一種高精度組合式力傳感器的結構設計與分析

摘要：文中介紹了一種高精度組合式力傳感器。該組合式力傳感器將三個經溯源的高精度小量程力傳感器耦合連接組成一大量程力傳感器，對其進行受力分析與實驗驗證。結果表明，該組合式力傳感器可保證在大量程下的準確度，同時具有穩定、可靠的優勢。

關鍵詞：高精度；組合式力傳感器；大量程

Structural Design and Analysis of a High Precision Combined Force Sensor

XIE Jie 1，2，3

（ 1 Fujian Metrology Institute， Fuzhou 350003， Fujian， China ）

（ 2 Key Laboratory of State Administration for Market Regulation （Force Measurement Test）， Fuzhou 350003， Fujian， China ）

（ 3 Fujian Provincial Key Laboratory of Force Measurement， Fuzhou 350003， Fujian， China ）

Abstract： This paper introduces a high-precision combined force sensor. The sensor combines three traceable， high-precision and small-range force sensors to form a large-range force sensor， which is analyzed and verified by experiments. The results show that the combined force sensor can guarantee the accuracy in a large range， and has the advantages of stability and reliability.

Key Words： High precision; Combined force sensor; Large-range

0引言

大力值傳感器廣泛用于汽車制造、冶金、化工、橋梁、建筑、國防等多個行業，其精度高低直接影響生產安全和產品質量。目前，1MN以上力傳感器普遍存在方位誤差大、穩定性差等問題，在高精度應用場景中，其準確度不能得到有效保證。而高準確度大量程的力傳感器，其采購費用極其高昂，對于日常使用來說，成本太高。

針對上述問題，文中提出了一種高精度組合式力傳感器，可保證最大量程為3MN力傳感器的準確度，達到標準測力儀0.01級要求。

1 設計方案

1.1 設計原理

文中設計采用并聯式測量原理，分別將3只力傳感器應變片橋路的輸入、輸出端并聯，然后接入信號合成器，測試時力傳感器所測得的數據經信號合成器處理后，輸入測量儀表，通過測量儀表顯示所承受的外部載荷，從而達到力值測量的目的。

但這種傳感器并聯的方式會產生附加誤差，主要是由于傳感器的直線度和靈敏度不同，而導致在承受非均布載荷時產生測量誤差。因此，消除或減少附加誤差的根本途徑是通過補償調整使輸出阻抗和輸出靈敏度各自保持一致或者選配靈敏度接近和直線度好的傳感器。以上是決定傳感器性能的一方面，但是，傳感器是否合理、規范地安裝也是非常重要的保證因素。實際使用中會因為安裝對位的偏心，或基礎與承載板的不水平等原因，導致傳感器受力狀態不一致而出現實際意義上的新的“靈敏度”不一致的情況。因此文中選配了3個經溯源且靈敏度接近和直線度較好的高精度小量程力值傳感器（C18/1MN），均勻布置安裝在法蘭盤底座上。采用雙層自適應球頭結構，在確保靜止狀態下組合式傳感器與力標準機處于同一軸線上的情況下，使其在測試時的受載點可自動對中，受力均勻化，可消除大部分側向分力。如圖1所示，F=F1+F2+F3。

圖1 高精度組合式力傳感器原理

1.2 結構設計

高精度組合式力傳感器由提桿、大球頭、小球頭、均壓板、C18/1MN、底板、定位銷、彈簧萬向球、模擬4進1出接線盒等構成，如圖2所示。具體為：3個C18/1MN高精度傳感器三等分均勻放置在底座上，通過定位銷2連接底座，保持傳感器位置不變；定位環固定在均壓板上，然后與傳感器壓頭連接，確保傳感器位置不會發生偏移；小球頭座通過定位銷2與均壓板確定位置后固定；小球頭與大球頭座通過定位銷1連接；大球頭座上以每120°均安裝彈簧萬向球，可快速自動調整大球頭位置，保持在大球頭座正中心。由于此組合式傳感器在使用時處于靜止狀態，僅在加載時產生微小變形，因此在安裝定位銷1、定位銷2、定位環、小球頭座及均壓板相應位置銷孔時保持同軸心，并且C18/1MN設計采用球鉸式調節結構，再加上大球頭與小球頭設計，在加載時，可有效減小偏心、傾斜加載引入的寄生分量從而造成的測量誤差；同時傳感器進行溫度補償，保證在使用溫度條件下的測量準確度。提桿貫穿于整個組合式傳感器中心，用于壓緊大球頭以及吊裝。模擬4進1出接線盒將三個C18/1MN傳感器輸出數據并聯，接入DMP41儀表，通過接線盒中濾波裝置，保證讀數的穩定、準確。

（a） （b）

（c） （d）

圖2 高精度組合式力傳感器組成

1.3 受載結構分析

該組合式力傳感器由3個C18/1MN組成，最大受力為3MN，主要受力部件為大球頭、大球頭座、小球頭、小球頭座、均壓板、底板。其中大球頭、大球頭座、均壓板和底板受力均為3MN，小球頭和小球頭座受力為1MN。零件材料為42CrMo，屈服強度為9.300×108N/m2。對其進行有限元仿真，模擬實際使用時固定形式，對受力區域施加相應大小的力。有限元仿真計算結果如圖3所示，大球頭所承受的最大應力為1.584×108N/m2，最大變形量為0.011mm；大球頭座所承受的最大應力為7.764×107N/m2，最大變形量為0.018mm；小球頭所承受的最大應力為1.394×108N/m2，最大變形量為0.013mm；小球座所承受最大應力為1.001×108N/m2，最大變形量為0.011mm；均壓板所承受最大應力為155MPa，最大變形量為0.062mm；下壓板所承受最大應力為42MPa，最大變形量為0.012mm。以上受力部件最大應力均小于42CrMo合金鋼的屈服極限，變形量處于安全范圍。

（a）

（b）

（c）

圖3 有限元仿真及結果

2 實驗測試

2.1實驗裝置

高精度組合式力傳感器測試在福建省計量科學研究院進行，實驗標準裝置為20 kN～2 MN力基準裝置（國基證〔2023〕第171號），其測量范圍為20 kN～2 MN，不確定度為0.002%（=3），由于此高精度組合式力傳感器設計量程為3MN，準確度等級為0.01級，然而力基準裝置的最大量程為2 MN，國內也僅有此力基準裝置才能滿足其準確度等級測試要求，所以本次測試額定負荷為2 MN。

所使用通訊儀表為HBM制造的DMP41高精度儀表（校準證書23S2-05034），準確度等級為0.0005。

2.2測試方案

2.2.1測試準備

將組合式力傳感器放置在20 kN～2 MN力基準裝置測試平臺上并對中，在實驗室環境溫度（20±1）℃下恒溫24h，將傳感器與DMP41高精度儀表連接，預熱30min。

2.2.2測試流程

參照JJG 144《標準測力儀檢定規程》，對傳感器以給定方式預加至少3次額定負荷，每次額定負荷的保持時間為30s～1min。每次預負荷被完全卸除之后，等待回零至少30s，檢查儀表的回零情況，根據需要可重新調整零點。將DMP41高精度儀表調至零點（或作為零點的起點位置），以測量下限為測試起始點，沿傳感器受力軸線逐點遞增標準力值，至各檢定點保持穩定后記錄相應進程示值，至測量上限后逐點遞減卸除標準力值，至各測試點保持穩定后記取相應回程示值。從傳感器額定負荷的10%開始，逐級加荷，當負荷達到穩定，讀取儀表數值，一直測試至額定負荷。此過程進行3次，記下相應示值，即可完成進程示值檢測。

保持底部墊塊不動，將傳感器繞傳感器主軸線分別轉到 120°、240°方位，每個按試驗力遞增順序逐點預加載1次，正式測量1次。

圖4 現場測試圖

力傳感器的重復性、方位誤差p 分RVLRaFnVjD0f2m/VNcp11A==別按式（1）和式（2）計算：

（1）

（2）

式中，，分別是0°方位測試的最大值和最小值；，分別是3個方位測試的最大值和最小值；，，分別是0°測試的第1遍示值，120°、240°測試的示值。

2.3 實驗結果

測量數據如表1所示，從表中明顯看出，該組合式力傳感器采用20 kN～2 MN力基準裝置測試，計量性能比較優異，在各個測量點的重復性優于0.009% ，方位誤差優于 0.014% ，重復性、方位誤差指標滿足JJG 144《標準測力儀檢定規程》0.01級的要求。

表1 測試結果

3結論

文中提出了高精度組合式力傳感器的結構設計方案，通過小量程力傳感器組合來擴大力值測量范圍，并對傳感器的性能進行了實驗驗證，得出以下結論：

1）高精度組合式傳感器的重復性、方位誤差指標滿足JJG 144《標準測力儀檢定規程》0.01級的要求，符合預期設計目標。

2）采用組合式的設計結構，不僅安裝快速、吊裝方便，而且可有效擴大測量范圍，大大降低生產成本，滿足大量程的高精度力值測量要求。可以作為力標準裝置的參考傳感器或比對用的傳遞裝置。

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