CN107860507A - 压力传感器校准用力传感器及其校准方法 - Google Patents

Abstract

一种能用于压电式压力传感器绝对式准静态校准的应变式力传感器及其校准方法，以现有落锤装置中的锤头结构件作为弹性敏感元件，在锤头的中间位置对称地掏出两个O型孔，两孔之间留有一层受力薄壁，在薄壁的两侧各粘贴两个互相垂直的工作应变片和补偿应变片，并组成全桥惠斯通测量电路，其引线则通过力传感器中专门设计的引线孔穿出。测量电路需要外接激励电压进行供电，当锤头撞击活塞杆时，薄壁受力变形，导致电阻应变片阻值发生变化，产生一定的输出电压值，根据力传感器的灵敏度值可知对应的撞击力大小，进而用于后续的造压油缸内的压力计算和压电式压力传感器的准静态校准。

Description

压力传感器校准用力传感器及其校准方法

技术领域

本发明涉及测试计量传感器设备领域，特别是涉及压力传感器校准用力传感器及其校准方法。

背景技术

压电式压力传感器的动态特性较好，但是其低频特性较差，当用静态标定的方法对其进行校准时，会产生静电泄露等问题，导致获得的灵敏度特性不能反映传感器的真实情况；此外，在静态校准时，每个标定点的压力加载时间较长，严重影响了传感器的使用寿命。动态校准是解决该问题的有效途径，常用的校准方法有激波管法和落锤法，激波管能校准的上限频率很高，但由于其所产生的阶跃压力平台持续时间较短，无法对压电式压力电测系统的低频特性，尤其是零频特性进行校准；此外，激波管压力幅值较低，无法实现高压传感器的动态校准。因此，常采用落锤液压动标装置对压电式压力传感器进行准静态校准，所谓准静态校准，就是利用类似于被测压力波形，即已知峰值和脉宽的半正弦压力脉冲对压电式压力传感器进行校准。该标定方法介于静态和动态之间，因此称之为准静态校准。用这种校准方法给出的压力传感器灵敏度较静标而言更加科学准确，可有效地减小测量系统的动态误差。

落锤装置的校准压力是通过锤头撞击活塞杆在造压油缸内产生的，该压力是一个类似半正弦的压力脉冲，其峰值和脉宽的大小与落锤装置的工作参数(重锤落高、重锤质量、活塞杆面积、传压介质、油缸初始容积等)有关。如何精确地获取半正弦压力脉冲的峰值是有效利用落锤装置对压力传感器进行准静态校准的关键，目前常用的方法是比对式校准方法，即在油缸的四周安装多个高精度标准压力传感器，将标准传感器测得的压力平均值作为校准压力峰值。该方法校准压力的精度由标准传感器的性能决定，可实现不确定度≤0.5％的测量值，然而适用的高性能标准压力传感器价格高昂，导致试验成本较高。针对现有的基于落锤装置的压力校准方法存在的不足，文献提出了一种基于落锤装置的力监测压力动态校准方法，即根据重锤撞击活塞杆的力(撞击力)和压力峰值之间的内在联系，在重锤锤头上安装力传感器对撞击力进行监测，从而求出相应的校准压力峰值。该方法直接根据压力的定义进行校准，更符合绝对校准的定义，且从现有同类传感器产品看来，力传感器的价格和性能均优于压力传感器，因此，可有效提高动态压力校准精度。

然而在实际使用时，力传感器常采用螺栓进行固定并通过专用的过渡件固连在锤体和锤头之间，在重锤撞击活塞杆的过程中，力值的测量会受到螺栓预紧力和过渡件惯性力的影响。在实际校准试验中，当采用螺栓连接的方式将力传感器固定在两个过渡件上时，螺栓预紧力会对传感器的测量精度产生影响，导致测量值比实际值偏低，此外，在锤头撞击活塞杆的过程中，力传感器还会受到下过渡件、锤头以及活塞杆惯性力的影响，导致力传感器的测量值无法真正反映撞击力的大小。

发明内容

为了解决上述存在的问题，本发明提供一种压力传感器校准用力传感器及其校准方法，该力传感器不仅能有效地消除螺纹预紧力的影响，而且能够有效地降低惯性力对撞击力测量的影响，为达此目的，本发明提供压力传感器校准用力传感器，所述应变式力传感器设置在落锤装置的锤头结构件内，所述应变式力传感器包括工作应变片R1、补偿应变片R2、工作应变片R3和补偿应变片R4，所述锤头结构件中间位置对称地掏出两个 O型孔，两个O型孔之间留有受力薄壁，所述受力薄壁的两侧各粘贴两个互相垂直的工作应变片和补偿应变片，所述受力薄壁一侧的工作应变片和补偿应变片为工作应变片R1 和补偿应变片R2，所述受力薄壁另一侧的工作应变片和补偿应变片为工作应变片R3和补偿应变片R4，所述工作应变片R1、补偿应变片R2、工作应变片R3和补偿应变片R4 组成全桥惠斯通测量电路，所述锤头结构件上部设置有引线孔，所述引线孔通过锤头结构件内通道将全桥惠斯通测量电路的引线引出。

本发明的进一步改进，所述受力薄壁厚10mm。

本发明的进一步改进，所述引线孔直径为3mm。

本发明的进一步改进，所述全桥惠斯通测量电路的引线测量时外接10～20V的直流激励电压。

本发明的进一步改进，所述落锤装置的锤头结构件为弹性敏感元件。

本发明的进一步改进，所述锤头结构件材料为40CrNiMoA合金结构钢，屈服强度高于835MPa。

本发明基于力传感器的压电式压力传感器电测系统的准静态校准方法，具体步骤如下：

1)将被校压电式压力传感器安装在造压油缸上，将应变式力传感器安装在锤架结构上，设置好下落高度，使力传感器撞击造压油缸的活塞杆，在造压油缸内产生压力；

2)根据力传感器测得的撞击力峰值和活塞杆的有效面积计算出造压油缸内传压介质的压力峰值，作为被校压电式压力传感器的参考压力值；

3)将计算得到的参考压力峰值和对应的压电式压力传感器电测系统的输出电压峰值构成一组数据对，改变下落高度，在压电式压力传感器量程范围内进行多组试验，并得到多组压力峰值和电压峰值的数据对；

4)对上述数据对进行最小二乘拟合，根据拟合关系式即可求出压电式压力传感器电测系统的灵敏度值，从而完成了绝对式准静态校准工作。

本发明提供压力传感器校准用力传感器，与现有技术相比具有如下优点：

(1)直接将现有落锤装置中的锤头结构件作为力传感器弹性敏感元件，使得力传感器无需再借助于过渡件进行安装和固定，结构更加紧凑简便；

(2)有效地消除了螺纹预紧力的影响，提高了撞击力测试精度；

(3)有效地降低了结构件惯性力的影响，提高了撞击力测试精度。

附图说明

图1是力传感器的正视图；

图2是力传感器的剖面图；

图3是全桥惠斯通测量电路原理图；

图4是一组实测力值曲线；

图5是力传感器静态标定数据；

图中1.O型孔，2.工作应变片R1，3.补偿应变片R2，4.工作应变片R3，5.补偿应变片R4， 6.引线孔，7.受力薄壁，8.激励电压，9.输出电压。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

本发明提供一种压力传感器校准用力传感器及其校准方法，该力传感器不仅能有效地消除螺纹预紧力的影响，而且能够有效地降低惯性力对撞击力测量的影响。

作为本发明一种具体实施例，本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：该力传感器将现有落锤装置中的锤头结构件作为弹性敏感元件，其材料为40CrNiMoA合金结构钢，该材料屈服强度高于835MPa，具有良好的加工性，而且抗疲劳性能好，十分适用于大量程力值的动态测量。在锤头结构件的中间位置对称地掏出两个O型孔，两孔之间留有一层10mm厚的受力薄壁，在薄壁的两侧各粘贴两个互相垂直的电阻应变片，其中一片与力传感器的受力方向保持一致，用于监测该方向上的应变量大小，另外一片则与力传感器的受力方向垂直，作为传感器的温度补偿片使用，四个应变片构成了一个全桥惠斯通测量电路。为了保护应变片不受外界环境影响，通过灌封胶将O型孔密封起来，全桥惠斯通测量电路的引线则通过力传感器中专门设计的直径为3mm的引线孔穿出，用于和后续的信号调理电路相连。

在制作力传感器时，需要对材料进行热处理，保证其硬度在HRC42～44之间，为了消除力传感器结构件的内应力，稳定组织和尺寸，改善机械性能，需要对力传感器结构件进行时效处理，此外，为了进一步提高力传感器结构件的抗疲劳强度和耐腐蚀性能，还需要对其进行表面喷丸和化学镀镍处理。力传感器制作完成后需要对其静动态特性进行分析，从而确定传感器的静态灵敏度值以及其固有频率是否满足准静态校准的要求。

在实际测量时，需要外接10～20V的直流激励电压对电桥测量电路进行供电，在没有外力作用时，电桥输出电压理论上为0；当锤头撞击活塞杆时，薄壁会受力产生变形，从而带动电阻应变片发生形变，使得其阻值发生变化，进而产生一定的输出电压值，根据力传感器的灵敏度值即可得出对应的撞击力大小，进而可用于后续的造压油缸内的压力计算和压电式压力传感器的准静态校准，其力传感器静态标定数据如图5所示。

本发明基于力传感器的压电式压力传感器电测系统的准静态校准步骤如下：

1)将被校压电式压力传感器安装在造压油缸上，将应变式力传感器安装在锤架结构上，设置好下落高度，使力传感器撞击造压油缸的活塞杆，在造压油缸内产生压力；

2)根据力传感器测得的撞击力峰值和活塞杆的有效面积计算出造压油缸内传压介质的压力峰值，作为被校压电式压力传感器的参考压力值；

3)将计算得到的参考压力峰值和对应的压电式压力传感器电测系统的输出电压峰值构成一组数据对，改变下落高度，在压电式压力传感器量程范围内进行多组试验，并得到多组压力峰值和电压峰值的数据对；

4)对上述数据对进行最小二乘拟合，根据拟合关系式即可求出压电式压力传感器电测系统的灵敏度值，从而完成了绝对式准静态校准工作。

本发明如图1和图2所示，力传感器将现有落锤装置中的锤头结构件作为弹性敏感元件，在锤头的中间位置对称地掏出两个O型孔1，两孔之间留有一层受力薄壁7，在薄壁的两侧各粘贴两个互相垂直的电阻应变片，其中两个工作应变片与力传感器的受力方向保持一致，用于监测该方向上的应变量大小，另外两个补偿应变片则与力传感器的受力方向垂直，用于传感器的温度补偿，四个应变片构成如图3所示的全桥惠斯通测量电路。为了保护应变片不受外界环境影响，通过灌封胶将O型孔1密封起来，全桥惠斯通测量电路的引线则通过力传感器中专门设计的引线孔6穿出，用于和后续的信号调理电路相连。在实际测量时，需要外接激励电压8对电桥测量电路进行供电，在没有外力作用时，电桥输出电压理论上为0；当锤头撞击活塞杆时，薄壁会受力产生变形，从而带动电阻应变片发生形变，使得其阻值发生变化，进而产生一定的输出电压9，根据力传感器的灵敏度值即可得出对应的撞击力大小，进而可用于后续的造压油缸内的压力计算和压电式压力传感器的准静态校准。图4描述的是一组滤波后的实测力值曲线，撞击力峰值为22.2kN，该曲线波形和压力曲线类似，说明力传感器的测量结果是可靠的。

为了获取力传感器的灵敏度，需要对其进行静态标定，标定时选取0kN，20kN，40kN， 60kN，80kN和100kN六个校准点，进行3轮正反行程标定，得到如图5所示的静态标定结果。根据标定结果，可以得到力传感器的静态特性参数如下：滞后误差为0.047％，重复性误差为0.0072％，线性误差为0.0716％，输出灵敏度为3.17301mV/V。

除了需要得出静态特性之外，还需分析力传感器的动态特性是否满足准静态校准的要求。力传感器采用40CrNiMoA合金结构钢制成，为了便于计算其固有频率，可将传感器简化为一个直径为20mm，母线为109mm的实心圆柱体，并根据一端固定、一端自由的等截面悬臂梁一阶频率公式进行计算。

式中，f₀为传感器的固有频率(Hz)；l为传感器的长度(m)，其值为0.109m；E为传感器的杨氏模量(Pa)，其值为1.98E+11Pa；ρ为传感器的材料密度(kg·m-3)，其值为7770kg·m-3。

将各个物理参数带入公式，可得自研力传感器的固有频率为11.6kHz。

造压油缸内的压力信号波形与半正弦函数类似，若定义压力信号的归一化频谱密度由1下降至其2％处的频带作为有效带宽，则对于脉宽为3～12ms的理想半正弦信号而言，其有效频带范围为113～454Hz。根据以上分析可知，力传感器的固有频率远高于被测压力信号的有效频带，其动态特性满足准静态校准的要求。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作任何其他形式的限制，而依据本发明的技术实质所作的任何修改或等同变化，仍属于本发明所要求保护的范围。

Claims (7)

1.压力传感器校准用力传感器，所述应变式力传感器设置在落锤装置的锤头结构件内，所述应变式力传感器包括工作应变片R1（2）、补偿应变片R2（3）、工作应变片R3（4）和补偿应变片R4（5），其特征在于：所述锤头结构件中间位置对称地掏出两个O型孔（1），两个O型孔（1）之间留有受力薄壁（7），所述受力薄壁（7）的两侧各粘贴两个互相垂直的工作应变片和补偿应变片，所述受力薄壁（7）一侧的工作应变片和补偿应变片为工作应变片R1（2）和补偿应变片R2（3），所述受力薄壁（7）另一侧的工作应变片和补偿应变片为工作应变片R3（4）和补偿应变片R4（5），所述工作应变片R1（2）、补偿应变片R2（3）、工作应变片R3（4）和补偿应变片R4（5）组成全桥惠斯通测量电路，所述锤头结构件上部设置有引线孔（6），所述引线孔（6）通过锤头结构件内通道将全桥惠斯通测量电路的引线引出。

2.根据权利要求1所述的压力传感器校准用力传感器，其特征在于：所述受力薄壁（7）厚10mm。

3.根据权利要求1所述的压力传感器校准用力传感器，其特征在于：所述引线孔（6）直径为3mm。

4.根据权利要求1所述的压力传感器校准用力传感器，其特征在于：所述全桥惠斯通测量电路的引线测量时外接10~20V的直流激励电压。

5.根据权利要求1所述的压力传感器校准用力传感器，其特征在于：所述落锤装置的锤头结构件为弹性敏感元件。

6.根据权利要求5所述的压力传感器校准用力传感器，其特征在于：所述锤头结构件材料为40CrNiMoA合金结构钢，屈服强度高于835MPa。

7.基于力传感器的压电式压力传感器电测系统的准静态校准方法，其特征在于，具体步骤如下：

1）将被校压电式压力传感器安装在造压油缸上，将应变式力传感器安装在锤架结构上，设置好下落高度，使力传感器撞击造压油缸的活塞杆，在造压油缸内产生压力；

2）根据力传感器测得的撞击力峰值和活塞杆的有效面积计算出造压油缸内传压介质的压力峰值，作为被校压电式压力传感器的参考压力值；

3）将计算得到的参考压力峰值和对应的压电式压力传感器电测系统的输出电压峰值构成一组数据对，改变下落高度，在压电式压力传感器量程范围内进行多组试验，并得到多组压力峰值和电压峰值的数据对；

4）对上述数据对进行最小二乘拟合，根据拟合关系式即可求出压电式压力传感器电测系统的灵敏度值，从而完成了绝对式准静态校准工作。