实际应用中的三种方法

采用力传感器进行力测量具有很多优势,例如,高精度。有时候,其在分力测量时具有优势。特殊的传感器,精确匹配应用,可用于这些情况。本文介绍了进行分力测量的三种方法。

标定后的传感器提供在标定过程中测量的特性曲线  - 也就是加载力和输出信号的比 - 可以非常容易产生,即使在现场安装后。力传感器必须安装在力传递流中,并且没有任何分力,这是先决条件。并且必须确保完整的力传递流通过传感器进行测量。

这意味着力传感器的特性 - 例如,硬度和动态性能 - 将影响整体设计. 另外,大量程的传感器具有更大的结构。

另外,力测量可以通过结构的变形来进行测量,可以采用以下三种方法:

  • 应变片的安装
  • 利用螺杆式应变传感器, 其有时候内置了电路
  • 利用力垫圈, 其基于应变货压电技术

下表显示了这些方法的劣势和优势

安装应变片 使用应变传感器 使用力垫圈

优势
 

 
  • 适合用于高花丝结构,加载的力非常小情况
  • 要求空间非常小
 
 
  • 安装方便,通过螺纹结构直接连接到结构中
  • 并联数个传感器能够对对应变进行补偿
  • 带有仪表的传感器可以在应用中直接标定
 
 
  • 用于螺栓测量
  • 高防护等级
  • 安装方便
 
劣势
 
 
  • 安装 (焊接,接线盒保护层)
  • 分力测量中必须标定
 
 
  • 分力标定是必须的 (通过内置仪表方式可以减少工作量)
 
 
  • 必须对分力进行标定
 
图1: VY41 应变片。应变片组成全桥能降低线缆产生的影响。在这种情况下,呈 45 度排列是必须的。

采用应变片来测量

直接采用 应变片 测量力有多种优势.

焊接应变片 (SG) 实际上对被测物体的结构没有任何影响。 结构的硬度和动态特性将会保持不变。在对花丝结构测试时,应变片具有非常明显的优势,因为其变形时,只需要非常小的力。

安装时需要使用全桥应变片,并且需要选择能够补偿寄生负载(例如,弯矩或扭矩)的应变片。 此外,需要测量这些影响 [1], [2].

假设,没有任何弯矩作用在被测物体的上, 全桥应变片是理想的选择,你可以采用来自 HBM 的 VY41,安装角度为 45 度。

输出信号只和应变系数,应变层以及材料的泊松比有关; 其可以通过以下等式计算获得:

U/U0 测量桥路的输出信号
k应变片的应变系数
ε应变片的应变层
µ泊松比

假设 20 MPa 的机械应变作用在钢结构中,应变系数为 2, 应变测量结果为 100 µm/m,以上等式计算出的输出结果为 0.13 mV/V 。

通过计算得出结果是采用这种方法的一大劣势。

另外,应变片需要现场安装,并需要保护层。 另外要使用黏合剂。

通过弱化部件强度将能提高测量桥路的输出信号。但这将影响被测物体的强度,反过来说,将影响动态特性和稳定性。

F图 3: SLB 弹性体: 图片显示了应变片被安装在被测物体应变区
图 2: 应变传感器 SLB700

利用应变传感器测量力

应变传感器可以被安装在物体结构上。传感器通过安装在弹性体上的全桥应变片来进行测量的。

如图显示,这些应变传感器带有一个有机硅涂层,可以防潮,并提供机械保护

应变传感器基于应变原理。安装区域的应变将会大于螺纹连接间的应变值。

图 3 显示了 SLB 弹性体. 加载到传感器的力需要加载到应变片的中心。因为,脱离中心区域刚度会显著减少,应变可以采用以下等式计算得出:

Where:

εSG应变片的应变
εObject在螺纹之间的应变
lStrain sensor螺纹连接之间的距离
lStrain zone结构弱化区域的长度

假设应变区将不产生任何应变,当然严格来说,这是不正确的。应变传感器的灵敏度可以通过应变区的长度和螺纹之间的距离比进行调节。原理上说,可以获得非常高的灵敏度。但是在实际应用中,500 µm/m 的应变输出信号能达到 1.5 mV/V。其灵敏度将比全桥应变片提高 230 % 。

组件的温度膨胀可以通过采用合适的电路来进行补偿。

另外, 内置电路的应变传感器也可以在应用中进行标定,因此提供了非常高效的测量链。

不带有电路的传感器具有更高的阻抗,可以达到 700 Ω。这样可以采用数个应变传感器并联使用,而无需极高的放大器供给电流。

我们假设两个传感器并联,并安装在同一高度,在弯矩负载下,其中一个具有更高的应变,另外一个应变较低。整体而言,只有拉伸和压缩向的负载被测量。

SLB 应变传感器采用螺丝安装,只需要一个平台表面,传感器就可以立即使用了。

图5: CFW 压电力垫圈, 量程 20 到 700 kN
图4: KMR 力垫圈, 结构小巧, 20 kN 额定力
图6: 用于工具监控,力垫圈测量螺纹连接的力

利用力垫圈来测量

力垫圈 可以基于应变或压电技术,无论选择何种原理:

力垫圈都采用螺栓和螺丝连接,因此,由于采用螺栓连接,其类似于弹性体,降低了系统的灵敏度。一般来说,大约 10% 的灵敏度将受到影响。因此,力垫圈不能在工厂进行标定。

为保证更好的重复性,需要进行预应力加载。力的峰值取决于额定力的大小 - 最高的弯矩往往发生在额定负载的 50 %. 因此,最佳的预应力应该采用额定负载的 50%,这同样适用于  压电力垫圈  [3].

力垫圈具有非常高的防护等级,因此可以立即使用;在这方面,其和应变传感器具有同样的优势 。力垫圈,同样具有非常好的灵敏度。并且和额定量程无关。

通过分力标定测量链

所有以上三种方法都需要在安装后进行标定。这意味着必须在至少两个一指点进行测量。传感器的输出信号被分配到力,由于传感器的特性是线性的,但是由于其具有严格的错误限制,因此不能用于高精度测量。一般来说,两点标定是足够的。

内置仪表的传感器遵循这个原理。但是标定只需要在零点和发送到仪表的控制脉冲进行测量即可完成。最大的力产生控制脉冲是必须的。然后仪表自动调整。零点是同样的,并且不改变增益系数。

零点应变对应着1 V, 最大应变被转换成 9 V, 输出范围被设置为 0 到 10 V,其中提供10 % 测量范围用于过载和负应变。同时还提供 4...20 mA 的输出信号。

分力测量: 结论

在分力测量中,有多种有用的方法。所有的方法都有一个共同点 - 影响结构的机械性能.

但是,应变或压电力传感器是第一选择,其具有更高的精度:

  • 安装后无需调整力传感器, 因为传感器已经在工厂进行了标定。在对分力进行测量时,一般都需要在被测物体上标定。
  • 测量不确定性已知,并可以通过选择传感器型号来降低不确定性。
  • 利用高质量传感器(例如 HBM S9M 提供 0.02 精度) 来测量能够提供分力测量的精度

参考资料

[1]Karl Hoffmann, “Eine Einführung in die Technik des messens mit Dehnungsmessstreifen”, Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH, 1989
[2]Stephan Keil, “Beanspruchungsanalyse mit Dehnungsmessstreifen”, Genius Verlag, 1995
[3]T. Kleckers, „Piezoelektrische Kraftaufnehmer : 5 Regeln für Installation und Montage“, HBM Homepage, 2009

 

 

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