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力传感器动态标定装置的研究 (天津工业大学计算机技术与自动化学院，天津 300160) 摘 要：文章提出了一种力传感器的动态标定装置，用 于动态加载情况下，对力传感器进行动态标定。该装置以 力矩电机作为动力源，通过滚珠丝杠传动和 2 级液压缸增 大推力，实现了便携式和微动力条件下的大负荷加载输出。 利用 ANSYS 有限元分析软件对所设计的结构进行了强度和 刚度分析，分析结果表明所提出的机械结构是合理可行的。 最后，还对该装置计算机数据采集及控制系统作了初步的 探讨。 关键词：力传感器；动态加载；动态标定 中图分类号：TP212.1 文献标识码：A 文章编号： 10076921(XX)08008203 人们对力值计量在相当长的一段时间里仅局限于静态 力值的计量。随着近代高精度测试仪器的发展，力值静态 计量的手段与方法己日趋完善，计量精度也在不断提高， 而对于动态力值则往往是以“静标动用”的方法进行，即 仅依据计量器具静态校准时的数据结果作为动态测试时的 依据。其结果是，在静态校准中精度很高的测试装置，在 动态测试中却可能出现极大的误差，致使整个测试装置在 动态情形下失去其可信性，且极易造成人们的错误判断。 随着科学的发展和技术的进步，人们涉足的领域越来越广， 对计量测试技术也不断提出新的要求。静态标定技术既然 已经不能完全满足工程应用的要求，动态力值计量问题便 越来越引起人们的重视。 针对力传感器来说，其静态标定技术已经比较成熟， 主要标定装置有测力砝码和拉压式测力计，但是从事力传 感器动态标定的研究还较少，目前还没有成熟的力传感器 动态标定装置。 1 力传感器动态标定装置的结构设计 1.1 设计要求 由于该装置的最终设计目的是在动态加载的情况下， 对不同测量范围的力传感器进行动态标定；并且，该装置 拟设计为便携式产品，固其外形尺寸和重量应以尽量小巧 为宜；另外，根据实际标定需要，该装置对系统的工作频 率和速度要求不高。综上所述，其具体设计要求为：可 以实现力的动态连续加载；对加载油缸的速度要求不高， 空行程时平动速度可低于 0.1m/s；拟定加载范围为 030 000N，因此机械结构必须有足够的强度和刚度。 1.2 总体方案设计 可选择的形式有机械式、液压式、气动式、电动式等。 考虑到加载力较大、同时结构设计尺寸要尽可能小巧，采 用液压式较为可行，此种方式传递的力大，尺寸相对较小 且便于控制。图 1、2 为装置的机械传动原理图： 740)this.width=740“ border=undefined 装置的机械传动工作原理如下：力矩电机通电工作， 驱使与之相连的滚珠丝杠转动，丝杠螺母做平动，带动小 内径液压缸活塞杆平动，工作腔体积变小，使液压油通过 油路进入大内径液压缸，随着油压变大，大内径液压缸的 活塞会产生平动，使与活塞杆相连的压头上下移动，以接 近或远离位于托座之上的被标定传感器及加载。滑动丝杠 上装有手轮，通过手轮转动，可以使丝杠转动并平动，从 而实现固定在丝杠顶端的托座上下平动。 该装置设计要求是加载力范围为 030 000N，则可选 用大内径液压缸的内径为 125mm，则在加载力 Fr=30000N 时，油压为： 740)this.width=740“ border=undefined 式中：m效率，=0.95 A活塞有效面积 P最大油压 小内径液压缸内径选为 32mm，则在 Fr=30000N 时，小 内径液压缸的产生的推力为： 740)this.width=740“ border=undefined 设滚珠丝杠的工作效率为 0.98，则滚珠丝杠此时产生 的推力为： 740)this.width=740“ border=undefined 以下计算取：F 丝杠=2200N 计算丝杠螺纹摩擦力矩： 740)this.width=740“ border=undefined 式中：导程角，=4.55 d0螺杆公称直径，d0=20mm 则力矩电机输出的连续堵转峰值转矩应满足： 740)this.width=740“ border=undefined 式中：1轴承效率，2=0.98 1连轴器效率，2=0.98 经过以上计算，装置各组成器件主要尺寸可知。考虑 到相互传动关系，并经过适当的排布，各器件最终组成了 一个完整的系统。至此，可经设计得到系统箱体。箱体外 形尺寸如图 3、4 所示： 740)this.width=740“ border=undefined 由上图可以看出，箱体高为 522mm，宽度最大处为 425mm，纵向尺寸为 299.4mm，从外形上可以满足便携性要 求。 2 结构的刚度与强度分析 通过 ANSYS 有限元分析软件对该装置进行结构分析， 计算加载力最大时箱体的刚度和强度，以满足设计要求， 且壁厚达到最小为优化目标。 箱体材料选用 ZG230450 铸钢，其弹性模量 E200GPa，泊松比 0.26，密度 7.8103kg/m3 ，屈服强度s 230MPa， 安全系数 n4，许用应力57.7MPa。 2.1 刚度分析 分析箱体结构即可知主要的变形发生在 Y 方向，故以 下给出了在加载力达到最大的情况下，箱体 Y 方向的变形 图及箱体变形图： 740)this.width=740“ border=undefined 由上图可看出 Y 方向最大变形量为 0.079 4mm；箱体变 形量最大为 0.119mm。这一结果可以满足箱体最大变形不超 0.9mm 的要求，故该箱体有足够的刚度。 2.2 强度分析 承受载荷时，箱体受力情况较复杂，以下为箱体应力 等效图： 740)this.width=740“ border=undefined 根据上图可知，载荷最大时，箱体应力最大值为 33.5MPa，小于所选用铸钢的许用应力，故该箱体有足够的 强度。 从以上分析可知，在现有尺寸和壁厚的状态下，加载 力达到最大时，箱体既不会发生刚度失效，也不会发生强 度失效，即箱体有足够的刚度和强度。 根据所选铸钢密度和箱体外形尺寸可得箱体总重为 39.9kg，从质量上满足了便携性要求。 3 控制系统组成 力传感器动态标定装置不仅可以进行动态标定，也可 以进行静态标定。各自的实现方法如下： 3.1 动态标定 标定时，在位于托座之上的待标定力传感器上方固联 一个标准力传感器，逐渐加载时，标准力传感器和待标定 力传感器均产生信号，DSP 采集到 2 个力传感器的信号，经 过处理得到各自的输出曲线。两曲线相比较即可初步判定 待标定力传感器的动态特性。 3.2 静态标定 标定时，根据所需加载力范围，将标定范围分为若干 段，按目标点从小到大或从大到小依次加载，标准力传感 器一经检测达到目标力值，即时将待标定力传感器检测到 的力值显示输出。以此，可得到 2 组数值，将其比较即可 判定待标定力传感器的静态特性。 系统的组成框图如下： 740)this.width=740“ border=undefined 该电路以 TMS320LF2407 为核心，输出的 PWM 信号经过 功放后驱动桥式 MOSFET 管开关电路实现力矩电机输出转矩 控制；系统通过 AD974 进行模数转换，将力传感器输出的 模拟信号转换为数字信号后，由 TMS320LF2407 进行数据处 理和显示输出。 4 结束语 力传感器动态标定装置的研制，既可有效解决力传感 器无法做动态标定的问题。又可实现力传感器的静态标定。 且整个标定过程自动实现，避免了人为操作误差，具有高 效、高精确度、易操作等特点。另外该装置配备液晶显示 屏幕，可将结果以数据表和曲线等多种形式输出，结果分 析简单、直观。 目前，力传感器的使用范围和使用数量越来越大，不 论是新传感器出厂前必须进行的标定试验，还是传感器使 用一段时间后的日常维护与检定，客观上都需要本装置。 由此，我们不难看出力传感器动态标定装置的巨大实用价 值和市场前景。 参考文献 1 Umeda A. and Ueda K. Study on the Dynamic Force-Acceleration Measurements Sensors and Actuator. 1990. 2 童剑，张跃明，王兆江.压力传感器自动校准及 数据处理系统.全国计量测试学术大会论文集，1998,11. 3 W.P.Earon; J.H.Smith .Characterization of a Surface Micromachining pressure Sensor Array， Micromachining and Microfabrication Symposium， Vol.2642，256264，Oct.1995 Ad67 users Manual(Analog Devices)，XX. 4 龚蓬.动态测量实时误差修正.博士学位论文， 合肥工业大学，1998. 5 动态测量技术.南京：南京理工大学出版社. 6 成志尧.动态