高低溫條件下力傳感器校準裝置分析

(湖北航天計量測試技術研究所 湖北 孝感 432100)

一、引言

隨著科技的進步和人們對太空的深入探索，越來越多的尖端領域對力傳感器的使用性能和測量精度等要求不斷升高，在目前的力傳感器應用中，高低溫的環境更為常見。現階段，我國的科研機構設計出的力傳感器校準裝置只可以在常溫環境下進行試驗，而且要求力傳感器的運行環境溫濕度在其允許范圍內。行業內的一些力傳感器生產單位雖然也嘗試著進行了有關力傳感器特性方面的研究和探索，但收效甚微，測試的溫度僅僅在-40℃ ～80℃這個小范圍內。通常，材料的力學特性會隨著溫度的變化而變化，所以，力傳感器的重復性、靈敏度等輸出特性在力傳感器處于不同溫度時存在差異，鑒于當前的測量手段不能滿足高低溫情況下力傳感器的校準，文章探索出一套可以實現在-80℃ ～ 400℃的溫度跨度內，進行10KN～1000KN范圍內的力傳感器的校準裝置，且在不同溫度下保持高精度。

二、校準裝置總體構成

連接工裝將高低溫發生裝置與力發生裝置連接在一起，構成高低溫條件下力發生裝置傳感器校準裝置，運行時，高低溫發生裝置實現高低溫環境的創造，力發生裝置用來提供標準力值完成對被校準力傳感器的校核，連接工裝則起到機構連接和力值傳遞的作用。

對力傳感器校準時，把它放在高低溫發生裝置內，以連接工裝為中間機構連接力發生裝置，在高低溫發生裝置內溫度達到設定值后，恒溫一定的時間，啟動力發生裝置，在力傳感器上施加精確、穩定的力值，實現對力傳感器的校準。

三、校準裝置分系統設計

(一)高低溫發生裝置

為了研究力傳感器受高低溫環境的影響，在實驗時需要進行高低溫環境的實現。常見的高低溫發生裝置是高低溫試驗箱[1]，基于力傳感器在不同溫度下的校準需要不同連接形式的機構，所設計的高低溫發生裝置需要滿足以下要求：

(1)高低溫發生裝置主體需要方便移動并容易調整，以實現對不同安裝方式、外形尺寸不同的力傳感器的校準；

(2)高低溫發生裝置的設計需要便于力傳感器的拆裝；

(3)高低溫發生裝置的箱體上端面和下端面需要開連接孔，以實現高低溫發生裝置內的力傳感器與外部力傳感器校準裝置的連接。

基于以上對機構連接方面的要求，目前的高低溫試驗箱尚不能實現，所以，為了實現力傳感器在高低溫條件的校準，首先要制作一種分體式的對開高低溫發生裝置。高低溫發生裝置主要由箱體、高低溫風循環管路以及高低溫發生系統三部分組成，注意高低溫發生裝置的結構特征是分體式對開式的，箱體和高低溫發生系統隔離開來，以高低溫風循環管路實現高低溫發生系統和箱體之間的連接，這樣的結構便于箱體的移動和調整；為了便于待校準力傳感器的拆裝，箱體設計成中心對稱前后部對開式結構。

(二)力發生裝置

力發生裝置的功能是為待校準力傳感器提供穩定精確的力值，主要由液壓加載機構、加載平臺、可移動橫梁、反力架以及移動調整支撐架等機構組成。移動調整支架用來固定高低溫發生裝置，隔離力發生裝置和高低溫發生裝置，以防高低溫發生裝置影響力發生裝置力值輸出的精度。通過前后、左右導軌滑塊組的移動，可以讓高低溫發生裝置實現便捷的調整。

(三)連接工裝設計

連接工裝的作用是將力發生裝置和待校準力傳感器連成整體，實現力發生裝置的力值傳遞。可加工陶瓷可以承受1000℃極限溫度，在345MPa壓力下也具有良好的穩定性，更重要的是其擁有超低的熱導率，實驗值僅有1.46W/m℃，其優良的材料性能適用于力傳感器連接工裝的設計要求，用該材料制作成隔熱墊，用于減小熱傳導對待校準力傳感器的影響，結構圖如下圖1所示。

圖1 連接工裝示意圖

試驗中，高低溫發生裝置加熱到400攝氏度后恒溫2小時，陶瓷隔熱墊和力發生裝置連接的地方溫度僅僅升高了9℃。已知用于校準的標準力傳感器零點以及靈敏度在溫度變化10攝氏度范圍內波動0.01%，所以這種連接工裝熱傳導引入的誤差不大于0.02%。

四、校準裝置技術指標測試及力值不確定度分析

(一)技術指標測試

選用的標準測力儀和溫度測量儀的精度等級均為0.03級，在高低溫環境下進行力傳感器校準裝置溫度技術指標和力值精度的測試.

高低溫環境下力傳感器校準裝置在10KN到1000KN的力值范圍內力值顯示誤差是0.08%，穩定性指標為0.02%；在-80℃到+400℃的溫度范圍內，溫差±2攝氏度，半小時內溫度穩定性達到±2攝氏度，溫度均勻度達到2攝氏度。

(二)力值測量不確定度分析

通過對高低溫條件下力傳感器校準裝置溫度和力值技術指標的分析，分析高低溫環境下力傳感器校準裝置測量力值的不確定度，可得高低溫環境下力傳感器校準的校正準確度。包含因子 k試驗中取值2，得到擴展不確定度: Ur = kuc =0.3%。所以，力傳感器校準裝置可以實現力值在10kN到1000kN范圍內和溫度在-80℃到 400℃ 范圍內的校準，校準不確定度達到0.3%。

五、結束語

高低溫條件下力傳感器校準裝置的開發，攻克了力傳感器在高低溫條件下的校準難題，使其能夠在高低溫條件實現溯源，該裝置能夠在-80℃ ～ 400℃溫度范圍內，精確完成10KN～1000KN的校準工作，為我國航空航天事業尤其是液體發動機的研發提供了技術支持。