn)定的力值，實(shí)現(xiàn)對(duì)力傳感器的校準(zhǔn)。

三、校準(zhǔn)裝置分系統(tǒng)設(shè)計(jì)

(一)高低溫發(fā)生裝置

為了研究力傳感器受高低溫環(huán)境的影響，在實(shí)驗(yàn)時(shí)需要進(jìn)行高低溫環(huán)境的實(shí)現(xiàn)。常見(jiàn)的高低溫發(fā)生裝置是高低溫試驗(yàn)箱[1]，基于力傳感器在不同溫度下的校準(zhǔn)需要不同連接形式的機(jī)構(gòu)，所設(shè)計(jì)的高低溫發(fā)生裝置需要滿足以下要求：

(1)高低溫發(fā)生裝置主體需要方便移動(dòng)并容易調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同安裝方式、外形尺寸不同的力傳感器的校準(zhǔn)；

(2)高低溫發(fā)生裝置的設(shè)計(jì)需要便于力傳感器的拆裝；

(3)高低溫發(fā)生裝置的箱體上端面和下端面需要開(kāi)連接孔，以實(shí)現(xiàn)高低溫發(fā)生裝置內(nèi)的力傳感器與外部力傳感器校準(zhǔn)裝置的連接。

基于以上對(duì)機(jī)構(gòu)連接方面的要求，目前的高低溫試驗(yàn)箱尚不能實(shí)現(xiàn)，所以，為了實(shí)現(xiàn)力傳感器在高低溫條件的校準(zhǔn)，首先要制作一種分體式的對(duì)開(kāi)高低溫發(fā)生裝置。高低溫發(fā)生裝置主要由箱體、高低溫風(fēng)循環(huán)管路以及高低溫發(fā)生系統(tǒng)三部分組成，注意高低溫發(fā)生裝置的結(jié)構(gòu)特征是分體式對(duì)開(kāi)式的，箱體和高低溫發(fā)生系統(tǒng)隔離開(kāi)來(lái)，以高低溫風(fēng)循環(huán)管路實(shí)現(xiàn)高低溫發(fā)生系統(tǒng)和箱體之間的連接，這樣的結(jié)構(gòu)便于箱體的移動(dòng)和調(diào)整；為了便于待校準(zhǔn)力傳感器的拆裝，箱體設(shè)計(jì)成中心對(duì)稱前后部對(duì)開(kāi)式結(jié)構(gòu)。

(二)力發(fā)生裝置

力發(fā)生裝置的功能是為待校準(zhǔn)力傳感器提供穩(wěn)定精確的力值，主要由液壓加載機(jī)構(gòu)、加載平臺(tái)、可移動(dòng)橫梁、反力架以及移動(dòng)調(diào)整支撐架等機(jī)構(gòu)組成。移動(dòng)調(diào)整支架用來(lái)固定高低溫發(fā)生裝置，隔離力發(fā)生裝置和高低溫發(fā)生裝置，以防高低溫發(fā)生裝置影響力發(fā)生裝置力值輸出的精度。通過(guò)前后、左右導(dǎo)軌滑塊組的移動(dòng)，可以讓高低溫發(fā)生裝置實(shí)現(xiàn)便捷的調(diào)整。

(三)連接工裝設(shè)計(jì)

連接工裝的作用是將力發(fā)生裝置和待校準(zhǔn)力傳感器連成整體，實(shí)現(xiàn)力發(fā)生裝置的力值傳遞?？杉庸ぬ沾煽梢猿惺?000℃極限溫度，在345MPa壓力下也具有良好的穩(wěn)定性，更重要的是其擁有超低的熱導(dǎo)率，實(shí)驗(yàn)值僅有1.46W/m℃，其優(yōu)良的材料性能適用于力傳感器連接工裝的設(shè)計(jì)要求，用該材料制作成隔熱墊，用于減小熱傳導(dǎo)對(duì)待校準(zhǔn)力傳感器的影響，結(jié)構(gòu)圖如下圖1所示。

圖1 連接工裝示意圖

試驗(yàn)中，高低溫發(fā)生裝置加熱到400攝氏度后恒溫2小時(shí)，陶瓷隔熱墊和力發(fā)生裝置連接的地方溫度僅僅升高了9℃。已知用于校準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)力傳感器零點(diǎn)以及靈敏度在溫度變化10攝氏度范圍內(nèi)波動(dòng)0.01%，所以這種連接工裝熱傳導(dǎo)引入的誤差不大于0.02%。

四、校準(zhǔn)裝置技術(shù)指標(biāo)測(cè)試及力值不確定度分析

(一)技術(shù)指標(biāo)測(cè)試

選用的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力儀和溫度測(cè)量?jī)x的精度等級(jí)均為0.03級(jí)，在高低溫環(huán)境下進(jìn)行力傳感器校準(zhǔn)裝置溫度技術(shù)指標(biāo)和力值精度的測(cè)試.

高低溫環(huán)境下力傳感器校準(zhǔn)裝置在10KN到1000KN的力值范圍內(nèi)力值顯示誤差是0.08%，穩(wěn)定性指標(biāo)為0.02%；在-80℃到+400℃的溫度范圍內(nèi)，溫差±2攝氏度，半小時(shí)內(nèi)溫度穩(wěn)定性達(dá)到±2攝氏度，溫度均勻度達(dá)到2攝氏度。

(二)力值測(cè)量不確定度分析

通過(guò)對(duì)高低溫條件下力傳感器校準(zhǔn)裝置溫度和力值技術(shù)指標(biāo)的分析，分析高低溫環(huán)境下力傳感器校準(zhǔn)裝置測(cè)量力值的不確定度，可得高低溫環(huán)境下力傳感器校準(zhǔn)的校正準(zhǔn)確度。包含因子 k試驗(yàn)中取值2，得到擴(kuò)展不確定度: Ur = kuc =0.3%。所以，力傳感器校準(zhǔn)裝置可以實(shí)現(xiàn)力值在10kN到1000kN范圍內(nèi)和溫度在-80℃到 400℃ 范圍內(nèi)的校準(zhǔn)，校準(zhǔn)不確定度達(dá)到0.3%。

五、結(jié)束語(yǔ)

高低溫條件下力傳感器校準(zhǔn)裝置的開(kāi)發(fā)，攻克了力傳感器在高低溫條件下的校準(zhǔn)難題，使其能夠在高低溫條件實(shí)現(xiàn)溯源，該裝置能夠在-80℃ ～ 400℃溫度范圍內(nèi)，精確完成10KN～1000KN的校準(zhǔn)工作，為我國(guó)航空航天事業(yè)尤其是液體發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)提供了技術(shù)支持。