基于绝对式准静态校准的测力传感器分析
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压力传感器现场静态标定分析摘要:本文旨在展示压力传感器的现场静态标定分析方法。
通过介绍不同类型压力传感器以及其原理,分析并讨论了现场静态标定的步骤,并就此提出了相应的解决方案。
最后,强调了正确的静态标定对传感器的重要性。
关键词:压力传感器,现场静态标定,步骤,解决方案正文:1. 绪论本文讨论现场静态标定分析的应用,以压力传感器为例。
首先介绍了不同类型的压力传感器,然后详细介绍了现场静态标定的一般步骤,并使用一个例子来阐述。
最后,提出了解决现场静态标定过程中可能遇到的问题的可行解决方案。
2. 压力传感器及其原理压力传感器是一种通过变化测量压力大小的设备,广泛应用于汽车行业、航空航天行业、制造行业、海洋行业等各个领域。
它通常有两种工作原理:负荷变化压力传感器和电气变化压力传感器。
前者是由流体的负荷变化引起的,当安装在压力容器或管道上时,检测其围界内的压力变化;而后者则是将电气变化与压力变化联系起来的,通过改变元件的物理特性来检测压力变化。
3. 现场静态标定步骤现场静态标定分析是检测压力传感器精度的关键测试环节,一般实施步骤如下:1) 检查传感器:查看传感器尺寸情况,检查安装紧固件是否规范,以确定传感器运行是否正常。
2) 调整零位和满量程:先将零位标定为零,然后将量程标定为上限值。
3) 进行压力曲线测量:根据实际情况,可以进行 10 个或 20个压力点的测量,分别记录传感器读数和实际压力值。
4) 绘制误差曲线:将测量出来的压力点按照压力值排序,绘制出传感器读数与实际压力值之间的误差曲线。
5) 结果分析:检查误差曲线,结合最大允许偏差值,判断标定结果是否满足质量要求。
4. 问题及解决方案在现场静态标定的过程中,会出现一些问题,如精度不高、测量时间过长等。
为了解决这些问题,可采用以下解决方案:1) 采用精度更高的设备,例如压力模拟器,可获得更精确的测量结果;2) 增加标定耗时,确保测量结果的准确性;3) 综合考虑测量场地温度等环境因素,加以考虑,以避免引起测量结果偏差。
一、 CVI 自主实验—传感器静态标定一、实验说明—虚拟传感器的静态标定测试系统的静态特性就是指当被测量x 不随时间变化或随时间的变化程度远缓慢于系统固有的最低阶运动模式的变化速度时,测试系统的输出量y 与输入量x 之间的函数关系,测试系统的静态特性,是通过静态标定的过程获得的。
本次实验要求标定的指标有四个:斜率,截距,均方差,线性度,重复性。
依次定义如下。
1、线性度一般情况下,要求传感器具有线性特性,但传感器的实际特性却是非线性的曲线,这种实际特性曲线与基准直线间的偏差称为非线性误差。
传感器的非线性误差指标通常用线性度表示,线性度的定义为:max.100%jL F SL e y =⨯式中:L e ——线性度(非线性误差)maxjL ——在整个测量范围内绝对值最大的非线性误差.F S y ——传感器的满量程输出值由上面定义可以知道,传感器的线性度是以基准直线为参考的,实际测量中采用的是最小二乘线性度。
2、重复性在相同的工作条件下,在一段短的时间间隔内,输入量从同一方向作满量程变化时,同一输入量值所对应的多次测量所得到的一组输出量值,他们之间相互偏离的程度便称为传感器的重复性。
当传感器在全量程范围内多次重复测试时,同是正行程或同时反行程上对应同一输入量,其输出量之间的差值称为重复性偏差。
正、反行程的重复性偏差分别为:()()()()()()max min maxminc c c j j j f f f jj j R y y R y y =-=-在全量程内,重复性偏差的绝对值的最大值与基准直线上满量程输出之比为重复性误差,定义如下:max.100%jR F SR e y =⨯虚拟传感器的标定数据存储为a.cld ,b.cld 两个文件中,选择b.cld 作为数据源。
其数据定义为结构体CalibrateData ,声明如下typedef struct CalibrateData {int inputnum; //输入测量点数double *input; //输入测量点的值,数据长度为inputnum char inputunit[10]; //输入物理量的单位 int roundnum; //测量的循环数 char outputunit[10]; //测量所得物理量的单位double *output; //测量的值,其排列顺序为:第一循环正行程, //第一循环反行程,第二循环正行程,//第二循环反行程,依次类推。
压力传感器静态特性校准1. 实验目的1.1 掌握压力传感器的原理1.2 掌握压力测量系统的组成1.3 掌握压力传感器静态校准实验和静态校准数据处理的一般方法2. 实验设备本实验系统由活塞式压力计,硅压阻式压力传感器,信号调理电路,5位半数字电压表,直流稳压电源和采样电阻组成。
实验系统框图如下图所示。
实验设备型号及精度3. 实验原理在实验中,活塞式压力计作为基准器,为压力传感器提供标准压力。
信号调理器为压力传感器提供恒电源,将压力传感器输出电压信号放大并转换为电流信号。
信号处理器输出为二线制4~20mA信号,在250 采样电阻上转换为1~5V 电压信号,由5位半数字电压表读出。
4. 实验操作4.1 操作步骤(1)用调整螺钉和水平仪将活塞压力计调至水平。
(2)核对砝码重量及个数,注意轻拿轻放。
(3)将活塞压力计的油杯针阀打开,逆时针转动手轮向手摇泵内抽油,抽满后,将油杯针阀关闭。
严禁未开油杯针阀时,用手轮抽油,以防破坏传感器。
(4)加载砝码至满量程,转动手轮使测量杆标记对齐,再卸压。
反复1-2次,以消除压力传感器内部的迟滞。
(5)卸压后,重复(3)并在油杯关闭前记录传感器的零点输出电压,记为正行程零点。
(6)按0.05Mpa的间隔,逐级给传感器加载至满量程,每加载一次,转动手轮使测量杆上的标记对齐,在电压表上读出每次加载的电压值。
(7)加压至满量程后,用手指轻轻按一下砝码中心点,施加一小扰动,稍后记录该电压值,记为反行程的满量程值。
此后逐级卸载,并在电压表读出相应的电压值。
(8)卸载完毕,将油杯针阀打开,记录反行程零点,一次循环测量结束。
(9)稍停1~2分钟,开始第二次循环,从(5)开始操作,共进行5次循环。
4.2 注意事项保持砝码干燥,轻拿轻放,防止摔碰。
轻旋手轮和针阀,防止用力过猛。
正、反行程中,要求保证压力的单调性,如遇压力不足或压力超值,应重新进行循环。
当活塞压力计测量系统的活塞升起是,请注意杆的标记线与两侧固定支架上的标记对齐,同时,用手轻轻旋动托盘,以保持约30转/分的旋转速度,用此消除静摩擦,此后方可进行读数。
力传感器的静态校准及测量不确定度评定发布时间:2021-04-28T10:15:41.667Z 来源:《基层建设》2020年第34期作者:陈亚华[导读] 摘要:杠杆式规格机械的运行原理时力传感器进行静态校准的重要依据,按照杆杠式规格机械的运行原理进行能够分析出力传感器在静态校准过程中所产生的问题,结合卷积原理进行测量不确定度评定,并对测量不确定度评定的来源进行分析,能否采用相应的校准方式进行力传感器精确程度的增加。
身份证号:32128219800611XXXX摘要:杠杆式规格机械的运行原理时力传感器进行静态校准的重要依据,按照杆杠式规格机械的运行原理进行能够分析出力传感器在静态校准过程中所产生的问题,结合卷积原理进行测量不确定度评定,并对测量不确定度评定的来源进行分析,能否采用相应的校准方式进行力传感器精确程度的增加。
关键词:力传感器;静态校准;测量不确定度评定1、力传感器阐述传感器是一种精确测量不确定度评定的装置,并且加工所测量到的信息属于转化为能够和该数据信息进行结合的机械装置,此类机械装置能够进行测量不确定度评定,在测量过程中实现信息数据交换与传输,针对信息传输过程中出现的问题进行专业性针对。
而力传感器则是传感器的一种分支,能够在适用范围内获得比传统通用传感器的测量范围更广,精确程度更高,加上在适用环境内部可以使其使用周期延长,较为简单的结构使得在力传感器的使用方面更加便捷,根据目前力传感器的使用信息数据得知,在力的测量与检测、称重行业以及管控系统方面都有着较为广泛的使用。
力传感器的工作原理是将所要测量力的物质,对其加入传感器的应变片,或者是其他能够测力物质,将上述物质的内部进行不同程度的力反应强弱进行判定,根据物质所反映出的物理特征数据进行对比,从而在测量电力线路上对力进行测量,得出精确数据的过程。
一般来说,力传感器也可以从力学性能方面进行解释,通过内部的力学结构形成力标准装置,产生校准规格力,从而获得精确力值,整体呈现出固定式标准装置,能够用于测量校准力仪与力感应器。
压力传感器的静态标定实验
一、实验目的要求
1、了解压力传感器静态标定的原理;
2、掌握压力传感器静态标定的方法;
3、确定压力传感器静态特性的参数。
二、实验基本原理
传感器的标定,就是通过实验建立传感器输入量和输出量之间的关系,同时也确定出不同使用条件下的误差关系。
压力传感器的静态标定,主要指通过一系列的标定曲线得到其静态特性指标:非线性、迟滞、重复性和精度等。
三、实验设备
活塞式压力计(型号:YS/YU-600型)、标准压力表(精度:0.4级,量程:0~10MPa)、被标定的压力传感器(型号:AF1800,量程:0~10MPa)、数字万用表、标准砝码、工作液体(蓖麻油)。
四、实验方法和要求
1、根据实验设备设计实验电路连线图,装配、检查各种仪器、传感器及压
力表。
2、检查实验电路及油路。
3、加载、卸载,注意数据变化,并记录。
压力表加载、卸载实验记录
压力传感器加载、卸载实验记录
4、分析、计算、处理实验数据,作出压力传感器的静态特性图,非线性、
迟滞、重复性。
5、用方和根法计算系统误差。
五、实验注意事项
1、每次加砝码时注意一定要放稳;
2、在正行程测量时,当压力由5MP增加到6MP需要更换大砝码时,一定
要将工作液体的压力值降低到1MP以下后才能进行更换操作;同样在
反行程测量时,压力由6MP降低到5MP需要更换小砝码时,也一定要
将工作液体的压力降低到1MP以下后才能进行更换操作。
3、实验数据应记录清楚、准确;
4、加减压操作时,注意正反行程的含义,不能反复进行调节。
1。
准静态实验是一种用于研究物质在缓慢变化过程中的性质和行为的实验方法。
其原理是通过控制实验条件,使物质的变化过程尽可能接近静态,从而可以更准确地测量和分析物质的性质和行为。
准静态实验的基本原理包括以下几个方面:
1. 控制变量:在准静态实验中,需要控制实验条件中的各种变量,如温度、压力、浓度等,以确保实验过程中的变化是缓慢而稳定的。
2. 缓慢变化:准静态实验中的变化过程需要尽可能缓慢,以避免由于快速变化引起的误差和不确定性。
3. 精确测量:准静态实验需要进行精确的测量,以确保实验结果的准确性和可靠性。
4. 数据分析:准静态实验得到的数据需要进行仔细的分析和处理,以提取出物质的性质和行为信息。
准静态实验的原理是基于物质的热力学性质和动力学行为的理论基础,通过控制实验条件和进行精确测量,可以更深入地了解物质的本质和行为,为科学研究和工程应用提供重要的参考和指导。
1-1衡量传感器静态特性的主要指标。
说明含义。
线性度——表征传感器输出-输入校准曲线与所选定的拟合直线之间的吻合(或偏离)程度的指标。
回差(滞后)—反应传感器在正(输入量增大)反(输入量减小)行程过程中输出-输入曲线的不重合程度。
重复性——衡量传感器在同一工作条件下,输入量按同一方向作全量程连续多次变动时,所得特性曲线间一致程度。
各条特性曲线越靠近,重复性越好。
灵敏度——传感器输出量增量与被测输入量增量之比。
分辨力——传感器在规定测量范围内所能检测出的被测输入量的最小变化量。
阀值——使传感器输出端产生可测变化量的最小被测输入量值,即零位附近的分辨力。
稳定性——即传感器在相当长时间内仍保持其性能的能力。
漂移——在一定时间间隔内,传感器输出量存在着与被测输入量无关的、不需要的变化。
静态误差(精度)——传感器在满量程内任一点输出值相对理论值的可能偏离(逼近)程度。
1-2计算传感器线性度的方法,差别。
理论直线法:以传感器的理论特性线作为拟合直线,与实际测试值无关。
端点直线法:以传感器校准曲线两端点间的连线作为拟合直线。
“最佳直线”法:以“最佳直线”作为拟合直线,该直线能保证传感器正反行程校准曲线对它的正负偏差相等并且最小。
这种方法的拟合精度最高。
最小二乘法:按最小二乘原理求取拟合直线,该直线能保证传感器校准数据的残差平方和最小。
1-3什么是传感器的静态特性和动态特性?为什么要分静和动?(1)静态特性:表示传感器在被测输入量各个值处于稳定状态时的输出-输入关系。
动态特性:反映传感器对于随时间变化的输入量的响应特性。
(2)由于传感器可能用来检测静态量(即输入量是不随时间变化的常量)、准静态量或动态量(即输入量是随时间变化的变量),于是对应于输入信号的性质,所以传感器的特性分为静态特性和动态特性。
Z-1 分析改善传感器性能的技术途径和措施。
(1)结构、材料与参数的合理选择(2)差动技术(3)平均技术(4)稳定性处理(5)屏蔽、隔离与干扰抑制(6)零示法、微差法与闭环技术(7)补偿、校正与“有源化”(8)集成化、智能化与信息融合2-1 金属应变计与半导体工作机理的异同?比较应变计各种灵敏系数概念的不同意义。
高压压电传感器静态与准静态校准方法研究狄长安;孟祥明;边鹏;孔德仁【摘要】Aiming at the differences between the static and quasi-static sensitivities of the high-pressure piezoelectric sensors in the chamber pressure measurement,the quantitative analysis was accomplished.The static and quasi-static calibrations to sensors (kistler 6215 )were made respectively by static pressure calibration device and hydraulic dynamics calibration device with drop hammer.The models about the two calibration methods were respectively established by least square methodfirstly.Then,the variance significance of two work models were analyzed by F test,and the confidence intervals of two regression lines were analyzed,and the change law of point sensitivity in two groups of calibration data were studied as well.The results show that the slopes of two regression lines are not the same at a confidence level of 0.05,and the quasi-static calibrations to sensors(6215)is more practical than static calibrations.%针对用于膛压测量的高压压电传感器静态与准静态工作曲线之间的差异展开了定量的分析,分别利用静态压力标定机及落锤液压动标装置对Kistler6215传感器进行了静态及准静态校准,采用最小二乘法分别建立了静态校准和准静态校准的工作模型;通过F检验法检验了2种工作模型方差的显著性,并对两条回归直线斜率的置信区间进行了分析,同时研究了2组标定数据的点灵敏度的变化情况。
无线传感器网络基于信号强度(rssi)校准集中定位技术摘要本文使用获得的信号强度为无线传感器网络提出了一种多跳定位技术。
提出的系统为了使静态/准静态无线传感器网络在不需要之前配置信息的前提下提供一个有效的自身定位的解决方案。
1、引言在无线传感器网络中定位是最重要和最值得研究的课题之一,因为它影响能量的消耗和路由协议。
根据标准可分类成大的著作。
其中一个定位的实际应用,通过电磁波的衰减或者覆盖发送器和接受器之间距离所需的时间,如果利用超声波,我们可以利用时间到达的差别来判断。
他能够扩展到其他音频信号。
另一种分类根据范围特征,它可以分成基于距离相关和基于非距离相关的定位技术。
而且我们也可以根据单跳和多跳的定位策略分类。
最后,我们能够分类成分布式和集中式定位系统。
虽然在没有一个仔细区域指定训练状态的rssi方法被证明在室内环境性能较差,在户外环境下他仍然是很多应用,尤其是定位,的最简便的解决方法。
当在户外测量条件下,他可能通过理论和实验测试后来提取信号衰减模型和选择一个简单的高斯圆形模型或者更复杂的经验模型。
在很多情况下模型并不合适,除非我们同时考虑到分布节点的独特环境特性。
本文我们为一个放置一些节点的典型环境提出一种实际的节点定位方法,网络的边界放置一些锚节点(他们的位置是已知的)。
在不同能量水平之间的节点交换的所有数据包的rssi值会收集起来,然后建立一个带有集中最小二乘法的距离模型。
距离模型根据选择最优近似家庭和规范接受能量的强度实现在线采集到的rssi值进行校准。
虽然在静态的wsn中在没有外部干扰的情况下rssi的分布式恒定的,我们提出一个当节点在一个固定范围变化时,可以容易扩展来进行位置更新的系统。
新的改进可以允许目标网络适合应用在节点缓慢运动的场合(准静态网络)。
我们的做法可归纳为一个不需要建立大量分布节点的实用自身定位系统一个可以校准rssi值的距离模型文章的结构,第2部分描述室外定位选择的框架;第3部分提出我们的能量衰减模型技术,第4部分介绍优化算法的表达式,第5部分给出mica2平台试验的结果。
实验一测试系统静态特性校准姓名学号自己写同组者:****一、实验目的1、掌握压力传感器的原理;2、掌握压力测量系统的组成;3、掌握压力传感器静态校准实验和静态校准数据处理的一般方法。
二、实验设备本实验系统由活塞式压力计,硅压阻式压力传感器,信号调理电路,5位半数字电压表,直流稳压电源和采样电阻组成。
图1-1实验系统方框图如下:实验设备型号及精度三、数据处理1、实验数据:2、拟合曲线:(1)所有输出平均校准曲线与拟合一阶线性直线如下3)最小二乘校准曲线:得a=1.0016,b=6.2334。
3、非线性度Lsξ:()max0.0042L y =, 3.3490Fsy =,()max0.0042100%100%0.125%3.3490LFsL y ξ=⨯=⨯=;4、迟滞误差Hξ:()max0.00144H y =,()max0.00144100%100%0.0215%2 3.34902HFsH y yξ=⨯=⨯=⨯;5、非线性迟滞LHξ()max0.00072LH y =∆,()max100%=0.0212%LHFSLH y yξ=⨯∆.6、重复性:标准偏差为:0.001252s ==; 重复性为:330.01252100%100%0.62%3.3490RFssyξ⨯=⨯=⨯=.7、总精度:综合考虑迟滞和重复性0.02%0.62%0.64%aHRξξξ=+=+=;四、实验总结通过这次实验,我基本认识了压力传感器系统的组成,加深了各种系统静态特性测试方法的理解,提高了动手能力,练习了Excel 在数据处理上的应用,有很大的收获。
力传感器校准精度模拟与实验分析赵延治;牛智;李贵涛;吴询;赵铁石【摘要】考虑力传感器实际使用条件与出厂检定条件的差异性,为准确校准并正确使用力传感器,文中根据力传感器的结构和工作原理,结合其实际使用工况,通过三维建模和CAE模拟,分别分析了力传感器安装预紧力、连接件结构、安装底座硬度对力传感器输出信号的影响.在此基础上,为验证数值模拟的正确性,用力标准机对力传感器进行校准实验,结合模拟及其校准实验结果,研究上述不同工况对力传感器各性能指标的影响.【期刊名称】《仪表技术与传感器》【年(卷),期】2014(000)011【总页数】4页(P15-17,20)【关键词】力传感器;数值模拟;校准;精度【作者】赵延治;牛智;李贵涛;吴询;赵铁石【作者单位】燕山大学河北省并联机器人与机电系统重点实验室,河北秦皇岛066004;先进锻压成型技术与科学教育部重点实验室(燕山大学),河北秦皇岛066004;燕山大学河北省并联机器人与机电系统重点实验室,河北秦皇岛066004;先进锻压成型技术与科学教育部重点实验室(燕山大学),河北秦皇岛066004;燕山大学河北省并联机器人与机电系统重点实验室,河北秦皇岛066004;先进锻压成型技术与科学教育部重点实验室(燕山大学),河北秦皇岛066004;燕山大学河北省并联机器人与机电系统重点实验室,河北秦皇岛066004;先进锻压成型技术与科学教育部重点实验室(燕山大学),河北秦皇岛066004;燕山大学河北省并联机器人与机电系统重点实验室,河北秦皇岛066004;先进锻压成型技术与科学教育部重点实验室(燕山大学),河北秦皇岛066004【正文语种】中文【中图分类】TB9310 引言目前高精度力传感器与测量仪表组成测力仪可以达到0.01级的测量精度[1],因此被广泛应用于力值测量、自动控制与检测、称重与多维测力等工程实践中。
力传感器检定周期根据其稳定性确定,一般不超过1年[2]。
冲击绝对法的力传感器灵敏度不确定度评定分析
韩晓萌;王振;尹思博;冯晟顺;王潇瑛
【期刊名称】《内燃机与配件》
【年(卷),期】2024()1
【摘要】为了评定冲击力校准装置下压电式力传感器动态灵敏度的不确定度,首先介绍了基于空气轴承悬浮支撑的水平式质量块冲击碰撞的校准模型。
然后通过激光绝对法复现加速度,进行了不同硬度的冲击头碰撞测试,最后对力传感器的动态灵敏度参数进行测量结果不确定度评定。
试验结果表明,基于激光绝对水平冲击法的力传感器灵敏度不确定度为U_(rel)=1.0%,(k=2),满足对动态力传感器的校准需求。
【总页数】3页(P106-108)
【作者】韩晓萌;王振;尹思博;冯晟顺;王潇瑛
【作者单位】上海市质量监督检验技术研究院
【正文语种】中文
【中图分类】TB936
【相关文献】
1.多轴向力传感器灵敏度校准不确定度的评定
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3.正弦力法动态力传感器灵敏度不确定度评定
4.振动传感器温度灵敏度校准不确定度评定
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一种冲击波压力传感器的准静态校准神经网络模型赵传荣;孔德仁;王胜强;商飞【摘要】According to the principle of quasi-static calibration of shock wave pressure sensors, the indirect comparative calibration accuracy depends on the accuracy of the fitting model for pressure versus height of drop-hammer.Here, the RBF neural network was used to set up a neural network model taking height of drop-hammer as input and shock wave pressure peak as output.Choosing a typical standard pressure sensor, the calibration test was performed in the range of 7-30 MPa.Through analyzing test samples, the results indicated that the maximum relative error of the neural network model''s prediction is not more than 0.04%, the accuracy of this model is one order of magnitude higher than those of the polynomial fitting model and the exponential fitting model;the uncertainty induced by the fitting model for pressure versus height of drop-hammer is an important component of the dynamic measurement uncertainty of shock wave pressure sensors;to build a neural network fitting model for shock wave pressure peak versus height of drop-hammer with a higher accuracy can lay a foundation for improving the measurement accuracy of shock wave pressure sensors.%由冲击波压力传感器准静态校准原理,间接比对式校准的精度取决于重锤的落高与压力拟合模型的精度,本文采用RBF神经网络建立了以落高为输入量、冲击波压力峰值为输出量的神经网络模型.选用典型标准压力传感器,在7~30 MPa量程范围开展校准实验;通过对测试样本进行分析,结果表明:该神经网络模型预测的最大相对误差不超过0.04%,比多项式拟合模型和指数拟合模型高一个数量级.落高与压力拟合模型引入的不确定度是构成冲击波压力传感器动态测量不确定度的一个重要分量,通过建立高精度的重锤落高与冲击波压力峰值神经网络拟合模型,为进一步提高冲击波压力传感器的测量精度奠定了基础.【期刊名称】《振动与冲击》【年(卷),期】2017(036)013【总页数】5页(P92-95,139)【关键词】冲击波压力传感器;RBF神经网络;准静态校准;拟合模型【作者】赵传荣;孔德仁;王胜强;商飞【作者单位】安徽工业大学电气与信息工程学院,安徽马鞍山 243032;南京理工大学机械工程学院,南京 210094;西安近代化学研究所,西安 710065;南京理工大学机械工程学院,南京 210094【正文语种】中文【中图分类】O385冲击波压力的大小是评价武器威力的一个重要指标,为定量地评定各类武器或爆炸器材的威力及计算爆炸释放能量与燃烧率,准确测量冲击波压力具有十分重要的意义。
㊀2019年㊀第5期仪表技术与传感器Instrument㊀Technique㊀and㊀Sensor2019㊀No.5㊀基金项目:沧州市重点研发计划指导项目(172104001)收稿日期:2018-07-11基于绝对式准静态校准的测力传感器分析陈㊀静1,孔德仁2,郭㊀彬1,张喜英1,顾廷炜2,陈金刚3(1.北京交通大学海滨学院电子与电气工程学院,河北黄骅㊀061100;2.南京理工大学机械工程学院,江苏南京㊀210094;3.黄骅市住房和城乡建设局,河北黄骅㊀061100)㊀㊀摘要:在详细探讨了利用落锤装置进行压力校准的多种途径的基础上,对于力监测压力的绝对式准静态校准方法,若采用制式产品的测力传感器通过螺栓连接的方式固定于落锤装置时,在测力过程中会受到摩擦力㊁预紧力和惯性力等影响㊂为了精确测量锤头撞击精密活塞杆时力的大小,根据目前装置的结构及设计要求,研制了锤头及敏感元件一体化的高精度应变式测力传感器并对其进行理论计算和仿真分析,通过试验进一步研究测力传感器的静态特性和动态特性,最终通过试验验证了其可行性㊂关键词:绝对式准静态校准;高精度应变式测力传感器;仿真分析;静态特性;动态特性中图分类号:TP212㊀㊀㊀文献标识码:A㊀㊀㊀文章编号:1002-1841(2019)05-0001-04AnalysesofForceSensorBasedonQuasi⁃staticAbsoluteCalibrationCHENJing1,KONGDe⁃ren2,GUOBin1,ZHANGXi⁃ying1,GUTing⁃wei2,CHENJin⁃gang3(1.SchoolofelectronicandElectricalEngineering,BeijingJiaotongUniversityHaibinCollege,Huanghua061100,China2.SchoolofMechanicalEngineering,NanjingUniversityofScienceandTechnology,Nanjing210094,China3.HuanghuaHousingSecurityandRealEstateManagementBureau,Huanghua061100,China)Abstract:Basedonthedetaileddiscussionaboutvariousmethodsforpressurecalibrationbydrophammerdevices,theusualmethodforquasi-staticabsolutecalibrationwaspressuremonitoredbyforce.Forthequasi-staticabsolutecalibration,ifthestand⁃ardforcetransducerswerefixedonthedrophammerdevicesbybolting,itwouldbeaffectedbyfriction,preloadandinertiaforceinevitably.Inordertogetanaccuratewaytomeasuretheforcewhenthehammerhitthepistonrod,thehighprecisionstraintypeforcetransducerthatthehammerwastreatedassensitiveelementwasdesignedthroughtheoreticalcalculationandsimulationa⁃nalysisaccordingtothecurrentstructureanddesignrequirements.Inaddition,thestaticanddynamicperformancewerestudied.Thefactthatitcanbeappliedtoquasi-staticabsolutecalibrationcanbeprovedbyexperiment.Keywords:quasi-staticabsolutecalibration;forcetransducerwithhighprecisionandstraintype;simulationanalysis;staticper⁃formance;dynamicperformance0㊀引言压电式压力测量系统具有固有频率高㊁动态特性好等优点,因而被广泛地应用于动态压力测试领域㊂然而,由于系统低频特性不够理想,若采用静态标定的方法对其进行校准时不可避免地会产生电荷泄漏和系统响应漂移等问题,导致获得的传感器灵敏度参数准确度不高,且静态标定加载时间过长会严重影响传感器的使用寿命;若采用激波管等动态标定的方法,由于阶跃压力的平台持续时间较短,因而无法对系统的低频特性进行校准,此外,激波管产生的压力幅值较低,无法实现高压传感器的动态校准[1]㊂因此,为了提高压电式压力测量系统的校准精度,可采用落锤液压动标装置对其进行准静态校准㊂该方法主要分为比对式和绝对式,前者采用的标准压力监测系统常选用多路价格昂贵的高精度压电式压力测量系统构成,虽然有着较高的校准精度,但试验成本很高,因而采用高精度的测力传感器来监测压力[2]㊂对于力监测压力的绝对式准静态校准方法,若采用螺栓连接的方式将力传感器固定在两个过渡件上,螺栓预紧力在一定程度上影响其测量精度,此外,由于锤头撞击活塞杆的过程中必然会受到惯性力的影响,导致测得的力与校准原理中活塞作用力F是有差异的,与此同时,试验过程中由于重锤组件与导向系统之间存在间隙,使得重锤打击中心与精密活塞杆中心不一致,导致偏心力矩的存在,而精密活塞杆与活㊀㊀㊀㊀㊀2㊀InstrumentTechniqueandSensorMay.2019㊀塞缸之间的摩擦力是和摩擦系数及弯矩产生的正压力成正比的,因此该摩擦力不可控[3]㊂基于以上分析,根据此安装结构按常规方法得到的力和压力的关系模型与真实情况不符,为了精确测量锤头撞击精密活塞杆时力的大小,需研制测力传感器,该传感器具备良好的动态特性和较高的精度,且结构上能适用于现有的落锤装置,具体设计要求如下:(1)锤头便于安装并能保证安装后打击活塞不偏心;(2)所测得的力量程应满足压电式压力电测系统的校准需求,准静态压力校准范围为0 1000MPa,活塞杆以1cm2面积作为指标考核值,则要求所设计的测力传感器量程包含0 100kN;(3)固有频率至少应高于压力脉冲信号有效频带的3 5倍以减小动态误差;(4)结构简单,易于加工并具有较好的抗弯能力㊂1㊀测力传感器的结构根据落锤装置的结构特点及测力传感器的设计要求,拟将测力传感器设计为与锤头一体,即将锤头作为弹性敏感元件,从而可不借助过渡件直接将传感器安装在现有锤体上,如图1所示㊂图1㊀传感器内部尺寸结构图传感器的敏感元件选用柱形结构形式,中间位置粘贴有多个应变片用来测量力的大小㊂粘贴方式如图2所示,选用同一批号且阻值均为120Ω的应变片粘贴在锤头圆柱部分的中间位置㊂为了尽可能消除锤头打击活塞偏心产生弯矩的影响,传感器的电桥电路实现如图3所示[4]㊂该电桥电路可以提高传感器的输出灵敏度,其中工作应变片在电路中用对臂的方式,而补偿应变片与工作应变片采用邻臂的方式接入电桥中,此种连接方法不但起到了温度补偿作用,还具有抵抗打击偏心产生的弯矩的能力㊂根据所选的锤头材料,结合应变片所测得的应变关系得到应力大小[5]㊂图2㊀应变片粘贴图㊀图3㊀电桥电路连接图测力传感器的整体结构及实物图如图4所示,其中底部加球头设计以减小锤头与活塞杆的接触面积,从而减小撞击过程中对锤头和活塞杆的磨损;上端加入轴向定位结构以保证重锤垂直打击活塞杆,减小偏心力矩;设计专用的保护罩对其进行防护,以免在试验过程中对应变片造成损伤导致测量结果有偏差㊂图4㊀传感器整体结构及实物图2㊀测力传感器的理论计算材料选用35CrMnSiA低合金超高强度钢[6],该材料强度较高,综合机械性能较好,是应变片式传感器尤其是大吨位传感器弹性体的理想材料,其理论分析计算如表1所示㊂由表中数据可知:(1)在测试范围内敏感元件的轴向应力σ<[σ]=1.275ˑ109Pa,符合强度要求;轴向应变ε<1000με能保证较好的线性及迟滞特性;(2)造压油缸内的压力信号波形呈半正弦型,若定义压力信号的归一化频谱密度由1下降至其2%处的频带作为有效带宽,则对于脉宽为3 12ms的理想㊀㊀㊀㊀㊀第5期陈静等:基于绝对式准静态校准的测力传感器分析3㊀㊀表1㊀传感器弹性元件理论计算结果轴向作用力F/kN轴向应力σ/106Pa轴向应变ε/μ固有频率f0/kHz抗弯刚度G/(N㊃m2)横向频率f1/Hz抗压临界力Fα/kN11.62408.202223.248116.404058.120241.01101016.24082.02212.37359741900.41416.82032.481164.0405081.202410.110100162.400820.220半正弦信号而言,其有效频带范围为113 454Hz[7]㊂根据以上分析可知,研制的专用测力传感器的固有频率远高于被测压力信号的有效频带,即测量系统的工作频带能够包容被测信号的有效频带,测量时的动态失真可以忽略不计,自研力传感器的动态特性满足准静态校准的要求㊂(3)抗压临界力远大于测力传感器量程范围内的最大值,说明测力传感器具有较好的抗弯能力㊂通过对测力传感器弹性元件进行理论计算可知,该传感器设计合理㊂3㊀测力传感器的仿真分析为了进一步验证力传感器的应力㊁应变均在合理范围之内,采用workbench14.5对传感器进行了仿真分析㊂按照力传感器的设计尺寸建立仿真模型,并选用Johnson⁃Cook模型作为35CrMnSiA材料的强度模型[8]㊂在测力传感器的中间位置选取一特征点,由表2中仿真结果可知,测力传感器的敏感元件在测试范围内的轴向应力小于其屈服应力,该传感器满足强度要求;由图5所示传测力传感器的模态分析结果可以发现传感器产生横向振型时对应的固有频率为f1=1890.5Hz,在竖直方向振动的固有频率为f6=12693Hz,由此可知,测力传感器的固有频率远高于被测压力信号的有效频带,测量时的动态失真可以忽略不计,该测力传感器的性能满足设计要求[9]㊂表2㊀传感器仿真结果(6ms)力载荷/kN应力/MPa应变/(10-4mm㊃mm-1)微应变10-16.412-0.8383.03920-32.837-1.66166.2250-82.172-4.16416.02100-166.47-8.43843.014㊀测力传感器静动态特性试验对测力传感器进行静态标定[10],结果如表3所图5㊀传感器模态分析结果示,所设计的测力传感器静态特性良好,满足试验要求㊂表3㊀传感器静态特性指标工作参数结果参考工作特性曲线y=0.0976x-0.8942线性度0.0115[YFS%]重复性0.0110[YFS%]迟滞0.0029[YFS%]总精度0.0162[YFS%]㊀㊀注:x为输入力值,N;y为系统输出值,放大倍数:10000,mV测力传感器动态校准试验方案如下:将测力传感器竖直放置在脆性材料上,脆性材料由置于底座的两支撑块支承,并施加力直至其断裂,如图6所示,在断裂瞬间测力传感器的输入信号为负阶跃力,通过对已知的输入信号和传感器的输出信号进行FFT运算获得其幅频特性曲线[11]㊂试验时,通过千斤顶向高速钢施加力直至其断裂,因此在高速钢断裂前测力传感器的输出信号呈阶梯状,断裂瞬间为负阶跃信号㊂如图7分别为系统响应原始信号(采样频率100kHz,采样时间5s)及截取原始信号中有效信号并将其转换成正阶跃信号后进行归一化处理得到的曲线㊂对力值测量系统的阶跃响应信号进行FFT运算获得图8所示幅频特性曲线,其在0 1kHz范围内为一条较平坦的直线,则有效频带上限为1kHz;在1 2kHz㊀㊀㊀㊀㊀4㊀InstrumentTechniqueandSensorMay.2019㊀(a)阶跃力发生器(b)动态校准系统图6㊀阶跃力发生器及传感器动态校准系统(a)系统响应原始信号(b)截取有效信号并进行归一化处理图7㊀力值测量系统阶跃响应曲线范围内有一共振峰,其产生的原因是由于阶跃力发生器在力传递过程中不能很好地与传感器轴线平行,导致所加载荷与传感器的轴线有一定的夹角,从而激发了测力传感器的横向振动频率;在12 13kHz范围内有一主共振峰,其对应的频率即为测力传感器的固有频率㊂根据以上分析可知,测力传感器的动态特性试验结果与上文中的理论计算和仿真分析结果相吻合,因此传感器的固有频率远高于被测信号的有效频带,其动态特性满足准静态校准的要求㊂图8㊀测力系统幅频特性曲线图5㊀结束语由理论计算㊁仿真分析及试验验证可知,采用该方案设计的测力传感器可用于压力传感器绝对校准中,并且可有效消除预紧力和惯性力对实验结果的影响㊂参考文献:[1]㊀张玉山,亓虎堂.压电式传感器的准静态校准[J].计量与测试技术,2009,36(1):33-34.[2]㊀狄长安,孟祥明,边鹏,等.高压压电传感器静态与准静态校准方法研究[J].弹道学报,2014,26(2):86-89.[3]㊀马晓利.轻便型准静态压力标定系统实验研究[D].南京:南京理工大学,2014.[4]㊀肖旸.基于电阻应变式传感器的测力系统[J].湖北第二师范学院学报,2010,27(2):92-96.[5]㊀李艳,李新娥,裴东兴.应变式压力传感器及其应用电路设计[J].计量与测试技术,2007,34(12):32-36.[6]㊀张卫群,刘效春.35CrMnSiA钢淬火工艺改进[J].热加工,2009(9):39-40.[7]㊀马晓利,李永新.基于加速度监测的落锤压力标定方法研究[J].计测技术,2013,33(4):26-29.[8]㊀范亚夫,段祝平.Johnson-Cook材料模型参数的试验[J].力学与实践,2003,25(5):40-43.[9]㊀郑艳玲.工程测试技术[M].北京:电子工业出版社,2011:52-54.[10]㊀王文龙,耿直,乔江辉,等.压力传感器静态校准方法改进[J].火箭推进,2012,38(3):80-84.[11]㊀孔德仁,狄长安,范启胜.塑性测压技术[M].北京:兵器工业出版社,2006:51-53.作者简介:陈静(1992 ),硕士,主要研究领域为测试计量技术及仪器㊂E⁃mail:c0819j@126.com孔德仁(1964 ),教授,博士生导师,主要研究领域为兵器动态参量测试㊂。