陳 靜，孔德仁，郭 彬，張喜英，顧廷煒，陳金剛

(1.北京交通大學(xué)海濱學(xué)院電子與電氣工程學(xué)院，河北黃驊 061100；2.南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇南京 210094；3.黃驊市住房和城鄉(xiāng)建設(shè)局，河北黃驊 061100)

0 引言

壓電式壓力測(cè)量系統(tǒng)具有固有頻率高、動(dòng)態(tài)特性好等優(yōu)點(diǎn)，因而被廣泛地應(yīng)用于動(dòng)態(tài)壓力測(cè)試領(lǐng)域。然而，由于系統(tǒng)低頻特性不夠理想，若采用靜態(tài)標(biāo)定的方法對(duì)其進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)不可避免地會(huì)產(chǎn)生電荷泄漏和系統(tǒng)響應(yīng)漂移等問(wèn)題，導(dǎo)致獲得的傳感器靈敏度參數(shù)準(zhǔn)確度不高，且靜態(tài)標(biāo)定加載時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)嚴(yán)重影響傳感器的使用壽命；若采用激波管等動(dòng)態(tài)標(biāo)定的方法，由于階躍壓力的平臺(tái)持續(xù)時(shí)間較短，因而無(wú)法對(duì)系統(tǒng)的低頻特性進(jìn)行校準(zhǔn)，此外，激波管產(chǎn)生的壓力幅值較低，無(wú)法實(shí)現(xiàn)高壓傳感器的動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)[1]。因此，為了提高壓電式壓力測(cè)量系統(tǒng)的校準(zhǔn)精度，可采用落錘液壓動(dòng)標(biāo)裝置對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)校準(zhǔn)。該方法主要分為比對(duì)式和絕對(duì)式，前者采用的標(biāo)準(zhǔn)壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)常選用多路價(jià)格昂貴的高精度壓電式壓力測(cè)量系統(tǒng)構(gòu)成，雖然有著較高的校準(zhǔn)精度，但試驗(yàn)成本很高，因而采用高精度的測(cè)力傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)壓力[2]。

對(duì)于力監(jiān)測(cè)壓力的絕對(duì)式準(zhǔn)靜態(tài)校準(zhǔn)方法，若采用螺栓連接的方式將力傳感器固定在兩個(gè)過(guò)渡件上，螺栓預(yù)緊力在一定程度上影響其測(cè)量精度，此外，由于錘頭撞擊活塞桿的過(guò)程中必然會(huì)受到慣性力的影響，導(dǎo)致測(cè)得的力與校準(zhǔn)原理中活塞作用力F是有差異的，與此同時(shí)，試驗(yàn)過(guò)程中由于重錘組件與導(dǎo)向系統(tǒng)之間存在間隙，使得重錘打擊中心與精密活塞桿中心不一致，導(dǎo)致偏心力矩的存在，而精密活塞桿與活塞缸之間的摩擦力是和摩擦系數(shù)及彎矩產(chǎn)生的正壓力成正比的，因此該摩擦力不可控[3]。基于以上分析，根據(jù)此安裝結(jié)構(gòu)按常規(guī)方法得到的力和壓力的關(guān)系模型與真實(shí)情況不符，為了精確測(cè)量錘頭撞擊精密活塞桿時(shí)力的大小，需研制測(cè)力傳感器，該傳感器具備良好的動(dòng)態(tài)特性和較高的精度，且結(jié)構(gòu)上能適用于現(xiàn)有的落錘裝置，具體設(shè)計(jì)要求如下：

(1)錘頭便于安裝并能保證安裝后打擊活塞不偏心；

(2)所測(cè)得的力量程應(yīng)滿足壓電式壓力電測(cè)系統(tǒng)的校準(zhǔn)需求，準(zhǔn)靜態(tài)壓力校準(zhǔn)范圍為 0～1 000 MPa，活塞桿以1 cm2面積作為指標(biāo)考核值，則要求所設(shè)計(jì)的測(cè)力傳感器量程包含 0～100 kN；

(3)固有頻率至少應(yīng)高于壓力脈沖信號(hào)有效頻帶的3～5倍以減小動(dòng)態(tài)誤差；

(4)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于加工并具有較好的抗彎能力。

1 測(cè)力傳感器的結(jié)構(gòu)

根據(jù)落錘裝置的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及測(cè)力傳感器的設(shè)計(jì)要求，擬將測(cè)力傳感器設(shè)計(jì)為與錘頭一體，即將錘頭作為彈性敏感元件，從而可不借助過(guò)渡件直接將傳感器安裝在現(xiàn)有錘體上，如圖1所示。

圖1 傳感器內(nèi)部尺寸結(jié)構(gòu)圖

傳感器的敏感元件選用柱形結(jié)構(gòu)形式，中間位置粘貼有多個(gè)應(yīng)變片用來(lái)測(cè)量力的大小。粘貼方式如圖2所示，選用同一批號(hào)且阻值均為120 Ω的應(yīng)變片粘貼在錘頭圓柱部分的中間位置。為了盡可能消除錘頭打擊活塞偏心產(chǎn)生彎矩的影響，傳感器的電橋電路實(shí)現(xiàn)如圖3所示[4]。該電橋電路可以提高傳感器的輸出靈敏度，其中工作應(yīng)變片在電路中用對(duì)臂的方式，而補(bǔ)償應(yīng)變片與工作應(yīng)變片采用鄰臂的方式接入電橋中，此種連接方法不但起到了溫度補(bǔ)償作用，還具有抵抗打擊偏心產(chǎn)生的彎矩的能力。根據(jù)所選的錘頭材料，結(jié)合應(yīng)變片所測(cè)得的應(yīng)變關(guān)系得到應(yīng)力大小[5]。

圖2 應(yīng)變片粘貼圖

圖3 電橋電路連接圖

測(cè)力傳感器的整體結(jié)構(gòu)及實(shí)物圖如圖4所示，其中底部加球頭設(shè)計(jì)以減小錘頭與活塞桿的接觸面積，從而減小撞擊過(guò)程中對(duì)錘頭和活塞桿的磨損；上端加入軸向定位結(jié)構(gòu)以保證重錘垂直打擊活塞桿，減小偏心力矩；設(shè)計(jì)專(zhuān)用的保護(hù)罩對(duì)其進(jìn)行防護(hù)，以免在試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)應(yīng)變片造成損傷導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果有偏差。

圖4 傳感器整體結(jié)構(gòu)及實(shí)物圖

2 測(cè)力傳感器的理論計(jì)算

材料選用35CrMnSiA低合金超高強(qiáng)度鋼[6]，該材料強(qiáng)度較高，綜合機(jī)械性能較好，是應(yīng)變片式傳感器尤其是大噸位傳感器彈性體的理想材料，其理論分析計(jì)算如表1所示。由表中數(shù)據(jù)可知：

(1)在測(cè)試范圍內(nèi)敏感元件的軸向應(yīng)力σ<[σ]=1.275×109Pa，符合強(qiáng)度要求；軸向應(yīng)變?chǔ)?1 000 με能保證較好的線性及遲滯特性；

(2)造壓油缸內(nèi)的壓力信號(hào)波形呈半正弦型，若定義壓力信號(hào)的歸一化頻譜密度由1下降至其 2%處的頻帶作為有效帶寬，則對(duì)于脈寬為3～12 ms的理想半正弦信號(hào)而言，其有效頻帶范圍為113～454 Hz[7]。根據(jù)以上分析可知，研制的專(zhuān)用測(cè)力傳感器的固有頻率遠(yuǎn)高于被測(cè)壓力信號(hào)的有效頻帶，即測(cè)量系統(tǒng)的工作頻帶能夠包容被測(cè)信號(hào)的有效頻帶，測(cè)量時(shí)的動(dòng)態(tài)失真可以忽略不計(jì)，自研力傳感器的動(dòng)態(tài)特性滿足準(zhǔn)靜態(tài)校準(zhǔn)的要求。

表1 傳感器彈性元件理論計(jì)算結(jié)果

(3)抗壓臨界力遠(yuǎn)大于測(cè)力傳感器量程范圍內(nèi)的最大值，說(shuō)明測(cè)力傳感器具有較好的抗彎能力。

通過(guò)對(duì)測(cè)力傳感器彈性元件進(jìn)行理論計(jì)算可知，該傳感器設(shè)計(jì)合理。

3 測(cè)力傳感器的仿真分析

為了進(jìn)一步驗(yàn)證力傳感器的應(yīng)力、應(yīng)變均在合理范圍之內(nèi)，采用 workbench14.5對(duì)傳感器進(jìn)行了仿真分析。按照力傳感器的設(shè)計(jì)尺寸建立仿真模型，并選用Johnson-Cook模型作為35CrMnSiA材料的強(qiáng)度模型[8]。在測(cè)力傳感器的中間位置選取一特征點(diǎn)，由表 2中仿真結(jié)果可知，測(cè)力傳感器的敏感元件在測(cè)試范圍內(nèi)的軸向應(yīng)力小于其屈服應(yīng)力，該傳感器滿足強(qiáng)度要求；由圖5所示傳測(cè)力傳感器的模態(tài)分析結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)傳感器產(chǎn)生橫向振型時(shí)對(duì)應(yīng)的固有頻率為f1=1 890.5 Hz ，在豎直方向振動(dòng)的固有頻率為f6=12 693 Hz ，由此可知，測(cè)力傳感器的固有頻率遠(yuǎn)高于被測(cè)壓力信號(hào)的有效頻帶，測(cè)量時(shí)的動(dòng)態(tài)失真可以忽略不計(jì)，該測(cè)力傳感器的性能滿足設(shè)計(jì)要求[9]。

表2 傳感器仿真結(jié)果( 6 ms)

圖5 傳感器模態(tài)分析結(jié)果

4 測(cè)力傳感器靜動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)

對(duì)測(cè)力傳感器進(jìn)行靜態(tài)標(biāo)定[10]，結(jié)果如表3所示，所設(shè)計(jì)的測(cè)力傳感器靜態(tài)特性良好，滿足試驗(yàn)要求。

表3 傳感器靜態(tài)特性指標(biāo)

注：x為輸入力值，N；y為系統(tǒng)輸出值，放大倍數(shù)：10 000，mV

測(cè)力傳感器動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)試驗(yàn)方案如下：將測(cè)力傳感器豎直放置在脆性材料上，脆性材料由置于底座的兩支撐塊支承，并施加力直至其斷裂，如圖6所示，在斷裂瞬間測(cè)力傳感器的輸入信號(hào)為負(fù)階躍力，通過(guò)對(duì)已知的輸入信號(hào)和傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行 FFT運(yùn)算獲得其幅頻特性曲線[11]。

試驗(yàn)時(shí)，通過(guò)千斤頂向高速鋼施加力直至其斷裂，因此在高速鋼斷裂前測(cè)力傳感器的輸出信號(hào)呈階梯狀，斷裂瞬間為負(fù)階躍信號(hào)。如圖7分別為系統(tǒng)響應(yīng)原始信號(hào)(采樣頻率100 kHz，采樣時(shí)間5 s)及截取原始信號(hào)中有效信號(hào)并將其轉(zhuǎn)換成正階躍信號(hào)后進(jìn)行歸一化處理得到的曲線。

(a)階躍力發(fā)生器

(b)動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)系統(tǒng)圖6 階躍力發(fā)生器及傳感器動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)系統(tǒng)

(a)系統(tǒng)響應(yīng)原始信號(hào)

(b)截取有效信號(hào)并進(jìn)行歸一化處理圖7 力值測(cè)量系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線

對(duì)力值測(cè)量系統(tǒng)的階躍響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行 FFT運(yùn)算獲得圖8所示幅頻特性曲線，其在 0～1 kHz范圍內(nèi)為一條較平坦的直線，則有效頻帶上限為1 kHz；在1～2 kHz范圍內(nèi)有一共振峰，其產(chǎn)生的原因是由于階躍力發(fā)生器在力傳遞過(guò)程中不能很好地與傳感器軸線平行，導(dǎo)致所加載荷與傳感器的軸線有一定的夾角，從而激發(fā)了測(cè)力傳感器的橫向振動(dòng)頻率；在12～13 kHz范圍內(nèi)有一主共振峰，其對(duì)應(yīng)的頻率即為測(cè)力傳感器的固有頻率。根據(jù)以上分析可知，測(cè)力傳感器的動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)結(jié)果與上文中的理論計(jì)算和仿真分析結(jié)果相吻合，因此傳感器的固有頻率遠(yuǎn)高于被測(cè)信號(hào)的有效頻帶，其動(dòng)態(tài)特性滿足準(zhǔn)靜態(tài)校準(zhǔn)的要求。

圖8 測(cè)力系統(tǒng)幅頻特性曲線圖

5 結(jié)束語(yǔ)

由理論計(jì)算、仿真分析及試驗(yàn)驗(yàn)證可知，采用該方案設(shè)計(jì)的測(cè)力傳感器可用于壓力傳感器絕對(duì)校準(zhǔn)中，并且可有效消除預(yù)緊力和慣性力對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。