力垫圈 - 用于生产测试和监控 力垫圈 - 用于生产测试和监控 | HBM

用于生产,测试和监控的力垫圈

大力值, 对坚固性极高的要求 – 结构高度低,集成方便,费用低 – 使用环形力垫圈有很多原因。用途也多种多样,从压接和铆接等数不清的工业力测量应用,到风力涡轮机或轨道螺纹连接的长期监测。

一般来说,力垫圈有以下多种要求:

  • 低阈值,确保卓越的灵敏度,甚至可以测量很小的力              
  • 结构紧凑,坚固              
  • 尺寸与常用螺钉、螺栓和销直径相同              
  • 无漂移,例如螺钉和螺栓监控              
  • 安装校准后重复性误差低

即使使用最新的技术,一种物理原理也无法满足所有的要求。基于这个原因,现在通常采用的力垫圈一般有应变和压电两种原理。

物理原理

基于应变的力垫圈

基于应变的力垫圈由一个环形弹性体构成,将应变片用粘合剂固定在该弹性体上。与应变传感器情况相同,作用力使弹性体产生变形,引起应变,应变片能将其转换为电阻的变化。应变片组成惠斯通电桥,在在施加电压后,就会产生与施加力成比例的可测量电压。            

在设计应变力垫圈时,应变片需要实现尽可能大的角度覆盖,使其整个表面具有均匀的灵敏度。HBM 最新 KMR+ 系列力垫圈,采用焊接焊封,适合长期在恶劣环境下使用,如户外,铁路或风力涡轮机等。应变技术的优点是传感器自身是无漂移的。特别适合监测任务(如监测螺纹连接或电缆张力),因为传感器无需调零或重置,适合长期测量。

 

压电力垫圈

压电力垫圈由两块压电材料晶体组成,通常是石英。电极(红色)安装在这些晶体之间。每个晶体的另一侧连接到力垫圈的外壳(黄色和绿色)。

当施加力时,传感器产生电荷(压电效应),由一个特殊的同轴电荷电缆馈送到电荷放大器,在那里它被转换成一个可测量的电压信号,但晶体表面大小与灵敏度无关,这与应变传感器形成了鲜明对比,其灵敏度取决于标称(额定)力。

因此,压电传感器的灵敏度不取决于传感器的尺寸,也不取决于标称(额定)力。因此,可以用来测量非常小的力,并增加其他参数的自由度,例如高过载稳定性或几何尺寸。还有其他优点:阈值更小,测量范围非常广泛。

此外,传感器在整个负载应用具有相同的灵敏度。需要非常高的绝缘电阻,因此电气连接必须符合严格的要求。但所有压电传感器都具有漂移,因此无法使用此技术执行长期监测任务。

电荷可以产生短路,将传感器设置归零。其优点是,即使作用力很大,也可以记录非常小的力。如果进行了重置,则可以使用初始负载为数kN的压电传感器地测量10N 的力。

什么时候该用哪种技术?

应变与压电传感器相辅相成。以下是一些测量任务的首选技术:

预期用途/要求推荐的解决方案
测量范围需大于10倍CFW 或 CLP 压电传感器
长期监控任务KMR+
铆接、压力机和类似设备的过程控制两种测量原理都可以使用
在极端条件、高湿度下使用KMR+
无预应力使用KMR+
要求极高的过载稳定性CFW 或 CLP 压电传感器 (选择大量程)
高初始载荷下小载荷测量CFW 或 CLP 压电传感器
高动态测量两种测量原理都可以使用

使用技巧和诀窍

小位移,高动态测力的先决条件

所有的力垫圈都具有极小的位移。这是一个优势,因为力传感器的刚度也可以通过将标称(额定)力除以位移来计算:因此,小位移等于高刚度,这反过来意味着其具有极高固有频率。由于传感器的最大测量频率取决于整个系统的固有频率,小位移意味着传感器适用于高动态测量。

力均匀分布:合适的接触面、加载

同样,小位移意味着传感器必须承受其整个表面的均匀载荷,以防止个别区域过载。同样适用于两种类型的传感器。因此,应将与传感器接触表面磨平,以确保它们均匀。还要求硬度为40 HRC。

KMR+用应变片覆盖了一个很大的角域。它的特点是加载板能均匀地将力分布到力垫圈上,从而改善传感器的性能。这大大降低了重复性误差和弯矩灵敏度,同时对连接件的接触点也提出了较低的要求。

压电力垫圈:预应力是绝对必要的

对压电力垫圈来说,预应力加载是非常重要的。通常用螺栓来完成。要求性能等级为10.9或12.9。预应力对于将压电力垫圈的部件(即晶体、电极和外壳)相互压接很重要:

  • 当晶体与外壳和电极紧密接触时,确保电荷的正确耗散。
  • 即使在出现弯矩时,也要保证构件之间的接触。

 

如图所示,压电力垫圈的最大允许弯矩取决于荷载:最大允许弯矩不能超过预应力和待测力的总和的50%,。例如:您使用的是CFW/330KN,您希望测量的过程力大约为95 kN。因此,最佳预应力为70kn,因为70kn和95kn之和为165kn,最大允许弯矩为总和的一半。

预应力引起灵敏度变化

如果力垫圈是用螺栓预加应力安装的,则螺栓的预加应力作用在力垫圈上,并作用于要测量的力F,如下图所示。

如果对结构施加力,会产生很小的变形。这会使螺栓发生轻微的应变消除,导致预应力下降。这会使得测量点比没有预应力加载的垫圈更不灵敏。如果需要定量测量值,则必须校准力垫圈。当然,定性(比较)测量也可以在没有校准的情况下进行。

校准

校准是指与已知量的比较。力垫圈可以在安装时进行校准,方法是将力垫圈与力传感器串联。当然,您还可将包含力垫圈的测量结构发送到工厂进行校准。通常,使用已校准的力传感器校准与力垫圈进行比对是最简单的选择。              

如果使用具有DAkkS(德意志联邦共和国国家认证机构)校准证书的传感器,也可以按照质量标准的要求,将力垫圈连接到具有计量溯源性的设备上完成。