水下稱重傳感器的無砝碼標(biāo)定

邵龍?zhí)叮惓绯w濤

(1.大連理工大學(xué) 工程力學(xué)系，遼寧 大連116085;2.工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連116085)

0 引 言

對于一般普通稱重傳感器來說，用砝碼進(jìn)行標(biāo)定是最常規(guī)、最普通的方法，但是，在許多測力與稱重系統(tǒng)中，特別是一些大量程的稱重傳感器，往往不能進(jìn)行砝碼標(biāo)定(因?yàn)閹讎嵉綆装賴嵉捻来a是無法加載到傳感器上的)。而針對大量程的稱重傳感器，就必須使用無砝碼標(biāo)定的方法來進(jìn)行傳感器標(biāo)定［1］。在土工三軸試驗(yàn)中［2］，為了排除軸向加載桿與滑動軸承之間的摩擦，采用傳感器內(nèi)置的方法代替?zhèn)鹘y(tǒng)的量力環(huán)作為測量軸向力的工具，對量程為1t 的內(nèi)置水下測力傳感器，由于受工況和量程的限制，就必須采用無砝碼標(biāo)定的方法，而且還需探究圍壓對水下稱重傳感器精度的影響。

1 砝碼標(biāo)定方法與無砝碼標(biāo)定方法

以砝碼作為標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)定方法是傳統(tǒng)的稱重系統(tǒng)標(biāo)定方法。用砝碼進(jìn)行標(biāo)定的實(shí)質(zhì)是以合格的砝碼為基準(zhǔn)，對稱重傳感器進(jìn)行對比標(biāo)定的。但是，對于量程為1 t 的稱重傳感器，將1 t 的砝碼加載到實(shí)驗(yàn)機(jī)上存在較大的難度，而且砝碼重量累計為1 t 也存在著較大的誤差。

而無砝碼標(biāo)定系統(tǒng)是以高精度的傳感器為標(biāo)準(zhǔn)，用精度高的傳感器來標(biāo)定測力裝置。這時借助一個多功能加載機(jī)、標(biāo)準(zhǔn)傳感器和連接裝置，通過連接裝置把標(biāo)準(zhǔn)傳感器和被測系統(tǒng)線性疊加起來，根據(jù)牛頓第二定律，進(jìn)行對比標(biāo)定。

在進(jìn)行無砝碼標(biāo)定之前，先在實(shí)驗(yàn)室條件下對高精度標(biāo)準(zhǔn)傳感器進(jìn)行砝碼標(biāo)定檢驗(yàn)，標(biāo)定裝置如圖1 所示。

圖1 砝碼標(biāo)定裝置Fig 1 Device of weight calibration

實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有砝碼規(guī)格10，5.1 kg 若干，以砝碼的質(zhì)量為真值，計算標(biāo)準(zhǔn)傳感器示數(shù)與真值之間的誤差，其結(jié)果如表1所示。

表1 標(biāo)準(zhǔn)傳感器砝碼標(biāo)定誤差Tab 1 Weight calibration error of standard sensor

考慮到標(biāo)準(zhǔn)傳感器零漂的影響，該傳感器的量程為1t，在其小量程部分也具有較高的精度，因此，該傳感器可以用來作為水下稱重傳感器無砝碼標(biāo)定的標(biāo)準(zhǔn)傳感器。

2 水下稱重傳感器無砝碼標(biāo)定實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

標(biāo)定裝置由標(biāo)準(zhǔn)傳感器、二次儀表、加載裝置(包括滾珠絲杠、步進(jìn)電機(jī)、驅(qū)動器、運(yùn)動控制系統(tǒng)、水壓力發(fā)生器、加載桿、滑動軸承)，壓力室、承力部件(龍門架和承力梁)組成［3］。標(biāo)定時，將經(jīng)過放大后的水下稱重傳感器輸出電壓接到數(shù)據(jù)采集卡上，用VC++設(shè)計一個簡單的虛擬儀器用于讀取數(shù)據(jù)，編制了具有低通濾波功能的采樣子程序用于實(shí)時采集數(shù)據(jù)，以便進(jìn)行比較［4］。

2.1 對比標(biāo)定法

由于水下稱重傳感器在壓力室內(nèi)部，而標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值傳感器在壓力室外部，在標(biāo)定過程中，存在摩擦力的影響，所以，在正式的標(biāo)定前，采用對比標(biāo)定的方法排除摩擦力的影響。首先，要測量在無圍壓、無摩擦狀態(tài)下的水下稱重傳感器的精度，儀器裝置安裝如圖2 所示，此時，壓力室并不處于密閉狀態(tài)，圍壓與大氣連通，認(rèn)為是0 kPa。

圖2 無圍壓與無摩擦標(biāo)定狀態(tài)Fig 2 Calibrating status of no confining pressure and no friction

將量程為1 t 的水下稱重傳感器的量程平均分為10 段，然后啟動步進(jìn)電機(jī)，使步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動速率較高，為75 mm/min，當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)傳感器的顯示儀表接近所標(biāo)定的力值時，微調(diào)步進(jìn)電機(jī)，其加載速率較慢，為0.01 mm/min，使標(biāo)準(zhǔn)傳感器值達(dá)到標(biāo)定值，并使其穩(wěn)定于該值。為了減少誤差，實(shí)際測量中，每一級測量10 次，記錄下被標(biāo)定的水下稱重傳感器的輸出值。最后在數(shù)據(jù)處理時，用Matlab 對實(shí)驗(yàn)中所測的每一個點(diǎn)進(jìn)行最小二乘曲線擬合［5］，得到輸出電壓與質(zhì)量負(fù)載的關(guān)系。得到的曲線如圖3 所示，其擬合的方程為y=0.988 4 x+0.021 1。

圖3 無摩擦無圍壓擬合曲線Fig 3 Fitting curve of no friction and no confining pressure

將壓力室頂蓋帶有滑動軸承的部分安裝上，整個標(biāo)定系統(tǒng)如圖4 所示。

圖4 無圍壓有摩擦標(biāo)定狀態(tài)Fig 4 Calibrating status of no confining pressure but friction

再重新按之前的步驟對水下稱重傳感器進(jìn)行標(biāo)定，此時得到的曲線如圖5 所示，其曲線方程為y=1.014 7 x+0.002 1。

圖5 無圍壓有摩擦擬合曲線Fig 5 Fitting curve of no confining pressure but friction

對比圖3、圖4，可以得到兩條曲線在y 軸方向上的平均截距值，取平均截距值作為在加載過程中加載桿與滑動軸承之間的摩擦力。

2.2 在不同圍壓下對水下稱重傳感器的標(biāo)定

在土工三軸實(shí)驗(yàn)中，通常要測在不同圍壓條件下土體的應(yīng)變、應(yīng)力。因此，需要在不同圍壓條件下，對水下稱重傳感器進(jìn)行標(biāo)定。

首先，按照圖4 所示，安裝標(biāo)定裝置。其次，用多功能加載裝置自帶的水壓力發(fā)生器向壓力室中注水，并且使壓力室內(nèi)圍壓保持恒定。然后，再按照之前的方法逐級標(biāo)定水下稱重傳感器。在計算誤差時，標(biāo)準(zhǔn)傳感器的數(shù)值應(yīng)將2.1 中對比標(biāo)定法中得到的摩擦力值減掉，這樣得到的值與測量到的水下稱重傳感器的值進(jìn)行做差，得到誤差值。

用水壓力發(fā)生器改變圍壓值，分別在不同圍壓值的條件下，對水下稱重傳感器進(jìn)行標(biāo)定，并且比較在不同圍壓的條件下，水下稱重傳感器的精度差異。

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與分析

3.1 不同圍壓條件下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由圖6 可知，在不同圍壓條件下，標(biāo)定結(jié)果不完全相同，由表2 可知，曲線的系數(shù)并不完全等于1，而是在小數(shù)點(diǎn)后還有4 位，并且隨著圍壓的不斷變化，直線的斜率也在不斷的變化，所以，需要建立一個圍壓與擬合直線斜率的關(guān)系，如圖7 所示，擬合直線斜率的倒數(shù)是水下稱重傳感器的靈敏度。

圖6 不同圍壓條件下擬合曲線方程Fig 6 Fitting curve equations under different confining pressure conditions

表2 不同圍壓條件下擬合曲線方程Tab 2 Fitting curve equations under different confining pressure conditions

圖7 圍壓與擬合曲線斜率關(guān)系曲線Fig 7 Relationship curve of confining pressure and fitting curve slope

3.2 對傳感器進(jìn)行修正后的誤差

將虛擬儀器測得數(shù)據(jù)帶入擬合曲線方程，處理后的標(biāo)準(zhǔn)傳感器示數(shù)作為負(fù)載，計算出誤差，通過(計算負(fù)載—負(fù)載)/負(fù)載×100%得到誤差［6］，擬合后誤差與荷載關(guān)系曲線見圖8。

從表2 中可以看出:經(jīng)過對不同圍壓下傳感器示數(shù)的修正，修正后的結(jié)果誤差較小，精度大大提高。但是，在小量程時，由于傳感器零漂、回程誤差等問題的影響，誤差較大，所以，在實(shí)際使用過程中，應(yīng)使用量程位于傳感器總量程的70%左右。

圖8 擬合后誤差與荷載的關(guān)系曲線Fig 8 Relationship curves of fitting error and loads

3.3 標(biāo)定過程中應(yīng)注意的問題

對水下稱重傳感器進(jìn)行標(biāo)定的關(guān)鍵部件——標(biāo)準(zhǔn)傳感器。傳感器有17 項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)，要想每一項(xiàng)指標(biāo)都很高是很難做到的，而且成本很高，在實(shí)際選擇標(biāo)準(zhǔn)傳感器時應(yīng)選擇自振頻率越高越好，然后選擇重復(fù)性高、穩(wěn)定性高、溫漂小，蠕變小的傳感器［7］。綜上選擇精度為0.1%、量程為1 t 的數(shù)字拉壓傳感器。

其次，采用步進(jìn)電機(jī)帶動絲杠作為加載裝置，其最大的優(yōu)點(diǎn)在于，加載過程中位移不存在蠕變。但是在進(jìn)行逐級加載過程中，傳感器存在蠕變現(xiàn)象，尤其是加載力越大，蠕變現(xiàn)象越明顯，在數(shù)據(jù)處理時，對所讀數(shù)取平均值，將這種蠕變所帶來的誤差降到最小。

4 結(jié) 論

對水下稱重傳感器進(jìn)行無砝碼標(biāo)定，通過實(shí)驗(yàn)的測試，具有穩(wěn)定、高效、可靠的特點(diǎn)，通過多次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了系統(tǒng)的精度和準(zhǔn)確性，并且探究了圍壓對水壓稱重傳感器靈敏度的影響。隨著圍壓的增大，直線斜率逐漸增大，水下稱重傳感器的靈敏度越低。在進(jìn)行土工三軸實(shí)驗(yàn)中，為了得到更精確的結(jié)果，需要考慮圍壓對傳感器靈敏的影響。

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