秦海峰

(中航工業(yè)北京長(zhǎng)城計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所，北京100095)

0 引言

多分量力測(cè)量?jī)x器目前廣泛應(yīng)用于航空、航天及車輛等的制造和測(cè)試領(lǐng)域。目前常見(jiàn)的應(yīng)用有飛行器、車輛等的整機(jī)、關(guān)鍵部件以及配套設(shè)備，如發(fā)動(dòng)機(jī)、輪轂以及試驗(yàn)用假人等的受力狀況測(cè)試及分析中。由于多分量力的測(cè)試能更真實(shí)地反映和更全面地分析實(shí)際受力狀態(tài)，因此其應(yīng)用也逐漸增多并愈來(lái)愈顯現(xiàn)出了其重要性。最大或最關(guān)注的力分量作為主分量。當(dāng)選擇垂向力Fz 作為主分量時(shí)，三個(gè)力矩分量也可稱為一個(gè)繞z 軸的扭矩Mz 和兩個(gè)分別繞x 軸與y 軸的彎矩Mx與My。

圖1 力值矢量分解圖

1 多分量力

力是一個(gè)同時(shí)具有大小和方向的物理量，對(duì)空間任一力矢量，在擇定的三維坐標(biāo)系中最多可以被分解為六個(gè)分量，見(jiàn)圖1，即三個(gè)力值分量Fz，F(xiàn)x，F(xiàn)y 和三個(gè)力矩分量Mz，Mx，My。

六個(gè)力或力矩分量在特定的應(yīng)用場(chǎng)合下，可能有不同的定義方式。通常我們會(huì)把三個(gè)力值分量中量值

2 多分量力測(cè)試技術(shù)

多分量力測(cè)試技術(shù)是指用多分量力測(cè)量?jī)x器對(duì)力矢量進(jìn)行測(cè)試和解算的技術(shù)。在實(shí)際工程應(yīng)用中，能同時(shí)測(cè)試兩個(gè)及以上力或力矩分量的場(chǎng)合即可稱為多分量力測(cè)試。

多分量力測(cè)量?jī)x器一般包括多分量力傳感器或多分量測(cè)力儀是可用于同時(shí)感受多個(gè)分量力或力矩，并將感受到的力或力矩轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏啃盘?hào)的測(cè)量器具。由于設(shè)計(jì)思路和使用場(chǎng)合有所不同，多分量力測(cè)量?jī)x器的分量情況和量程范圍也會(huì)有所不同，其結(jié)構(gòu)形式也是多種多樣的。多分量力傳感器按照結(jié)構(gòu)組成特點(diǎn)，也可分為單體式和組合式兩種多分量力傳感器。多分量力傳感器與測(cè)量?jī)x表配套使用組成多分量測(cè)力儀，或多個(gè)多分量力傳感器與其它輔助構(gòu)件以及數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)配套使用形成更為復(fù)雜的多分量力測(cè)試系統(tǒng)，如圖2所示。

圖2 多分量力測(cè)試系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖

2.1 單體式多分量力傳感器

單體式多分量力傳感器是用一個(gè)或一組敏感元件同時(shí)感受并測(cè)量多個(gè)力值(力矩)分量的傳感器。目前常用的敏感元件有電阻應(yīng)變式和壓電晶體式兩種類型，電阻應(yīng)變式結(jié)構(gòu)的力傳感器具有準(zhǔn)確度高、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)適應(yīng)性好等特點(diǎn)，壓電晶體結(jié)構(gòu)的力傳感器具有體積小、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好、工作溫度范圍寬等特點(diǎn)。

中航工業(yè)北京長(zhǎng)城計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所(簡(jiǎn)稱中航工業(yè)計(jì)量所)研制了單體式電阻應(yīng)變式結(jié)構(gòu)的多分量力傳感器，傳感器的彈性體為薄筒式結(jié)構(gòu)，在其筒壁周圍均勻布置了一圈電阻應(yīng)變片用于感受彈性體的變形。如圖3所示是該傳感器的電阻應(yīng)變片周向布置圖。此類傳感器的各分量信號(hào)之間必然存在不同程度的耦合現(xiàn)象。要想達(dá)到較高的測(cè)量準(zhǔn)確度，必須要通過(guò)多種方法來(lái)進(jìn)行解耦，盡量減小各分量之間的耦合影響。對(duì)于電阻應(yīng)變式多分量力傳感器，在彈性體設(shè)計(jì)、應(yīng)變片靈敏系數(shù)的一致性、貼片位置、組橋方法等方面必須進(jìn)行技術(shù)設(shè)計(jì)，盡量抵消其相互影響，在滿足結(jié)構(gòu)工藝設(shè)計(jì)要求的基礎(chǔ)上，再通過(guò)建立和求解各分量輸出關(guān)系的擬合方程，用軟件的方法消除分量之間的耦合，從而達(dá)到較理想的解耦效果。

圖3 筒式彈性體的應(yīng)變片周向布置圖

對(duì)于敏感元件為壓電晶體的單體式多分量力傳感器，其基本的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一般是在傳感器內(nèi)部布置分別對(duì)不同方向的力敏感的多層壓電晶體薄片，受力之后這些晶體薄片分別產(chǎn)生并輸出對(duì)應(yīng)于各分量的電荷信號(hào)。在壓電晶體式多分量力傳感器的生產(chǎn)過(guò)程中，敏感元件的切割工藝、裝配工藝以及布置方式等是保證較高的測(cè)量準(zhǔn)確度所需要滿足的技術(shù)條件。圖4 是瑞士KISTLER 公司給出的壓電晶體結(jié)構(gòu)的三分量力傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。三對(duì)壓電晶體薄片分別用于感受x，y 和z 方向的力并分別輸出三個(gè)力值分量Fx，F(xiàn)y和Fz 對(duì)應(yīng)的電荷信號(hào)。

圖4 一種應(yīng)變式多分量力傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理圖

2.2 組合式多分量力傳感器

組合式多分量力傳感器是指由多個(gè)力傳感器分別感受不同的力值或力矩分量，并經(jīng)過(guò)對(duì)測(cè)量信號(hào)的組合或計(jì)算后得出力矢量的各個(gè)分量的傳感器。這類傳感器根據(jù)應(yīng)用需要，也會(huì)被設(shè)計(jì)為不同的結(jié)構(gòu)原理和特點(diǎn)，其通常也有由電阻應(yīng)變式力傳感器組合而成的組合式多分量力傳感器和由壓電晶體式力傳感器組合而成的組合式多分量力傳感器兩類。

中航工業(yè)計(jì)量所研制了組合式電阻應(yīng)變?cè)淼牧至苛鞲衅鳎瑐鞲衅鳛橛闪鶄€(gè)單軸向力傳感器組合而成，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理如圖5所示。圖中傳感器V1，V2和V3用于測(cè)量軸向力和彎矩，傳感器O1，O2和O3用于測(cè)量側(cè)向力和扭矩，其中三個(gè)力矩分量需要用各傳感器布置位置與圓心的距離(力臂長(zhǎng)度)以及各自所感受的力的大小和方向進(jìn)行解算得到。

圖5 一種應(yīng)變式六分量力傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理圖

組合式壓電晶體原理的多分量力傳感器，有時(shí)也稱為多分量力測(cè)試平臺(tái)。多分量力測(cè)試平臺(tái)的基本結(jié)構(gòu)一般是由多個(gè)壓電晶體式單分量或三分量力傳感器組合而成。以瑞士KISTLER 公司生產(chǎn)的9255C 型多分量力測(cè)試平臺(tái)為例，其組合結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示，可以看到平臺(tái)中裝配了四個(gè)三分量力傳感器。按照安裝情況，對(duì)四個(gè)三分量力傳感器的測(cè)試信號(hào)進(jìn)行合成和解算即可得到所測(cè)的力矢量的六個(gè)分量信號(hào)。測(cè)得的三個(gè)力值信號(hào)分別為四個(gè)三分量力傳感器測(cè)得的相應(yīng)方向力矢量的疊加，三個(gè)力矩信號(hào)則是相關(guān)方向力矢量與力臂乘積的疊加。在對(duì)力值信號(hào)進(jìn)行疊加計(jì)算時(shí)必須考慮不同位置傳感器的受力方向，并正確應(yīng)用“+”和“-”符號(hào)。

圖6 9255C 型多分量力測(cè)試平臺(tái)結(jié)構(gòu)原理圖

3 多分量測(cè)力儀及多分量力傳感器的校準(zhǔn)方法

在國(guó)外，多分量測(cè)力儀及多分量力傳感器的生產(chǎn)廠家一般都有適用于其產(chǎn)品出廠檢驗(yàn)的校準(zhǔn)方法，但大多沒(méi)有對(duì)外公布。經(jīng)了解，目前各實(shí)驗(yàn)室或廠家基本是參考ISO376-2011《金屬材料——單軸試驗(yàn)機(jī)檢驗(yàn)用標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力儀的標(biāo)準(zhǔn)》(一個(gè)針對(duì)拉壓向測(cè)力儀進(jìn)行單分量校準(zhǔn)時(shí)依據(jù)的規(guī)范性文件)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)來(lái)制定各自的校準(zhǔn)方法。事實(shí)上，生產(chǎn)廠家對(duì)相關(guān)產(chǎn)品進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)，除各分量的獨(dú)立校準(zhǔn)以外，還會(huì)有多分量力的組合校準(zhǔn)，一般都會(huì)給出各分量的技術(shù)參數(shù)指標(biāo)和相互間的耦合誤差指標(biāo)。

國(guó)內(nèi)針對(duì)多分量測(cè)力儀和多分量力傳感器目前已發(fā)布的校準(zhǔn)規(guī)范為JJF(軍工)20-2012《多分量測(cè)力儀校準(zhǔn)規(guī)范》。該規(guī)范適用于力值分量不大于500 kN、力矩分量不大于10 kNm 的多分量測(cè)力儀和多分量力傳感器的校準(zhǔn)，包含了應(yīng)變式和壓電晶體式結(jié)構(gòu)的多分量測(cè)量?jī)x器的校準(zhǔn)方法。規(guī)范中規(guī)定的校準(zhǔn)項(xiàng)目包含了各分量獨(dú)立校準(zhǔn)和各分量組合校準(zhǔn)兩方面的內(nèi)容，并給出了各分量的技術(shù)指標(biāo)和分量之間耦合誤差的校準(zhǔn)程序和計(jì)算方法。該規(guī)范對(duì)目前常見(jiàn)的多分量力測(cè)試儀器的校準(zhǔn)具有指導(dǎo)性意義。

為了保證該校準(zhǔn)規(guī)范技術(shù)內(nèi)容的科學(xué)性、適用性和可操作性，在其起草的過(guò)程中，調(diào)研分析了國(guó)家現(xiàn)行有效的四個(gè)相關(guān)的計(jì)量檢定規(guī)程，并參考了部分指標(biāo)參數(shù)的選取和校準(zhǔn)方法等內(nèi)容。

JJG 144-2007《標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力儀檢定規(guī)程》中規(guī)定的示值誤差、回零誤差等技術(shù)指標(biāo)對(duì)于多分量測(cè)力儀的單分量獨(dú)立校準(zhǔn)的技術(shù)指標(biāo)選取具有參考意義。但由于多分量測(cè)力儀常常用引用誤差來(lái)進(jìn)行各項(xiàng)指標(biāo)的評(píng)價(jià)，與標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力儀的評(píng)價(jià)方法又有較大差異。

JJG 391-2009《力傳感器檢定規(guī)程》中規(guī)定的重復(fù)性、直線性、輸出靈敏度等部分技術(shù)指標(biāo)及校準(zhǔn)方法與多分量力傳感器的單分量獨(dú)立校準(zhǔn)時(shí)具有相似之處。

JJG 455-2000《工作測(cè)力儀檢定規(guī)程》中對(duì)于示值誤差、重復(fù)性等技術(shù)指標(biāo)采用了引用誤差來(lái)進(jìn)行評(píng)價(jià)，更符合多分量測(cè)力儀主要技術(shù)指標(biāo)的評(píng)價(jià)需求。

JJG 632-1989《動(dòng)態(tài)力傳感器檢定規(guī)程》中對(duì)于壓電晶體結(jié)構(gòu)的多分量力傳感器進(jìn)行單分量獨(dú)立校準(zhǔn)時(shí)，在各分量的輸出電荷靈敏度的計(jì)算等方面，具有一定參考意義。

為了滿足多分量測(cè)量?jī)x器的校準(zhǔn)需要，在綜合以上四個(gè)檢定規(guī)程的部分技術(shù)內(nèi)容的基礎(chǔ)上，增加多分量測(cè)量?jī)x器的耦合誤差這一關(guān)鍵指標(biāo)的相關(guān)內(nèi)容，編制了JJF(軍工)20-2012《多分量測(cè)力儀校準(zhǔn)規(guī)范》。其中耦合誤差部分主要參考了各生產(chǎn)廠家給出的指標(biāo)參數(shù)及其計(jì)算方法。由于對(duì)多分量測(cè)力儀和多分量力傳感器的計(jì)量特性和評(píng)價(jià)方法差異不是很大，因此該規(guī)范把二者同時(shí)包含在內(nèi)，以便于規(guī)范的引用和執(zhí)行。

4 多分量力校準(zhǔn)裝置

針對(duì)不同結(jié)構(gòu)和測(cè)量范圍的多分量力測(cè)量?jī)x器，需要合適的校準(zhǔn)裝置和校準(zhǔn)方法來(lái)實(shí)現(xiàn)其校準(zhǔn)。

目前德國(guó)、瑞士、美國(guó)等國(guó)家的技術(shù)機(jī)構(gòu)都開(kāi)展了多分量力校準(zhǔn)技術(shù)的研究，如德國(guó)PTB、德國(guó)GTM公司以及瑞士KISTLER 公司等，均針對(duì)多分量力的校準(zhǔn)需求，建立了相應(yīng)的多分量力校準(zhǔn)裝置。近二十年來(lái)，我國(guó)在多分量力校準(zhǔn)方面也進(jìn)行了持續(xù)的研究，如中航工業(yè)計(jì)量所于1998年左右研制的六分量力校準(zhǔn)裝置和近幾年研制的兩分量力校準(zhǔn)裝置、大量程多分量力校準(zhǔn)裝置等。

針對(duì)不同的校準(zhǔn)對(duì)象，多分量力校準(zhǔn)裝置的量程和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也各有不同。以下將介紹五種類型的可用于對(duì)多分量力測(cè)量?jī)x器進(jìn)行校準(zhǔn)的校準(zhǔn)裝置。

第一種是力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)或扭矩標(biāo)準(zhǔn)機(jī)。這類裝置可對(duì)各個(gè)分量分別加載并進(jìn)行靜態(tài)校準(zhǔn)。這種校準(zhǔn)方式需要事先設(shè)計(jì)加工相應(yīng)結(jié)構(gòu)形式的工裝夾具，在校準(zhǔn)不同分量時(shí)，常常還需要更換工裝的安裝方位或更換不同的工裝。如圖7所示的是某型多分量力測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行單分量獨(dú)立校準(zhǔn)時(shí)部分分量的校準(zhǔn)工裝和加載方式示意圖。這種校準(zhǔn)方法準(zhǔn)備工作比較繁瑣，且無(wú)法進(jìn)行各分量輸出靈敏度之間的串?dāng)_，因此有比較大的局限性。

圖7 單分量獨(dú)立校準(zhǔn)校準(zhǔn)工裝及加載方式示意

第二種是可實(shí)現(xiàn)兩分量或三分量力獨(dú)立或組合連續(xù)加載的疊加式校準(zhǔn)裝置，簡(jiǎn)稱疊加式兩分量或三分量力校準(zhǔn)裝置。此類裝置可進(jìn)行各分量的獨(dú)立校準(zhǔn)和多分量(兩分量或三分量)的同步組合校準(zhǔn)，如圖8所示為北京長(zhǎng)城計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所研制的一套兩分量力校準(zhǔn)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。此類裝置通常采用與標(biāo)準(zhǔn)力傳感器串接比較的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)力值的加載和控制，在鉛垂方向(Z 向)和側(cè)向(單X 向或X 向與Y 向)分別設(shè)計(jì)合適量程的加載力源，同時(shí)串接標(biāo)準(zhǔn)力傳感器，通過(guò)輔助裝置將不同位置和方向的力同步協(xié)調(diào)加載到固定在工作臺(tái)上的被校多分量力傳感器上，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)被校多分量力傳感器的單分量、兩分量或三分量校準(zhǔn)。力值加載通過(guò)電機(jī)拖動(dòng)絲杠或液壓缸塞系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，不同方位的力通過(guò)不同方向的加載系統(tǒng)和標(biāo)準(zhǔn)力傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)進(jìn)行力矩分量的校準(zhǔn)時(shí)，可通過(guò)在偏離多分量力傳感器中心一定距離的位置上施加力值的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。

圖8 多分量力分別加載的校準(zhǔn)裝置主機(jī)結(jié)構(gòu)原理示意圖

第三種是靜重式六分量力校準(zhǔn)裝置。此類裝置能夠?qū)崿F(xiàn)六分量力分別或組合加載的靜態(tài)校準(zhǔn)，如圖9所示為北京長(zhǎng)城計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所研制的一套靜重式六分量力校準(zhǔn)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，該裝置主分量的測(cè)量范圍為5 ～300 kN，側(cè)向力分量最大為2 kN，扭矩分量最大為200 Nm?？梢钥闯觯ㄟ^(guò)采用合理可靠的耦合或解耦結(jié)構(gòu)件，此類校準(zhǔn)裝置可以實(shí)現(xiàn)較低的測(cè)量不確定度。但是，由于加載方式的限制，相對(duì)來(lái)說(shuō)，除主分量力(鉛垂方向)之外，其余各分量(尤其是側(cè)向力和扭矩分量)的量程都較窄，且各分量均不能實(shí)現(xiàn)連續(xù)加載，不能滿足壓電晶體結(jié)構(gòu)的力傳感器的動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)(或力值連續(xù)加載)的需求。

第四種是多分量力組合校準(zhǔn)裝置。此類裝置的結(jié)構(gòu)示意如圖10所示，裝置的安裝板用于固定被校多分量力傳感器，各加載器中串接的標(biāo)準(zhǔn)力傳感器用于測(cè)量和控制該加載器輸出力值的大小，通過(guò)對(duì)各加載器的協(xié)調(diào)控制，實(shí)現(xiàn)力矢量的直接輸出加載。通過(guò)對(duì)各加載器的加載位置、力的方向和力的大小進(jìn)行合成計(jì)算可得到加載到安裝板上力矢量的大小和方向。此類裝置常被用于輪轂力傳感器的校準(zhǔn)場(chǎng)合。由于其設(shè)計(jì)、加工、裝配以及控制的難度較大，影響因素相對(duì)較多，因此其輸出量值測(cè)量不確定度的控制難度也很大。

圖9 靜重式六分量力校準(zhǔn)裝置

圖10 多分量力組合加載校準(zhǔn)裝置原理示意圖

第五種是可實(shí)現(xiàn)六分量力獨(dú)立或組合連續(xù)加載的校準(zhǔn)裝置，簡(jiǎn)稱為疊加式六分量力校準(zhǔn)裝置。此類裝置可進(jìn)行各分量的獨(dú)立校準(zhǔn)和六分量力的同步組合校準(zhǔn)。圖11 為中航工業(yè)計(jì)量所研制的疊加式六分量力校準(zhǔn)裝置示意圖，與前述第二種校準(zhǔn)裝置相比，此類裝置的加載點(diǎn)更多，在一個(gè)加載面上的合適位置分布有多個(gè)配有標(biāo)準(zhǔn)力傳感器的加載器，這樣就可以同時(shí)在六個(gè)或六個(gè)以上的位置進(jìn)行加載，從而實(shí)現(xiàn)力矢量更多分量的同步加載和校準(zhǔn)。這類裝置在進(jìn)行力矩分量的校準(zhǔn)時(shí)，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)方向的力的加載，所以需要根據(jù)實(shí)際需要，通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行力值的抵消，或者通過(guò)校準(zhǔn)程式的設(shè)計(jì)來(lái)進(jìn)行力值的累加計(jì)算。

圖11 疊加式六分量力校準(zhǔn)裝置主機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

綜上所述，這五種校準(zhǔn)裝置的加載方式和應(yīng)用情況各有不同，其校準(zhǔn)能力和特點(diǎn)如表1所示。

5 結(jié)束語(yǔ)

由于多分量力測(cè)量?jī)x器的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，目前開(kāi)展這方面研究的單位也在逐漸增多，對(duì)其應(yīng)用和校準(zhǔn)方面的研究工作也已經(jīng)越來(lái)越深入，并取得了一定的成果。通過(guò)開(kāi)展多分量力測(cè)量?jī)x器和校準(zhǔn)裝置持續(xù)不斷的應(yīng)用研究，也將積累更多的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)數(shù)據(jù)，并不斷發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，解決問(wèn)題，從而實(shí)現(xiàn)多分量力測(cè)試和校準(zhǔn)技術(shù)水平的進(jìn)一步提升。

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［6］國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.JJG391-2009 力傳感器國(guó)家計(jì)量檢定規(guī)程［S］.北京:中國(guó)計(jì)量出版社，2009.

［7］國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.JJG455-2000 工作測(cè)力儀國(guó)家計(jì)量檢定規(guī)程［S］.北京:中國(guó)計(jì)量出版社，2000.

［8］國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.JJG632-1989 動(dòng)態(tài)力傳感器國(guó)家計(jì)量檢定規(guī)程［S］.北京:中國(guó)計(jì)量出版社，1989.