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分力測量

發布時間:2023-09-22      點擊次數:1412

實際應用中的三種方法

采用力傳感器進行力測量具有很多優勢,例如,高精度。有時候,其在分力測量時具有優勢。特殊的傳感器,精確匹配應用,可用于這些情況。本文介紹了進行分力測量的三種方法。

標定后的傳感器提供在標定過程中測量的特性曲線  - 也就是加載力和輸出信號的比 - 可以非常容易產生,即使在現場安裝后。力傳感器必須安裝在力傳遞流中,并且沒有任何分力,這是先決條件。并且必須確保完整的力傳遞流通過傳感器進行測量。

這意味著力傳感器的特性 - 例如,硬度和動態性能 - 將影響整體設計. 另外,大量程的傳感器具有更大的結構。

另外,力測量可以通過結構的變形來進行測量,可以采用以下三種方法:

  • 應變片的安裝
  • 利用螺桿式應變傳感器, 其有時候內置了電路
  • 利用力墊圈, 其基于應變貨壓電技術

下表顯示了這些方法的劣勢和優勢

安裝應變片使用應變傳感器使用力墊圈

優勢
 

 
  • 適合用于高花絲結構,加載的力非常小情況
  • 要求空間非常小
 
 
  • 安裝方便,通過螺紋結構直接連接到結構中
  • 并聯數個傳感器能夠對對應變進行補償
  • 帶有儀表的傳感器可以在應用中直接標定
 
 
  • 用于螺栓測量
  • 高防護等級
  • 安裝方便
 
劣勢
 
 
  • 安裝 (焊接,接線盒保護層)
  • 分力測量中必須標定
 
 
  • 分力標定是必須的 (通過內置儀表方式可以減少工作量)
 
 
  • 必須對分力進行標定
 

采用應變片來測量

直接采用 應變片 測量力有多種優勢.

焊接應變片 (SG) 實際上對被測物體的結構沒有任何影響。 結構的硬度和動態特性將會保持不變。在對花絲結構測試時,應變片具有非常明顯的優勢,因為其變形時,只需要非常小的力。

安裝時需要使用全橋應變片,并且需要選擇能夠補償寄生負載(例如,彎矩或扭矩)的應變片。 此外,需要測量這些影響 [1], [2].

假設,沒有任何彎矩作用在被測物體的上, 全橋應變片是理想的選擇,你可以采用來自 HBM 的 VY41,安裝角度為 45 度。

輸出信號只和應變系數,應變層以及材料的泊松比有關; 其可以通過以下等式計算獲得:

U/U0測量橋路的輸出信號
k應變片的應變系數
ε應變片的應變層
μ泊松比

假設 20 MPa 的機械應變作用在鋼結構中,應變系數為 2, 應變測量結果為 100 μm/m,以上等式計算出的輸出結果為 0.13 mV/V 。

通過計算得出結果是采用這種方法的一大劣勢。

另外,應變片需要現場安裝,并需要保護層。 另外要使用黏合劑。

通過弱化部件強度將能提高測量橋路的輸出信號。但這將影響被測物體的強度,反過來說,將影響動態特性和穩定性。

利用應變傳感器測量力

應變傳感器可以被安裝在物體結構上。傳感器通過安裝在彈性體上的全橋應變片來進行測量的。

如圖顯示,這些應變傳感器帶有一個有機硅涂層,可以防潮,并提供機械保護

應變傳感器基于應變原理。安裝區域的應變將會大于螺紋連接間的應變值。

圖 3 顯示了 SLB 彈性體. 加載到傳感器的力需要加載到應變片的中心。因為,脫離中心區域剛度會顯著減少,應變可以采用以下等式計算得出:

Where:

εSG應變片的應變
εObject在螺紋之間的應變
lStrain sensor螺紋連接之間的距離
lStrain zone結構弱化區域的長度

假設應變區將不產生任何應變,當然嚴格來說,這是不正確的。應變傳感器的靈敏度可以通過應變區的長度和螺紋之間的距離比進行調節。原理上說,可以獲得非常高的靈敏度。但是在實際應用中,500 μm/m 的應變輸出信號能達到 1.5 mV/V。其靈敏度將比全橋應變片提高 230 % 。

組件的溫度膨脹可以通過采用合適的電路來進行補償。

另外, 內置電路的應變傳感器也可以在應用中進行標定,因此提供了非常高效的測量鏈。

不帶有電路的傳感器具有更高的阻抗,可以達到 700 Ω。這樣可以采用數個應變傳感器并聯使用,而無需極高的放大器供給電流。

我們假設兩個傳感器并聯,并安裝在同一高度,在彎矩負載下,其中一個具有更高的應變,另外一個應變較低。整體而言,只有拉伸和壓縮向的負載被測量。

SLB 應變傳感器采用螺絲安裝,只需要一個平臺表面,傳感器就可以立即使用了。

利用力墊圈來測量

力墊圈 可以基于應變或壓電技術,無論選擇何種原理:

力墊圈都采用螺栓和螺絲連接,因此,由于采用螺栓連接,其類似于彈性體,降低了系統的靈敏度。一般來說,大約 10% 的靈敏度將受到影響。因此,力墊圈不能在工廠進行標定。

為保證更好的重復性,需要進行預應力加載。力的峰值取決于額定力的大小 - 最高的彎矩往往發生在額定負載的 50 %. 因此,最佳的預應力應該采用額定負載的 50%,這同樣適用于  壓電力墊圈  [3].

力墊圈具有非常高的防護等級,因此可以立即使用;在這方面,其和應變傳感器具有同樣的優勢 。力墊圈,同樣具有非常好的靈敏度。并且和額定量程無關。

通過分力標定測量鏈

所有以上三種方法都需要在安裝后進行標定。這意味著必須在至少兩個一指點進行測量。傳感器的輸出信號被分配到力,由于傳感器的特性是線性的,但是由于其具有嚴格的錯誤限制,因此不能用于高精度測量。一般來說,兩點標定是足夠的。

內置儀表的傳感器遵循這個原理。但是標定只需要在零點和發送到儀表的控制脈沖進行測量即可完成。最大的力產生控制脈沖是必須的。然后儀表自動調整。零點是同樣的,并且不改變增益系數。

零點應變對應著1 V, 最大應變被轉換成 9 V, 輸出范圍被設置為 0 到 10 V,其中提供10 % 測量范圍用于過載和負應變。同時還提供 4...20 mA 的輸出信號。

分力測量: 結論

在分力測量中,有多種有用的方法。所有的方法都有一個共同點 - 影響結構的機械性能.

但是,應變或壓電力傳感器是第一選擇,其具有更高的精度:

  • 安裝后無需調整力傳感器, 因為傳感器已經在工廠進行了標定。在對分力進行測量時,一般都需要在被測物體上標定。
  • 測量不確定性已知,并可以通過選擇傳感器型號來降低不確定性。
  • 利用高質量傳感器(例如 HBM S9M 提供 0.02 精度) 來測量能夠提供分力測量的精度