拉扭疲勞試驗機同步校準技術研究

艾兆春 劉漢冶 薛文瑞 李興華 公旭國

(黑龍江華安精益計量技術研究院有限公司，哈爾濱 150046)

1 引 言

金屬、非金屬和復合材料等各種結構材料，在涉及的所有產品中，都會產生疲勞現象，而這種疲勞現象并不是單一的軸向力或單一的扭矩造成的，往往是由多種載荷共同作用的結果，測試這種復雜情況下的疲勞度需用拉扭疲勞試驗機來完成。

拉扭疲勞試驗機在工作時可以實現力值、扭矩兩個參數分別獨立操作，并在此基礎上進行了力值、扭矩兩個參數分別獨立的校準，這種分參數的校準方法是目前國內所采用的通用方法。校準時，先用標準測力儀單獨校準靜態軸向力值參數，用標準扭矩儀單獨校準靜態扭矩參數，再用動態力校準裝置進行交變力的校準，最后用動態扭矩校準裝置進行交變扭矩的校準[1]。

分參數校準的方法具有測量準確性高的優點，但在試驗工作時通常是力值參數和扭矩參數同時輸出。分參數校準具有很大的局限性，當校準力值參數時，扭矩參數的準確與否得不到有效判斷；當校準扭矩參數時，力值參數的準確性得不到有效判斷，分參數校準不能同時反映兩個參數的準確性。因此設計力值、扭矩多分量傳感器，研究力值、扭矩參數同步校準技術是十分必要的。

2 力值、扭矩多分量傳感器的設計

2.1 彈性結構的選擇

彈性體是感受力和扭矩的主要元件，它是傳感器的重要組成部分，彈性體的結構形式多樣，常用的結構有梁式、環式、輪輻式和柱式四種[4]，從結構設計上我們選取輪輻式結構，其優點是：①具有良好的自然線性。因為在加載時，輪輻的截面尺寸變化小，可以忽略不計，這就避免由于尺寸變化產生誤差。同時又由于采取了等臂全橋線路，這就消除了由于加工不對稱所造成的誤差；②由于它按剪切力作用原理而設計，所以載荷作用點位置的準確度對傳感器的準確度影響不大；③具有良好的對稱性，它可以經受住大的偏心和側向力，適合同時承載拉力和扭矩載荷；④具有扁平的外形，它在載荷作用下變形小，因此可以提高拉力和扭矩參數之間的抗干擾能力；⑤由于傳感器設計成一個整體結構，因此熱膨脹各方向一致，所以在全橋等臂橋路中可以得到很好的補償。

2.2 傳感器的接橋方式

基于力或扭矩對應變梁的作用分析可知，對于一個力參量或扭矩參量，其作用線與梁軸線正交，所產生的正應力和剪切應力的最大值會位于應變梁的不同位置。圖1中所示的傳感器彈性體設計結構其正應力最大值位于遠離中性層的上下表面，并且此處的剪切應力為零。剪切應力的最大值位于中性層上，而此處的正應力為零。所以我們選擇遠離中性層的上表面作為軸向力的敏感單元，選擇中性層根部作為扭矩參量的敏感單元。傳感器的結構及各個方向測量的應變片粘貼方式如圖1所示。

圖1 傳感器的結構及各個方向應變片粘貼方式示意圖Fig.1 Schematic diagram of sensor structure and strain gauge paste

傳感器在每根橫梁上都貼有4個應變片，共有16個應變片，組成2個電橋，共有2路輸出信號，測量電路全部采用直流對稱全橋測量電路，供橋電壓設計皆為10V。其中，軸向力參數(Z方向)通過四根橫梁上表面粘貼的1，2，3，4，5，6，7，8八個應變片來測量，其中：2，3，5，8是正應變，1，4，6，7是負應變，組成的電橋電路如圖2(a)所示。扭矩參數(M)通過粘貼在四根橫梁側面根部的11，12，13，14，15，16，17，18八個應變片來測量，其中11，14，16，17是正應變，12，13，15，18是負應變，組成的電橋電路如圖2(b)所示。

(a) 軸向力電橋電路 (b)扭矩電橋電路 (a) Axial force bridge circuit (b) Torque bridge circuit圖2 傳感器電橋電路Fig.2 Bridge circuit of the sensor

2.3 傳感器材料的選擇

為了獲得傳感器良好的線性、小的蠕變及滯后，彈性體通常選用強度比較高的合金結構鋼。目前國內普遍采用40CrNiMoA作為各種測力傳感器的材料，這種材料性能穩定，價格較低廉，由于有鉻鎳共存，不但具有良好的機械性能，而且由于鉬的存在，可以防止高溫回火時的脆性，具有良好的淬滲性。有研究資料表明，鉻在鋼中的含量大約為1%時，對鋼在回火過程中阻止軟化具有一定的作用，鉬在鋼中的含量大約為1%時，比鉻和鎳更提高淬滲性，還能提高鋼的強度和抗蠕變性。綜上所述，我們采用40CrNiMoA作為感器彈性體的材料。

3 數據采集單元的設計

拉扭疲勞試驗機同步校準數據采集單元原理方框圖如圖3所示。

圖3 數據采集單元原理框圖Fig.3 Schematic diagram of the date acquisition unit

單片機是數據采集環節中的關鍵，本項目需要同時采集力值和轉速2個參數，測量通道數量至少為2個，我們選用愛特梅爾公司(ATMEL)的AT89S51單片機，這種單片機所帶資源足夠滿足本項目設計的要求。

目前，便攜式計算機配備的高速接口一般有以太網接口、IEEE-1394接口和通用串行總線(USB)接口。USB2.0的傳輸速度超過了IEEE-1394接口的400Mbps,達到了480Mbps，且USB接口具有使用方便、低成本、抗干擾能力強等優點。綜合上訴分析，本項目采用USB2.0接口進行數據的傳輸。

數據采集單元正常工作需提供一個5V電源,與此同時還需要一個高精度的10V電源作為傳感器的激勵電源。USB接口通過PC機能夠提供兩種功率的電源，一是由低功率USB端口提供的電源為4.4V～5.25V、電流為100mA；二是由高功率USB端口提供的電源為4.75V～5.25V、電流為500mA。我們采用升壓型DC/DC轉換器將USB接口電壓升壓至10V，作為傳感器激勵電源，再通過降壓型DC/DC轉換器將電壓降至5V，作為數據采集的電源輸入。電路圖如圖4所示。

圖4 升壓、降壓電路圖Fig.4 Schematic diagram of the boost and buck

4 力值、扭矩兩參數同步校準技術研究

由于力值、扭矩多分量傳感器要同時承受軸向載荷和扭轉載荷，傳感器在受軸向載荷時，傳感器彈性體會產生軸向拉伸，彈性體在軸向方向上會發生一定的彈性形變，軸向彈性形變會對彈性體的扭矩敏感區產生影響，使得在沒有施加任何扭矩載荷的情況下，形成扭矩參數輸出。同理，力值、扭矩多分量傳感器在受扭轉載荷時，傳感器彈性體會發生扭轉形變，彈性體在軸向方向會發生受扭縮短形變，軸向形變會對彈性體的軸向敏感區產生影響，使得在沒有施加任何軸向力的情況下，形成軸向載荷輸出。傳感器的力值和扭矩參數是相互影響的，并且這種影響不可能完全消除。

有研究表明，拉扭傳感器拉、扭參數的相互影響量主要是相互的零點耦合誤差，零點耦合誤差大約為±1%F.S左右(見表1)，因此兩者的相互影響因素應進行消除，才能保證裝置測量的準確可靠。

表1 拉力、扭矩方向相互影響量

Tab.1 Mutual influence quantity of the pull direction and torque direction

對于力值、扭矩兩個參數影響量的消除可以用力標準機對力值、扭矩多分量傳感器的力參量進行單向標定，獲得傳感器力參量在不同測量點的輸出值，同時可以在扭矩輸出端獲得相應的零點耦合誤差值。這些相應的零點耦合誤差值基本上呈現線性關系，根據具體的測量數據可以用最小二乘法擬合成一條零點耦合誤差修正曲線，這條曲線對于拉扭傳感器而言是系統誤差。對于扭矩參量來說，均可以用修正曲線將扭矩零點輸出值進行修正。因此，零點耦合誤差可以通過軟件進行修正，修正后的影響量可以達到±0.5%以內。

同理，我們可以用標準扭矩機對拉扭傳感器的扭矩參量進行單向標定，同時監測力參量的零點耦合誤差，通過試驗獲得的修正曲線，完成對力參量零點耦合誤差的修正。

5 結束語

隨著科學技術的進步與發展，對計量測試技術也提出了更高的要求，多參數同步測量技術得到了廣泛應用。通過力值、扭矩多分量傳感器、數據采集單元以及零點耦合誤差的修正，能夠實現對拉扭疲勞試驗機同步校準，從而解決以往分參數校準的不足，具有很好的經濟效益和社會效益。

[1] JJG 556-2011軸向加力疲勞試驗機檢定規程[S].北京：中國質檢出版社，2011.

[2] 錢小琳,韓煒紅，梁素珍.傳感器貼片表面化學處理工藝的研究[C].2000年全國力學量傳感器及測試、計量學術交流會論文集，2000：170～173

[3] 郭宏偉，孫賀欣.基于無線傳輸技術的測力裝置[J].傳感器技術,2004，23(9):52～54.