艾兆春 劉漢冶 薛文瑞 李興華 公旭國

(黑龍江華安精益計(jì)量技術(shù)研究院有限公司，哈爾濱 150046)

1 引 言

金屬、非金屬和復(fù)合材料等各種結(jié)構(gòu)材料，在涉及的所有產(chǎn)品中，都會(huì)產(chǎn)生疲勞現(xiàn)象，而這種疲勞現(xiàn)象并不是單一的軸向力或單一的扭矩造成的，往往是由多種載荷共同作用的結(jié)果，測試這種復(fù)雜情況下的疲勞度需用拉扭疲勞試驗(yàn)機(jī)來完成。

拉扭疲勞試驗(yàn)機(jī)在工作時(shí)可以實(shí)現(xiàn)力值、扭矩兩個(gè)參數(shù)分別獨(dú)立操作，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了力值、扭矩兩個(gè)參數(shù)分別獨(dú)立的校準(zhǔn)，這種分參數(shù)的校準(zhǔn)方法是目前國內(nèi)所采用的通用方法。校準(zhǔn)時(shí)，先用標(biāo)準(zhǔn)測力儀單獨(dú)校準(zhǔn)靜態(tài)軸向力值參數(shù)，用標(biāo)準(zhǔn)扭矩儀單獨(dú)校準(zhǔn)靜態(tài)扭矩參數(shù)，再用動(dòng)態(tài)力校準(zhǔn)裝置進(jìn)行交變力的校準(zhǔn)，最后用動(dòng)態(tài)扭矩校準(zhǔn)裝置進(jìn)行交變扭矩的校準(zhǔn)[1]。

分參數(shù)校準(zhǔn)的方法具有測量準(zhǔn)確性高的優(yōu)點(diǎn)，但在試驗(yàn)工作時(shí)通常是力值參數(shù)和扭矩參數(shù)同時(shí)輸出。分參數(shù)校準(zhǔn)具有很大的局限性，當(dāng)校準(zhǔn)力值參數(shù)時(shí)，扭矩參數(shù)的準(zhǔn)確與否得不到有效判斷；當(dāng)校準(zhǔn)扭矩參數(shù)時(shí)，力值參數(shù)的準(zhǔn)確性得不到有效判斷，分參數(shù)校準(zhǔn)不能同時(shí)反映兩個(gè)參數(shù)的準(zhǔn)確性。因此設(shè)計(jì)力值、扭矩多分量傳感器，研究力值、扭矩參數(shù)同步校準(zhǔn)技術(shù)是十分必要的。

2 力值、扭矩多分量傳感器的設(shè)計(jì)

2.1 彈性結(jié)構(gòu)的選擇

彈性體是感受力和扭矩的主要元件，它是傳感器的重要組成部分，彈性體的結(jié)構(gòu)形式多樣，常用的結(jié)構(gòu)有梁式、環(huán)式、輪輻式和柱式四種[4]，從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上我們選取輪輻式結(jié)構(gòu)，其優(yōu)點(diǎn)是：①具有良好的自然線性。因?yàn)樵诩虞d時(shí)，輪輻的截面尺寸變化小，可以忽略不計(jì)，這就避免由于尺寸變化產(chǎn)生誤差。同時(shí)又由于采取了等臂全橋線路，這就消除了由于加工不對(duì)稱所造成的誤差；②由于它按剪切力作用原理而設(shè)計(jì)，所以載荷作用點(diǎn)位置的準(zhǔn)確度對(duì)傳感器的準(zhǔn)確度影響不大；③具有良好的對(duì)稱性，它可以經(jīng)受住大的偏心和側(cè)向力，適合同時(shí)承載拉力和扭矩載荷；④具有扁平的外形，它在載荷作用下變形小，因此可以提高拉力和扭矩參數(shù)之間的抗干擾能力；⑤由于傳感器設(shè)計(jì)成一個(gè)整體結(jié)構(gòu)，因此熱膨脹各方向一致，所以在全橋等臂橋路中可以得到很好的補(bǔ)償。

2.2 傳感器的接橋方式

基于力或扭矩對(duì)應(yīng)變梁的作用分析可知，對(duì)于一個(gè)力參量或扭矩參量，其作用線與梁軸線正交，所產(chǎn)生的正應(yīng)力和剪切應(yīng)力的最大值會(huì)位于應(yīng)變梁的不同位置。圖1中所示的傳感器彈性體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)其正應(yīng)力最大值位于遠(yuǎn)離中性層的上下表面，并且此處的剪切應(yīng)力為零。剪切應(yīng)力的最大值位于中性層上，而此處的正應(yīng)力為零。所以我們選擇遠(yuǎn)離中性層的上表面作為軸向力的敏感單元，選擇中性層根部作為扭矩參量的敏感單元。傳感器的結(jié)構(gòu)及各個(gè)方向測量的應(yīng)變片粘貼方式如圖1所示。

圖1 傳感器的結(jié)構(gòu)及各個(gè)方向應(yīng)變片粘貼方式示意圖Fig.1 Schematic diagram of sensor structure and strain gauge paste

傳感器在每根橫梁上都貼有4個(gè)應(yīng)變片，共有16個(gè)應(yīng)變片，組成2個(gè)電橋，共有2路輸出信號(hào)，測量電路全部采用直流對(duì)稱全橋測量電路，供橋電壓設(shè)計(jì)皆為10V。其中，軸向力參數(shù)(Z方向)通過四根橫梁上表面粘貼的1，2，3，4，5，6，7，8八個(gè)應(yīng)變片來測量，其中：2，3，5，8是正應(yīng)變，1，4，6，7是負(fù)應(yīng)變，組成的電橋電路如圖2(a)所示。扭矩參數(shù)(M)通過粘貼在四根橫梁側(cè)面根部的11，12，13，14，15，16，17，18八個(gè)應(yīng)變片來測量，其中11，14，16，17是正應(yīng)變，12，13，15，18是負(fù)應(yīng)變，組成的電橋電路如圖2(b)所示。

(a) 軸向力電橋電路 (b)扭矩電橋電路 (a) Axial force bridge circuit (b) Torque bridge circuit圖2 傳感器電橋電路Fig.2 Bridge circuit of the sensor

2.3 傳感器材料的選擇

為了獲得傳感器良好的線性、小的蠕變及滯后，彈性體通常選用強(qiáng)度比較高的合金結(jié)構(gòu)鋼。目前國內(nèi)普遍采用40CrNiMoA作為各種測力傳感器的材料，這種材料性能穩(wěn)定，價(jià)格較低廉，由于有鉻鎳共存，不但具有良好的機(jī)械性能，而且由于鉬的存在，可以防止高溫回火時(shí)的脆性，具有良好的淬滲性。有研究資料表明，鉻在鋼中的含量大約為1%時(shí)，對(duì)鋼在回火過程中阻止軟化具有一定的作用，鉬在鋼中的含量大約為1%時(shí)，比鉻和鎳更提高淬滲性，還能提高鋼的強(qiáng)度和抗蠕變性。綜上所述，我們采用40CrNiMoA作為感器彈性體的材料。

3 數(shù)據(jù)采集單元的設(shè)計(jì)

拉扭疲勞試驗(yàn)機(jī)同步校準(zhǔn)數(shù)據(jù)采集單元原理方框圖如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)采集單元原理框圖Fig.3 Schematic diagram of the date acquisition unit

單片機(jī)是數(shù)據(jù)采集環(huán)節(jié)中的關(guān)鍵，本項(xiàng)目需要同時(shí)采集力值和轉(zhuǎn)速2個(gè)參數(shù)，測量通道數(shù)量至少為2個(gè)，我們選用愛特梅爾公司(ATMEL)的AT89S51單片機(jī)，這種單片機(jī)所帶資源足夠滿足本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的要求。

目前，便攜式計(jì)算機(jī)配備的高速接口一般有以太網(wǎng)接口、IEEE-1394接口和通用串行總線(USB)接口。USB2.0的傳輸速度超過了IEEE-1394接口的400Mbps,達(dá)到了480Mbps，且USB接口具有使用方便、低成本、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。綜合上訴分析，本項(xiàng)目采用USB2.0接口進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。

數(shù)據(jù)采集單元正常工作需提供一個(gè)5V電源,與此同時(shí)還需要一個(gè)高精度的10V電源作為傳感器的激勵(lì)電源。USB接口通過PC機(jī)能夠提供兩種功率的電源，一是由低功率USB端口提供的電源為4.4V～5.25V、電流為100mA；二是由高功率USB端口提供的電源為4.75V～5.25V、電流為500mA。我們采用升壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器將USB接口電壓升壓至10V，作為傳感器激勵(lì)電源，再通過降壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器將電壓降至5V，作為數(shù)據(jù)采集的電源輸入。電路圖如圖4所示。

圖4 升壓、降壓電路圖Fig.4 Schematic diagram of the boost and buck

4 力值、扭矩兩參數(shù)同步校準(zhǔn)技術(shù)研究

由于力值、扭矩多分量傳感器要同時(shí)承受軸向載荷和扭轉(zhuǎn)載荷，傳感器在受軸向載荷時(shí)，傳感器彈性體會(huì)產(chǎn)生軸向拉伸，彈性體在軸向方向上會(huì)發(fā)生一定的彈性形變，軸向彈性形變會(huì)對(duì)彈性體的扭矩敏感區(qū)產(chǎn)生影響，使得在沒有施加任何扭矩載荷的情況下，形成扭矩參數(shù)輸出。同理，力值、扭矩多分量傳感器在受扭轉(zhuǎn)載荷時(shí)，傳感器彈性體會(huì)發(fā)生扭轉(zhuǎn)形變，彈性體在軸向方向會(huì)發(fā)生受扭縮短形變，軸向形變會(huì)對(duì)彈性體的軸向敏感區(qū)產(chǎn)生影響，使得在沒有施加任何軸向力的情況下，形成軸向載荷輸出。傳感器的力值和扭矩參數(shù)是相互影響的，并且這種影響不可能完全消除。

有研究表明，拉扭傳感器拉、扭參數(shù)的相互影響量主要是相互的零點(diǎn)耦合誤差，零點(diǎn)耦合誤差大約為±1%F.S左右(見表1)，因此兩者的相互影響因素應(yīng)進(jìn)行消除，才能保證裝置測量的準(zhǔn)確可靠。

表1 拉力、扭矩方向相互影響量

Tab.1 Mutual influence quantity of the pull direction and torque direction

對(duì)于力值、扭矩兩個(gè)參數(shù)影響量的消除可以用力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)對(duì)力值、扭矩多分量傳感器的力參量進(jìn)行單向標(biāo)定，獲得傳感器力參量在不同測量點(diǎn)的輸出值，同時(shí)可以在扭矩輸出端獲得相應(yīng)的零點(diǎn)耦合誤差值。這些相應(yīng)的零點(diǎn)耦合誤差值基本上呈現(xiàn)線性關(guān)系，根據(jù)具體的測量數(shù)據(jù)可以用最小二乘法擬合成一條零點(diǎn)耦合誤差修正曲線，這條曲線對(duì)于拉扭傳感器而言是系統(tǒng)誤差。對(duì)于扭矩參量來說，均可以用修正曲線將扭矩零點(diǎn)輸出值進(jìn)行修正。因此，零點(diǎn)耦合誤差可以通過軟件進(jìn)行修正，修正后的影響量可以達(dá)到±0.5%以內(nèi)。

同理，我們可以用標(biāo)準(zhǔn)扭矩機(jī)對(duì)拉扭傳感器的扭矩參量進(jìn)行單向標(biāo)定，同時(shí)監(jiān)測力參量的零點(diǎn)耦合誤差，通過試驗(yàn)獲得的修正曲線，完成對(duì)力參量零點(diǎn)耦合誤差的修正。

5 結(jié)束語

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展，對(duì)計(jì)量測試技術(shù)也提出了更高的要求，多參數(shù)同步測量技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用。通過力值、扭矩多分量傳感器、數(shù)據(jù)采集單元以及零點(diǎn)耦合誤差的修正，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)拉扭疲勞試驗(yàn)機(jī)同步校準(zhǔn)，從而解決以往分參數(shù)校準(zhǔn)的不足，具有很好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

[1] JJG 556-2011軸向加力疲勞試驗(yàn)機(jī)檢定規(guī)程[S].北京：中國質(zhì)檢出版社，2011.

[2] 錢小琳,韓煒紅，梁素珍.傳感器貼片表面化學(xué)處理工藝的研究[C].2000年全國力學(xué)量傳感器及測試、計(jì)量學(xué)術(shù)交流會(huì)論文集，2000：170～173

[3] 郭宏偉，孫賀欣.基于無線傳輸技術(shù)的測力裝置[J].傳感器技術(shù),2004，23(9):52～54.