應變力傳感器性能對于推力測量影響研究

劉永錄，秦海峰

(中航工業北京長城計量測試技術研究所，北京100095)

0 引言

對發動機試車臺中配套的推力測量系統一般由力傳感器和測量儀表(或專用數據采集及處理系統)組成，總稱推力測量系統。推力測量系統的技術特性直接影響推力測量的準確度。推力測量系統中力傳感器是敏感元件，所以對推力測量系統的評定中將主要對力傳感器的特性進行評價。

力傳感器裝配于試車臺架中，處于試車間的工作環境之下，此環境隨著氣候、試車對象以及安裝狀態的變化，將表現出不同的技術特性。這些技術特性主要包括在不同的工作環境溫度下測量系統的靈敏度、抗側向力性能等等。因此，應對其進行全面系統的性能評價。

1 試驗流程及具體實施

本次研究工作中將選擇不同試車臺中配套的力測量系統的典型結構，針對三方面性能進行評價，具體工作流程和試驗項目如圖1所示。

圖1 推力測量系統性能綜合評價流程

某試車臺使用的推力測量傳感器為美國Interface公司生產的力值范圍125 kN力傳感器。本文針對本傳感器開展了如下校準試驗:工作性能校準、溫度特性校準、抗側向力特性校準。

工作性能校準采用本所測力實驗室校準裝置根據JJG 391-2009《力傳感器檢定規程》開展試驗;溫度特性校準將在-15～40℃內對其特性進行校準試驗;抗側向力特性校準將利用多分量力校準裝置開展校準試驗。

針對這些推力測量系統開展各項試驗，并進行各項性能的綜合評價，其具體實施步驟如下所述。

1.1 力傳感器工作性能校準和溫度特性校準

根據試車臺推力測試的實際使用要求，首先應對力傳感器的最大允許誤差進行綜合評價。此項評定中涉及的主要試驗項目有:重復性R/(%FS);直線度L/(%FS);滯后H/(%FS);溫度影響/(%FS)。這些指標在目前日常校準的過程中一般會進行試驗和評價，而其它的技術指標對力測量系統測量結果的影響卻很少進行評價，尤其是溫度影響指標是對結果影響明顯而又很少考慮的指標。

由于試車間與外界環境相通，尤其是試車過程中，環境溫度變化較大，所以力傳感器的溫度特性的研究也尤為重要。參考稱重傳感器，以常溫狀態下的校準曲線為基礎，比較高、低溫狀態下的校準曲線特性。通常情況下力傳感器的溫度性能較難提高，而試車間的溫度范圍較大，通常為-15～40℃，因此本項目將在此溫度范圍內對其進行靈敏度溫度影響，計算相應技術指標，試驗裝置如圖2所示。

圖2 力傳感器校準裝置

力傳感器的試驗裝置主要包括力標準機和溫度試驗箱。本力標準機采用靜重式結構，通過力值砝碼復現標準力值，測量準確度可以達到0.002%。高低溫環境的實現主要是通過溫度試驗箱來完成。本溫度試驗箱可以實現-50～110℃范圍內的溫度控制，配合力標準機可以完成力傳感器的高低溫試驗。

測試結果見圖3、圖4。從圖4可以得知試車臺用力傳感器的重復性、滯后誤差均在0.05%范圍內，直線度稍差，在0.1%以內。針對直線度誤差較大的問題，通過采用可以進行多點線性修正的采集系統來進行線性補償以達到力值修正的目的。

圖3 工作力傳感器20℃(常溫)指標曲線

圖4 力傳感器各溫度下誤差線

1.2 抗側向力和抗彎性能

在發動機進行推力的測試試驗中，發動機本身特性的差異和安裝位置的不同將對測試用力傳感器產生不同程度的側向力和彎矩，而不同結構的力傳感器的抗側向力和抗彎性能又有很大的差異。由此引入的對靈敏度的干擾量也是一個不可忽視的數值，因此對力傳感器進行抗側向力的試驗在推力修正的研究中也非常重要。利用側向力校準裝置對力傳感器抗側向力性能進行校準。

基于軸向加力裝置的側向力施加裝置見圖5。本裝置包括底座、主機架、升降裝置、側向力輸出裝置和控制系統。底座位于軸向加力裝置上，被測傳感器裝在底座上，所述主機架上有導軌，并通過導軌與側向力施加裝置相連。升降裝置在主機架的另一側，并且通過滾珠絲杠副與側向力施加裝置相連。本裝置基于軸向加力的基礎上，可以通過側向力輸出裝置來施加側向力，并通過升降機構來調節上下位置，以適應不同大小的被測傳感器。

圖5 側向力校準裝置

進行側向力試驗時，首先在主分量上施加指定的壓力，施加完畢后，讀取力傳感器的指示值。讀取完畢后，在側向施加指定的幾個力值，待傳感器讀數溫度后讀取力傳感器的相應輸出，將此輸出和不施加側向力的輸出進行比較，得出力傳感器在有側向力作用時對其施加輸出的影響。本方向的試驗完畢后，轉動力傳感器至一定的角度，重復以上的試驗。本試驗每轉動90°進行一次，重復以上的試驗。表1為工作力傳感器抗側向力性能的相關數據。

表1 工作力傳感器抗側向力性能

從表1的數據得知，側向力對于本力傳感器的輸出影響最大為0.03%。

3 結論

發動機推力測量是發動機性能的一個重要指標，發動機推力測量系統的校準對于發動機推力的準確測量有著十分重要的意義。本文通過對目前發動機試車臺推力測量系統上普遍采用的力傳感器進行深入的性能分析，選用一般發動機試車臺采用的某種型號力傳感器進行了工作性能校準、溫度特性校準、抗側向力特性校準等工作。對于大量采用本文中型號傳感器的試車臺有著很好的代表性，基本掌握了用于發動機推力測量系統的力傳感器的性能特點，對于推力測量系統的性能有了進一步的理解，對于發動機的推力測量準確度的分析提供了很好的數據參考。

［1］國家質量監督檢驗檢疫總局.JJG 669-2003稱重傳感器［S］.北京:中國計量出版社，2003.

［2］洪寶林.力學計量［M］.北京:原子能出版社，2002:163-175.

［3］劉永錄.多種校準條件下動態力傳感器性能研究［J］.計測技術，2009(29):39-40.