曾利民　倪守忠

(浙江省計量科學研究院，杭州 310013)

0　引言

力傳感器動態(tài)特性測試很重要，建立動態(tài)力計量標準具有廣泛而深遠的意義。動態(tài)力分為穩(wěn)態(tài)激振力、瞬態(tài)負階躍力和脈沖(沖擊)力[1-4]，其中負階躍力是通過靜態(tài)加力使被加載結構產(chǎn)生初始變形突然卸荷而產(chǎn)生，其特點：一方面負階躍力靜態(tài)測量與加載控制方便，測量精度高，易于實現(xiàn)；另一方面被加載結構自由振動，頻率范圍寬。根據(jù)卸荷方式負階躍力計量標準分為：切斷(熔斷)式負階躍力校準裝置、氣(液)動助推負階躍力校準裝置與沖擊(落錘)式負階躍力校準裝置。本文對這三種裝置的基本結構、原理和適用范圍等進行分析，提出了負階躍力量值溯源的思路。

1　負階躍力計量標準裝置

國外英國物理研究所(NPL)、國內中航工業(yè)北京長城計量測試技術研究所(304所)和浙江大學等率先研制了負階躍力計量標準裝置。首先施力部件給力傳感器預加力，再通過卸荷部件實現(xiàn)力傳感器、卸荷部件間迅速脫離，從而力傳感器受力急劇變小直至為零。負階躍力校準裝置主要技術參數(shù)為激勵幅值和下降時間，前者決定校準多大量程的力傳感器，后者決定校準多寬頻帶的力傳感器[1,5]。

1.1　切斷(金屬熔斷)式負階躍力校準

負階躍力計量標準裝置早期采用電或機械方法在極短時間內突然切斷掛著砝碼的金屬絲，力傳感器突然卸載至零而受到負階躍力[1]。卸載力Funload、預加力Fload均為所掛砝碼重量；下降時間Δt通過階躍響應方法求得，具體從已測得的負階躍響應出發(fā)，假設為二階欠阻尼傳感器系統(tǒng)，通過微分付氏變換或差分最小二乘法求得力傳感器的傳遞函數(shù)，進而計算頻率響應，但由于力傳感器受力時有附加質量影響，從而增加了力傳感器動態(tài)特性測量難度。

1.2　氣(液)動助推負階躍力校準

氣(液)動助推負階躍力校準裝置由負階躍力源、動態(tài)力測量系統(tǒng)、計算機數(shù)據(jù)處理與波形記錄系統(tǒng)三部分組成，負階躍力源如圖1所示。

1.活塞缸體及支座 ；2.主推氣(液)接口；3.主推活塞；4.卸荷部件； 5.壓頭；6.助推活塞；7.支承塊；8.助推氣(液)接口；9.力傳感器；10.助推氣(液)室；11.主推氣(液)室

首先，通過主推氣(液)接口向主推氣(液)室加壓，推動基座、力傳感器、壓頭和助推系統(tǒng)加速運動，其作用力F1=P1S1，式中：F1為主推活塞推力；P1為加載氣壓；S1為主推活塞面積。作用力通過卸荷部件、壓頭傳遞到力傳感器，此時力傳感器的預加力按Fload=P1S1+G計算，式中：G為整個活塞、壓頭的重力。然后通過助推氣(液)接口向助推氣(液)室內供加壓，助推活塞產(chǎn)生的推力按F2=P2S2計算，式中：P2為助推氣壓；S2為助推活塞面積。由于通過助推活塞、卸荷部件反方向施加在壓頭上，可保證在卸荷部件斷裂過程中力傳感器的荷載力Fload保持不變。平衡后助推系統(tǒng)迅速起作用，壓頭迅速脫離力傳感器受力面，并保證力傳感器在反彈過程中能夠自由振蕩，此時卸荷部件的卸載力Funload=Fload+F2。當助推力施加到一定量值后卸荷部件斷裂激勵出力傳感器動態(tài)特性，力傳感器產(chǎn)生從預加力Fload到穩(wěn)定值的負階躍力激勵。通過數(shù)據(jù)采集、計算機系統(tǒng)模式識別可以獲得力傳感器傳遞函數(shù)，進而評價力傳感器動態(tài)特性，工作原理如圖2所示[5-6]。

圖2　負階躍力計量校準工作原理圖

負階躍力幅值、下降時間可用不同材質和規(guī)格的卸荷部件實現(xiàn)，通常鋼質卸荷部件斷裂時間小于30μs，可保證對自振頻率30kHz以下力傳感器動態(tài)性能評價；而陶瓷卸荷部件斷裂時間小于10μs，能保證對自振頻率100kHz以下力傳感器動態(tài)性能評價。

下降時間測量子系統(tǒng)是負階躍力計量標準裝置的重要組成部分，當卸荷部件未出現(xiàn)斷裂時波形記錄系統(tǒng)U1(粘貼于卸荷部件頂面細導線的電壓值)、U2(粘貼于卸荷部件底面細導線的電壓值)均為恒定值。隨著助推力增大，卸荷部件頂面細導線首先斷裂，波形記錄系統(tǒng)顯示從某個恒定值U1跳變到零；然后粘貼于卸荷部件底面細導線斷裂，波形顯示由另一恒定值U2跳變到零，如圖3所示[6]，從而可將頂面導線斷路至底面導線斷路的時間差當作卸荷部件實際斷裂時間，并認為是負階躍力下降時間Δt。通過一組相同規(guī)格陶瓷或鋼質卸荷部件的加荷斷裂時間測試，可以考查卸荷部件加荷斷裂時間情況，估計負階躍力下降時間。理論上斷裂時間為兩個跳變階躍下降起始點之間的時間差，它應該是修正了通道間延遲時間差后的測量結果，但在實際測量中兩個跳變階躍下降沿都有斜度，建議用卸荷部件50%恒定值U1、50%恒定值U2對應的實際斷裂時間差Δt表示。

圖3　卸荷部件斷裂時間差示意圖

1.3　沖擊(落錘)式負階躍力校準

基于落錘沖擊卸荷原理的負階躍力校準裝置工作原理如圖4所示，能產(chǎn)生下降時間短、幅值大的負階躍力。首先，由施力部件給力傳感器施加預加力，脆性材料制成的卸荷部件因受到支承塊作用而承受靜荷載；然后，落錘下落撞擊沖桿與支承塊對卸荷部件作用，當卸荷部件脆性破壞時沖桿與支承塊迅速向下運動，力傳感器受力迅速從預加力Fload卸荷至零[7]。

圖4　落錘沖擊卸荷原理的負階躍力發(fā)生裝置

為了使力傳感器受力很快變小直至為零，減小負階躍力下降時間，一要盡可能地增大落錘沖擊力，二要盡可能快地縮短卸荷時間。對于前者根據(jù)彈性碰撞理論，一是提高落錘與沖桿的撞擊速度，二是在應力允許的情況下優(yōu)先選擇高聲阻抗材料(如淬火彈簧鋼、模具鋼等)制作落錘和沖桿；對于后者可采用卸荷部件使支承塊所受向下的作用力迅速減小直至為零。一方面可用激光干涉法或加速度計法測量落錘質點的運動過程，進而對落錘質點加速度曲線進行躍變點分析可計算負階躍力下降時間；另一方面在卸荷部件頂、底面粘貼細導線測得卸荷部件斷裂時間差來分析負階躍力下降時間。

2　負階躍力計量溯源

負階躍力包含預加力、躍變過程。當下降時間Δt與自振頻率f滿足Δt<1/f時，便可認為力傳感器的階躍響應被激勵出來。在阻尼一定時振蕩頻率越高，下降時間、峰值時間越短，響應速度越快[6]。壓電式力傳感器響應局部受限振蕩，非受迫運動典型曲線如圖5所示，其特征：

1)在零時刻以恒力作用在力傳感器上，預加力Fload用靜態(tài)測量，易于實現(xiàn)；

2)信號歸零，下降時間(即力傳感器輸出的阻尼衰減振蕩過程中受力從預加力Fload第一次至穩(wěn)態(tài)值間差值的90%到其差值的10%所需時間)可通過卸荷部件斷裂時間差或落錘沖擊運動過程進行估計；

3)超調量明顯，第1波谷的谷值與穩(wěn)定值間有差異。

圖5　負階躍力時域曲線

國內外動態(tài)力計量溯源研究不多，我們結合力值計量器具檢定系統(tǒng)，根據(jù)負階躍力定義、測量方法及其應用提出了負階躍力計量校準等級序列[7]，Urel為負階躍力擴展測量不確定度，如圖6所示。負階躍力計量標準裝置可對標準測力系統(tǒng)進行量值傳遞，也可進行力傳感器和力測量系統(tǒng)進行動態(tài)性能校準；標準測力系統(tǒng)可對動態(tài)力設備或動態(tài)力試驗裝置進行校準，因而明確了負階躍力計量標準裝置向動態(tài)力工作計量器具進行量值傳遞的程序、測量不確定度及基本方法。

圖6　負階躍力計量校準等級序列(溯源圖)

負階躍力計量校準有其優(yōu)勢，可選取不同材質、規(guī)格的卸荷部件獲得不同幅值、下降時間(自振頻率)。負階躍力影響環(huán)節(jié)、影響因素少，其幅值無淪是切斷(熔斷)式、氣(液)動助推式還是沖擊(落錘)式負階躍力校準裝置都可按力值計量器具檢定系統(tǒng)表進行溯源；下降時間除采用階躍響應方法求得外，可測量落錘運動過程或卸荷部件斷裂過程進行估計。根據(jù)力傳感器階躍響應曲線可求出力傳感器的幅頻特性、相頻特性與自振頻率[7]，若力傳感器在不同幅值(如20%、50%、80%量程)階躍輸入信號激勵下自振頻率變化超過規(guī)定值，則可參照國家計量技術規(guī)范JJF 1053《負荷傳感器動態(tài)性能校準規(guī)范》判該力傳感器不適合動態(tài)使用。由于力傳感器負階躍響應給出的動態(tài)特性指標會因階躍響應引入附加噪聲，因而建議假設力傳感器為二階欠阻尼系統(tǒng)，通過微分付氏變換或差分最小二乘法擬合先求得力傳感器的傳遞函數(shù)，再計算力傳感器頻率響應。

3　結束語

幅值、下降時間(自振頻率)是負階躍力測量重要技術參數(shù)，一方面由于負階躍力激勵幅值采用靜態(tài)測量，卸荷部件承載力離散性大且不可控，激勵過程不能直接指示，另一方面由于安裝機架的劇烈振動會使負階躍力不能保持單調下降，并受附加質量影響在力傳感器上作用的下降時間要大于卸荷部件的斷裂時間，因而負階躍力計量校準方法有待進一步完善。另外，由于負階躍力幅值、下降時間之間相互矛盾，因而如何設計較為理想的卸荷部件是復現(xiàn)大力值寬頻帶負階躍力的關鍵，安裝條件、狀態(tài)也是影響校準結果的重要因素。為提高負階躍力測量準確度，可進一步研究如何建立振動模型和運動學方程進行關鍵技術分析。

[1]何聞.標準動態(tài)力發(fā)生裝置國內外研究現(xiàn)狀[J].機電工程,1999(2)

[2]孫橋，于梅.沖擊及瞬態(tài)沖擊力絕對法校準技術的研究現(xiàn)狀[J].工業(yè)計量,2005(1)

[3]張力.激光干涉法進行正弦力校準研究[J].計量學報,2005(5)

[4]孟峰，張躍，等.脈沖式動態(tài)力校準裝置發(fā)展動態(tài)[J].計量技術,2011(5)

[5]張訓文，肖躍華,等.100kN氣動助推式負階躍力校準裝置[J].測試技術學報,2004(18，增刊)

[6]梁志國，孟曉風,等.一種負階躍力源上升時間的評價[J].計測技術,2008(6)

[7]曾利民，倪守忠,等.動態(tài)(沖擊)力計量校準裝置研制[R].浙江省計量科學研究院.2011:44-45