疊加式力標準機的檢定與特性

張振興，劉秀華，張慶敏

（首鋼京唐鋼鐵聯合有限責任公司，河北唐山 063200）

0 引言

疊加式力標準機指的是以一個（組）比待檢定、校準測力儀精度高的標準力傳感器為基準，并與被檢測力儀串聯，以水壓方式施加負載的力標準機。在工作過程中，采用液力隨動裝置，由隨動馬達帶動油泵，使其升壓，活塞移動使標準測力儀和被檢測力儀同時受力，測力儀輸出信號由儀表采集發送給控制計算機，通過高速自適應PID 算法將信號發送給伺服驅動器，動態調整伺服電機的轉速和扭矩，實現加載值的快速逼近并達到設定值，控制系統自動采集記錄并處理被檢測力儀的輸出值，逐點完成檢測。隨著力傳感器及力源裝置技術水平的不斷提升，疊加式力標準機的測量能力也有了長足的進步。因其成本較低，工作效率較高，最近幾年已經被廣泛采用。其使用領域也在逐步擴展，成為測力、稱重傳感器制造中的一種主要裝備。

1 疊加式力標準機的工況多樣性

疊加式力標準機的工作原理確定了其對力值再現的影響，它可以被劃分成兩種類型，一種是力傳感器，另一種是非力傳感器，在文獻中被總結為：參考力傳感器、施力系統和力值傳導環節。由于以上原因，該堆垛系統表現出了有別于其他三類標準堆垛系統的顯著特點：工況多變和工況各異。不同的條件下，堆垛機的再現能力會有所差別。

加工機的工作狀態可以分為環境狀態、空間狀態和時間狀態，而加工機的工作狀態則受到4 個維度的影響。

1.1 環境工況

在環境影響因素中，溫度和電磁干擾對再現力的影響最大。

1.2 空間工況

空間工況主要包括主體框架、上下壓臺、墊塊、被測對象等力值傳遞環節所構成的各種狀態，其本質是由于不同的空間元素，造成基準力傳感器的受力狀態不同、或力值傳遞過程不同，從而引起再現力值的變化。如堆垛機所用的墊片不同，待測對象的直徑、形狀等也不相同。要減少這些因素的產生，就需要確保參考力傳感器接觸面上的應力狀態、應力分布以及重疊機械的力值傳導過程的穩定，因此在疊加機的設計和制作中，要避免參考力傳感器與被測對象的直接接觸，或是力值傳導元件的厚度和剛性不足；對堆垛機使用相同的填充物，以此類推。3 臺450THBM 傳感器并聯于10 MN 堆垛機上構成參考力敏感裝置。通過監測各壓力傳感器在相同載荷作用下的數值，分析不同壓力對參考壓力傳感器的影響。各參考力感應線圈的輸出的一致性R 根據式（1）計算。

其中：Xmax為壓力傳感器的最大輸出數值；Xmin為最小輸出壓力傳感器數值；為3 臺測力計的平均數。結果顯示：①在沒有緩沖墊的工況下，2 號敏感元件的輸出功率很低，基準力傳感器群的受力分布很不均勻；②在平坦化的工況下，2 個換能器的功率更大，并且具有更好的穩定性；③在加了扁平墊片與球墊片的工況下，效果更佳（表1）。

表1 不同墊塊對參考力傳感器的影響

以上研究成果說明：①本疊加機上基準力傳感器群的受力狀況隨外部條件變化而變化，由于應力狀態的變化，其對再現力的作用還有待于深入探討；②堆垛機本身應該具有諸如滾珠等可調整的裝置，以提高作用力和傳遞效果。如果上、下兩個工作面沒有自我調整的能力，則需配置特制的輔助滾珠，并用作堆垛機的內設部件。

1.3 時間工況

對于具有再現力值的力標準機，在砝碼加載完畢后，重量的再現就已經完成，與加載程序、進回程、加載時間等因素無關。另外，重量的穩定性和長時間的穩定性都很好。疊加式機組也有暫態運行，即加載過程、讀取時間、長期穩定性等。維持一個連貫的度量方法，可以幫助減少這種效應。

2 數學模型的建立

2.1 示值誤差

應用測力儀對校準裝置的示值進行校準時，其示值誤差計算式為：

其中，δ 表示校準裝置的示值誤差；F1表示測力儀定度時的示值；F2表示校準裝置的力值測量、顯示裝置為準，測力儀的讀數。

2.2 方差與傳播系數

方差（以式（2）為數學模型）：

其中，u1、u2是F1、F2的不確定度。

傳播系數：

所以：C1=1，C2=-1。

3 標準不確定度評定

力標準機的標準不確定度來源主要為：由測力儀估算的不確定度分量，測量重復性引入的不確定度分量，檢定過程溫度波動估算的不確定度分量，校準裝置讀數誤差估算的不確定度分量，力值波動估算的不確定度分量。

3.1 由測力儀估算的不確定度分量

由測力儀估算的不確定度分量u1=u（F1），檢定證書給出的擴展不確定度為0.12%，k=3，所以：u1=u（F1）=0.12%/3=0.04%。

3.2 由校準裝置示值估算的不確定度分量

由校準裝置示值估算的不確定度分量u2=u（F2）。

（1）在相同條件下，取重復性最大的一檢定點重復試驗10 次，測得結果為：100.21 kN、100.27 kN、100.25 kN、100.23 kN、100.24 kN、100.24 kN、100.24 kN、100.24 kN、100.15 kN、100.25 kN。取100 kN 點，根據式（6）求得S：

其中，S 是測量重復性偏差；xi是在相同條件下單次測量值；是xi的算術平均值；n 是重復測量次數。將10 個數據代入式（6），求得：S=0.032 kN；相對標準偏差：s=S/x×100%=0.032%，得單次測量結果的標準差為0.032%，而實際測量結果為3 次測量的平均值，因此

（2）由檢定過程溫度波動估算的不確定度分量。參照JJG 753—1991《疊加式力標準機》檢定規程，校準過程中的溫度變化應不大于1 ℃（均勻分布），則u22=

（3）由校準裝置讀數誤差估算的不確定度分量。由于校準裝置的力值測量、顯示裝置其最小分辨率為0.01%，取均勻分布計算，則

（4）力值波動估算的不確定度分量u24。應用測力儀進行實測，最大力值波動誤差為0.08%（U 形分布），所以

（5）標準裝置示值估算的不確定度分量u2。標準裝置示值估算的不確定度分量u 由u21、u22、u23及u24構成，所以

（7）擴展不確定度u=kue=0.14%，k=2。

4 疊加式力標準機的檢定

疊加式力標準機的檢驗內容如表2 所示。各檢驗項目有其各自的作用，既互相獨立，又互相關聯，使疊加機達到了標準。一般技術要求，機座水平度是疊加機測量性能達標的依據；初始載荷鑒別能力是對控制系統精確加載與傳遞導環節力的需求，也是對疊加機范圍的應用范圍的限制；負荷變化要求30 s 的穩定時間；力矩的重復性、力矩的標定和方向的偏差等都會對力矩的測量產生影響。如果檢測的各項指標全部通過，則檢測的結果就是通過的；如果有一個項目沒有達到標準，則檢查的結果就是失敗的。

表2 壓臺調平后檢測數據

方向測量準確度的高低，其原因是感力器的旋轉。旋轉效應是指因力敏感單元的不對稱性（機械性能和電氣性能），使其在不同方向的測量結果產生變化的一種現象。旋轉效應是由于施力機構（壓力基準機構）和受力機構（壓力換能器）聯合工作而形成的。在測量過程中，角誤差對測量結果的影響很大程度上與測量方法有關。對于無旋轉角的力敏感器，要盡量減小其方位誤差，以確保其在任何旋轉角下的力敏感器的輸出穩定。在傳感器中引入了角部，通過角部的平均旋轉角度來重現其所受力，減小或消除了旋轉對傳感器的干擾。

疊加機的方位偏離指標反應了疊加機與其上方的標準量測儀表之間的相互影響：①無寄生成分/標準量測儀表的結構為對稱；②不帶雜散體的力量計/標準計的不對稱性；③所述力基準裝置含有散射元件/所述結構具有對稱性；④力標準器具有對稱性和非對稱性。

由表2 可見，無論對稱與否，僅采用一個軸向力，校正的結果均無方位偏差；一般的測力儀都會受到一定程度的影響，而測力儀是統一的，不會出現任何的偏移，反之則會出現一定程度的偏移。前者使檢測節點無法反映實際工作狀態，而實際測試中，檢測節點對混雜成份不敏感，且有較大的側向壓力，但方向上的誤差較小。所以，既要滿足JJG 144—2007 中《標準測力儀》的校準要求，又要能夠反映被測對象的真實情況，不必要求盡量小。結果表明，定向偏移主要是由堆棧結構中的散體引起的，而散體的偏移往往與堆棧結構中的非軸載荷有關。在非軸荷載下，由于參考壓強與被測壓強之間存在著一定的差異，不僅會造成指向誤差，也會造成耦合誤差，從而造成應力敏感元件的損壞。首先，要確保平臺的高度達到規范要求，才能確保平臺的軸向受力。盡管對堆垛機來說，對壓臺的平整度只是進行了一次檢查，但是建議在檢定時，首先檢查一次，避免檢定完畢后，若檢查出有很大的方向誤差，則還要再檢定一次，這樣會增加工作量。為了確保實驗的安全性，在實驗時，可以使用小平墊來替代傳統的壓力表。通過對1 MN 的疊板式起重機進行調節后的試驗，得到的結果是：①疊板式起重機的水平度對其定位和校準有一定的影響；②水平器反向定位誤差較小。

5 結論

本文對疊加式力標準機的不確定度進行了分析和評定，保證了力標準機量值傳遞工作的正常進行，得出以下結論：由于堆垛機的非軸載荷作用，造成堆垛機檢測的方向偏差較大，導致堆垛機中的雜散成分會對參考力傳感器、標準力傳感器和被測力傳感器造成一定的影響。調整平臺，保證上、下兩個平臺的平整度、表面粗糙度及剛性滿足設計規范，是降低疊置機非軸壓力的一種行之有效的手段。