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：1007—6921(2007)08—0082—03
      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：①可以实现力的动态连续加载；②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；③拟定加载范围为0～30 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：
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      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0～30 000N，则可选用大内径液压缸的内径为125mm，则在加载力Fr=30000N时，油压为：

式中：η_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F_r=30000N时，小内径液压缸的产生的推力为：

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      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：

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      以下计算取：F_丝杠=2200N
      计算丝杠螺纹摩擦力矩：

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式中：λ—导程角，λ=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：

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式中：η₁—轴承效率，η₂=0.98
η₁—连轴器效率，η₂=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：

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      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ZG230－450铸钢，其弹性模量E＝200GPa，泊松比μ＝0.26，密度ρ＝7.8×103kg/m3，屈服强度［σ］s＝230MPa，安全系数n＝4，许用应力［σ］＝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：

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      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：

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      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（一般是指传感器的量程）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：

      该电路 相关热词搜索： 标定 传感器 装置 动态 研究