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分力測(cè)量

發(fā)布時(shí)間：2023-09-22      點(diǎn)擊次數(shù)：757

實(shí)際應(yīng)用中的三種方法

采用力傳感器進(jìn)行力測(cè)量具有很多優(yōu)勢(shì)，例如，高精度。有時(shí)候，其在分力測(cè)量時(shí)具有優(yōu)勢(shì)。特殊的傳感器，精確匹配應(yīng)用，可用于這些情況。本文介紹了進(jìn)行分力測(cè)量的三種方法。

標(biāo)定后的傳感器提供在標(biāo)定過程中測(cè)量的特性曲線  - 也就是加載力和輸出信號(hào)的比 - 可以非常容易產(chǎn)生，即使在現(xiàn)場(chǎng)安裝后。力傳感器必須安裝在力傳遞流中，并且沒有任何分力，這是先決條件。并且必須確保完整的力傳遞流通過傳感器進(jìn)行測(cè)量。

這意味著力傳感器的特性 - 例如，硬度和動(dòng)態(tài)性能 - 將影響整體設(shè)計(jì). 另外，大量程的傳感器具有更大的結(jié)構(gòu)。

另外，力測(cè)量可以通過結(jié)構(gòu)的變形來進(jìn)行測(cè)量，可以采用以下三種方法:

  • 應(yīng)變片的安裝
  • 利用螺桿式應(yīng)變傳感器, 其有時(shí)候內(nèi)置了電路
  • 利用力墊圈, 其基于應(yīng)變貨壓電技術(shù)

下表顯示了這些方法的劣勢(shì)和優(yōu)勢(shì): 

安裝應(yīng)變片使用應(yīng)變傳感器使用力墊圈

優(yōu)勢(shì)
 

 
  • 適合用于高花絲結(jié)構(gòu)，加載的力非常小情況
  • 要求空間非常小
 		 
  • 安裝方便，通過螺紋結(jié)構(gòu)直接連接到結(jié)構(gòu)中
  • 并聯(lián)數(shù)個(gè)傳感器能夠?qū)?duì)應(yīng)變進(jìn)行補(bǔ)償
  • 帶有儀表的傳感器可以在應(yīng)用中直接標(biāo)定
 		 
  • 用于螺栓測(cè)量
  • 高防護(hù)等級(jí)
  • 安裝方便
 
劣勢(shì)
 
 
  • 安裝 (焊接，接線盒保護(hù)層)
  • 分力測(cè)量中必須標(biāo)定
 		 
  • 分力標(biāo)定是必須的 (通過內(nèi)置儀表方式可以減少工作量)
 		 
  • 必須對(duì)分力進(jìn)行標(biāo)定
 

采用應(yīng)變片來測(cè)量

直接采用 應(yīng)變片 測(cè)量力有多種優(yōu)勢(shì).

焊接應(yīng)變片 (SG) 實(shí)際上對(duì)被測(cè)物體的結(jié)構(gòu)沒有任何影響。 結(jié)構(gòu)的硬度和動(dòng)態(tài)特性將會(huì)保持不變。在對(duì)花絲結(jié)構(gòu)測(cè)試時(shí)，應(yīng)變片具有非常明顯的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)槠渥冃螘r(shí)，只需要非常小的力。

安裝時(shí)需要使用全橋應(yīng)變片,并且需要選擇能夠補(bǔ)償寄生負(fù)載（例如，彎矩或扭矩）的應(yīng)變片。 此外，需要測(cè)量這些影響 [1], [2].

假設(shè)，沒有任何彎矩作用在被測(cè)物體的上, 全橋應(yīng)變片是理想的選擇，你可以采用來自 HBM 的 VY41，安裝角度為 45 度。

輸出信號(hào)只和應(yīng)變系數(shù)，應(yīng)變層以及材料的泊松比有關(guān); 其可以通過以下等式計(jì)算獲得:

U/U0測(cè)量橋路的輸出信號(hào)
k應(yīng)變片的應(yīng)變系數(shù)
ε應(yīng)變片的應(yīng)變層
μ泊松比

假設(shè) 20 MPa 的機(jī)械應(yīng)變作用在鋼結(jié)構(gòu)中，應(yīng)變系數(shù)為 2， 應(yīng)變測(cè)量結(jié)果為 100 μm/m，以上等式計(jì)算出的輸出結(jié)果為 0.13 mV/V 。

通過計(jì)算得出結(jié)果是采用這種方法的一大劣勢(shì)。

另外，應(yīng)變片需要現(xiàn)場(chǎng)安裝，并需要保護(hù)層。 另外要使用黏合劑。

通過弱化部件強(qiáng)度將能提高測(cè)量橋路的輸出信號(hào)。但這將影響被測(cè)物體的強(qiáng)度，反過來說，將影響動(dòng)態(tài)特性和穩(wěn)定性。

利用應(yīng)變傳感器測(cè)量力

應(yīng)變傳感器可以被安裝在物體結(jié)構(gòu)上。傳感器通過安裝在彈性體上的全橋應(yīng)變片來進(jìn)行測(cè)量的。

如圖顯示，這些應(yīng)變傳感器帶有一個(gè)有機(jī)硅涂層，可以防潮，并提供機(jī)械保護(hù)。

應(yīng)變傳感器基于應(yīng)變?cè)?。安裝區(qū)域的應(yīng)變將會(huì)大于螺紋連接間的應(yīng)變值。

圖 3 顯示了 SLB 彈性體. 加載到傳感器的力需要加載到應(yīng)變片的中心。因?yàn)?，脫離中心區(qū)域剛度會(huì)顯著減少，應(yīng)變可以采用以下等式計(jì)算得出:

Where:

εSG應(yīng)變片的應(yīng)變
εObject在螺紋之間的應(yīng)變
lStrain sensor螺紋連接之間的距離
lStrain zone結(jié)構(gòu)弱化區(qū)域的長(zhǎng)度

假設(shè)應(yīng)變區(qū)將不產(chǎn)生任何應(yīng)變，當(dāng)然嚴(yán)格來說，這是不正確的。應(yīng)變傳感器的靈敏度可以通過應(yīng)變區(qū)的長(zhǎng)度和螺紋之間的距離比進(jìn)行調(diào)節(jié)。原理上說，可以獲得非常高的靈敏度。但是在實(shí)際應(yīng)用中，500 μm/m 的應(yīng)變輸出信號(hào)能達(dá)到 1.5 mV/V。其靈敏度將比全橋應(yīng)變片提高 230 % 。

組件的溫度膨脹可以通過采用合適的電路來進(jìn)行補(bǔ)償。

另外, 內(nèi)置電路的應(yīng)變傳感器也可以在應(yīng)用中進(jìn)行標(biāo)定，因此提供了非常高效的測(cè)量鏈。

不帶有電路的傳感器具有更高的阻抗，可以達(dá)到 700 Ω。這樣可以采用數(shù)個(gè)應(yīng)變傳感器并聯(lián)使用，而無需極高的放大器供給電流。

我們假設(shè)兩個(gè)傳感器并聯(lián)，并安裝在同一高度，在彎矩負(fù)載下，其中一個(gè)具有更高的應(yīng)變，另外一個(gè)應(yīng)變較低。整體而言，只有拉伸和壓縮向的負(fù)載被測(cè)量。

SLB 應(yīng)變傳感器采用螺絲安裝，只需要一個(gè)平臺(tái)表面，傳感器就可以立即使用了。

利用力墊圈來測(cè)量

力墊圈 可以基于應(yīng)變或壓電技術(shù)，無論選擇何種原理:

力墊圈都采用螺栓和螺絲連接，因此，由于采用螺栓連接，其類似于彈性體，降低了系統(tǒng)的靈敏度。一般來說，大約 10% 的靈敏度將受到影響。因此，力墊圈不能在工廠進(jìn)行標(biāo)定。

為保證更好的重復(fù)性，需要進(jìn)行預(yù)應(yīng)力加載。力的峰值取決于額定力的大小 - 最高的彎矩往往發(fā)生在額定負(fù)載的 50 %. 因此，最佳的預(yù)應(yīng)力應(yīng)該采用額定負(fù)載的 50%，這同樣適用于  壓電力墊圈  [3].

力墊圈具有非常高的防護(hù)等級(jí)，因此可以立即使用;在這方面，其和應(yīng)變傳感器具有同樣的優(yōu)勢(shì) 。力墊圈，同樣具有非常好的靈敏度。并且和額定量程無關(guān)。

通過分力標(biāo)定測(cè)量鏈

所有以上三種方法都需要在安裝后進(jìn)行標(biāo)定。這意味著必須在至少兩個(gè)一指點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量。傳感器的輸出信號(hào)被分配到力，由于傳感器的特性是線性的，但是由于其具有嚴(yán)格的錯(cuò)誤限制，因此不能用于高精度測(cè)量。一般來說，兩點(diǎn)標(biāo)定是足夠的。

內(nèi)置儀表的傳感器遵循這個(gè)原理。但是標(biāo)定只需要在零點(diǎn)和發(fā)送到儀表的控制脈沖進(jìn)行測(cè)量即可完成。最大的力產(chǎn)生控制脈沖是必須的。然后儀表自動(dòng)調(diào)整。零點(diǎn)是同樣的，并且不改變?cè)鲆嫦禂?shù)。

零點(diǎn)應(yīng)變對(duì)應(yīng)著1 V, 最大應(yīng)變被轉(zhuǎn)換成 9 V, 輸出范圍被設(shè)置為 0 到 10 V，其中提供10 % 測(cè)量范圍用于過載和負(fù)應(yīng)變。同時(shí)還提供 4...20 mA 的輸出信號(hào)。

分力測(cè)量: 結(jié)論

在分力測(cè)量中，有多種有用的方法。所有的方法都有一個(gè)共同點(diǎn) - 影響結(jié)構(gòu)的機(jī)械性能.

但是，應(yīng)變或壓電力傳感器是第一選擇,其具有更高的精度:

  • 安裝后無需調(diào)整力傳感器, 因?yàn)閭鞲衅饕呀?jīng)在工廠進(jìn)行了標(biāo)定。在對(duì)分力進(jìn)行測(cè)量時(shí)，一般都需要在被測(cè)物體上標(biāo)定。
  • 測(cè)量不確定性已知，并可以通過選擇傳感器型號(hào)來降低不確定性。
  • 利用高質(zhì)量傳感器(例如 HBM S9M 提供 0.02 精度) 來測(cè)量能夠提供分力測(cè)量的精度