近年来,力传感器已经达到了更高的技术层次。由于具备了更高的校准能力,传感器获得了更高的精度。一般来说,称重传感器无法在应用中进行标定,而力传感器则不然。为获得更好,更可靠的测量结果,最重要的是在实际使用中,尽可能达到 校准安装条件,并且偏差范围要在技术要求范围内。

力传感器的 测量精度 很大程度依赖于 安装条件。不正确的安装条件将会对测量精度带来不利的影响,以及测量链的动态性能以及电磁场的敏感性等。

1. 力方向的影响

a. 力施加方向倾斜

力传感器的操作手册,例如 HBM 力传感器 C2, 需要 "…力传感器上的力需要尽可能地施加在测量方向."

这种情况有很多原因。首先,一旦施加的力和力传感器测量方向不一致,将导致测量误差升高。力测量方向和施加的力存在一个夹角,而传感器一般来说是不测量侧向力的。

 

在案例中, 测量的力, Fin, 施加在传感器存在 角度 α。施加的力被分拆成分力 Fz 和 Fx. 而真正测量出的力小于实际施加的力。等式为:

Fz = Fin ⋅ cos(α)

因此测量的结果也由于cos(α) 因子,也会变小。

此外,在这些情况下,施加的侧向力,可以计算出

Fx = Fin sin(α)

从以下列出了 5 度以内的测量误差:

1° = 0.015 %

2° = 0.06 %

3° = 0.14 %

4° = 0.24 %

5° = 0.38 %

而现代的力传感器 (S9M, S2M) 测量误差仅有 0.02 %.

2. 侧向力,弯矩和扭矩的影响

a. 侧向力

侧向力是 垂直于施加在测量方向 的力。德国标准 VDI/VDE2638 中指的是加载点。

这些侧向力一般是由于自身重量或是由于负载施加了一个角度产生的。并且会形成 弯矩(因为很少侧向力是作用在应变片的安装高度上的)。根据不同的侧向灵敏度,一个额外的误差会产生。 如果侧向力为 Fz  的10%,在测量方向向一般在 Fz 的1%以下。

b. 弯矩

主要角度误差可能会导致传感器损坏。

图中显示了所施加的力。传感器同样被加载了弯矩。在传感器水平安装时,自身的重量和安装附件将会产生弯矩,另外,偏心加载也会产生弯矩。

在这种情况下,扭矩 (在图中顺时针旋转 ) 将减轻左侧的负载,而右侧的负载将增大。旋转对称型力传感器 (C2, U2B 或 U10M) 通过分布在四周的多个测量点对弯矩进行补偿,因此对弯矩非常 不敏感 。力传感器 U10M 和 U10S 采用 弯矩队列 技术,弯矩影响仅有 0.01 %。 这个特点使其结合多个测量点是,结果总是平均值。

提醒注意的是,一个过大的弯矩损坏力传感器。

还请注意的是,弯矩往往伴随着侧向力一起出现,会给传感器带来额外的负载,如下图所示.

 

弯矩产生在左侧,因为在案例中负载是偏向加载的。

弯矩产生在左侧,因为内部重量产生了杠杆。杠杆的长度是重心到传感器的距离。弯矩是产生的力和杠杆的乘积。另外,作用在传感器上重力作为侧向力,这两个寄生负载都需要考虑在内。

c. 扭矩

对于拉压向力传感器的内螺纹 (S9, S2, U10) 或是 螺栓 (U15, Z4, U2B) 结构传感器安装过程中,非常重要的一点是必须采用合适的扭矩进行连接。请注意,锁定连接将不会有扭矩传递给传感器,但是不能超过 最大扭矩,因为一旦极限值超过的话,会损坏传感器。

工作过程中,扭矩大部分是通过传感器的几何体和应变片的安装位置来补偿的。

d. 扭矩,侧向力和弯矩的交互作用

极限负载 是和传感器的额定负载相关联的。传感器可能被一种寄生负载影响,也可能被多个寄生负载同时影响。如果同时作用,适用以下情况:

  • 任何一个极限负载都会破坏传感器
  • 如果多个同时影响,其总和不能超出 100 %。例如 : 50 % 允许扭矩,40 % 允许弯矩加上 10 % 允许侧向力。

3. 压向力测量采用压头连接

压向力传感器在应用中一般需要将负载加载到传感器压头上。

在实际应用中,有多种模块加载到压头上,包括如下图所示的加载头。

 

加载头一般是放置在力加载点上即可。必须要注意的是在传感器和加载头之间不能有任何多余物体。加载头带有旋转轴承,可以改变角度,因此可以防止扭矩和弯矩应用到传感器上。

如果力传感器在应用中不带有 加载头 之类的模块,应用区域必须要满足以下要求:

  • HBM 推荐 硬度 至少达到 43 HRC
  • 工作区必须带有地基
  • 安装时,相配合的部件不能升起,并且传感器不能受到影响
  • 如果可能,相配合的部件要 能够旋转,以便防止扭矩和弯矩

一般来说,力传感器只需要放置在应用结构中即可。只需将力导入到应用结构中即可。水平安装 也是可以接受的,在这种情况下,传感器必须采用刚醒连接。

在任何情况下,传感器的底部结构部件只有能 微小的变形。也就是说,应保证 足够的刚度

还有需要注意的是要保持表面平坦,耐受的最大不均匀性为0.005毫米。 一个平坦的结构表面能够保证测量精度。

基础结构必须比传感器直径大,并且需要不易变形。尤其是对于下部结构来说。在传感器设计中,不考虑变形状态,因此相关的技术参数,灵敏度,线性和滞后等可能改变

Essential requirement for the contact surface of a force transducer: sufficient size, evenness and stiffness.

4. 拉压向力测量,采用螺纹连接

对于拉向测量应用来说,凸接结构显然是不适合的。

一般来说,拉向力传感器的连接是通过螺纹结构完成。Z4A 或 U2B, 在顶部带有 外螺纹,底部带有 内螺纹。而 U10M 和 U10S 在顶部和底部都配有内螺纹。

内螺纹 更为紧凑。外螺纹结构中,螺纹连接和应变片安装位置距离更远,对度量衡特性(如滞后)等有正面的影响。因此对于精度和重复性要求高的应用中,应该采用外螺纹。对于内螺纹来说,应该用作非关键侧。.

对于内螺纹:

对于螺栓连接的力传感器,必须通过螺母对传感器表面施加足够的压力,有两种不同的方法可以完成 :

a. 螺栓连接施加的力要大于操作时的最大力

  • 在传感器两侧拧紧连接部件
  • 施加的力要超过操作时最大的力(不要超过最大极限)
  • 拧紧螺母,防止松动

对于所需的过载,见安装手册。

b. 采用合适的扭矩安装

  • 拧上连接部件
  • 按照安装手册上的扭矩要求拧紧,防止螺母松动

注意的是,所需的扭矩不能够通过传感器来传递,否则,传感器会受到损坏

对于带有外螺纹的传感器:

必须要采用一个螺母固定到位。对于纯静态测量来说,这不必要。所需扭矩见传感器安装手册。

Z4A (右) 通过内螺纹锁紧, U2B (左) 采用外螺纹。

对于拉压力测量应用,HBM 为所有的传感器提供 膝眼,如果安装中使用了一个 膝眼,扭矩将不会加载到传感器上。

如果使用两个膝眼,弯矩将不会被施加。

U10M 标定中采用了两个膝眼

膝眼不适合用于动态测量。因为随时间推移,轴承间隙会变大导致测量误差。另外,膝眼的频率响应最大只有10 Hz.

对于动态测量来说,我们推荐使用 柔性 部件。

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