力/扭矩傳感器的負(fù)載分析
選擇合適的力/扭矩傳感器其實很簡單：你只需要知道測量什么量，大致的測量范圍是什么？
當(dāng)你找到了這兩個問題的答案后，還有幾個方面需要考慮，包括：傳感器的負(fù)載限制，可允許的負(fù)荷，需要特殊考慮的方面，以及如何做出合理的評估。

技術(shù)參數(shù)表規(guī)范及其關(guān)系

當(dāng)查看多分量力/扭矩傳感器技術(shù)參數(shù)表時，如HBK MCS10，您會發(fā)現(xiàn)有最大允許載荷、力矩或要遵守標(biāo)準(zhǔn)的詳細(xì)信息（見圖1和圖2）。數(shù)據(jù)可能因制造商或類型而異。然而，在尋找最適合的多分量傳感器時，標(biāo)準(zhǔn)始終起著決定性的作用。

圖1 MCS10 額定載荷技術(shù)參數(shù)
仔細(xì)查看這些參數(shù)時，您會發(fā)現(xiàn)一些需要解釋的相關(guān)術(shù)語：

• 額定力/額定扭矩

• 極限載荷/極限扭矩

• 破壞載荷/扭矩

• 負(fù)載率總和 (LRS)

• 在多軸載荷下滿足的標(biāo)準(zhǔn)

  1）額定量程

  2）疲勞強(qiáng)度

      - 在脈動負(fù)載下

      - 在交變負(fù)載下

• 靜態(tài)載荷

理解各個術(shù)語之間如何關(guān)聯(lián)的最好的方法是考慮哪些負(fù)載可以發(fā)生，以及如何對它們進(jìn)行分類。在應(yīng)用中，除此處所示的機(jī)械載荷外，還應(yīng)考慮其他載荷，例如由溫度或其他環(huán)境影響而產(chǎn)生的載荷。然而，在大多數(shù)情況下，這是沒有必要的，或者在有疑問的情況下，可以快速識別判斷。無論我們談?wù)摰氖菃屋S還是多軸、靜態(tài)還是動態(tài)、脈動還是交變負(fù)載，都應(yīng)該采用一些測試標(biāo)準(zhǔn)來確保傳感器的安全運行。

圖2 MCS10極限載荷參數(shù)

單軸&多軸負(fù)載

單軸載荷是指傳感器在坐標(biāo)系的一個方向承受載荷。如果增加了其它方向的載荷，無論是力還是力矩，這都被稱為多軸載荷。最多可同時發(fā)生六個載荷：三個力Fx、Fy、Fz和三個力矩Mx、My、Mz。

通常，外部施加的載荷會對傳感器的測量體產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力。在多軸載荷的情況下，需要將它們組合起來，以便將它們與試驗標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較。這里，這是通過計算負(fù)載率總和（LRS）來實現(xiàn)的：

該公式包括所有現(xiàn)有荷載、最大允許載荷和四個修正系數(shù)。這些也可以在MCS10數(shù)據(jù)表中找到（見圖2）。

靜態(tài)與動態(tài)、脈動與交變負(fù)載

靜態(tài)負(fù)載意味著傳感器承受的負(fù)載不會隨時間變化，也就是說，它是恒定的。另一方面，動態(tài)載荷意味著載荷隨時間而變化，也就是說，它不是恒定的。在許多應(yīng)用中，靜載荷涉及施加和移除載荷的過程。在達(dá)到靜載荷之前，載荷會動態(tài)增加，當(dāng)載荷被移除時，載荷會再次動態(tài)減少。通常，這些應(yīng)用程序可以被認(rèn)為是純靜態(tài)的，如有疑問的話，也可以將負(fù)載的施加和移除視為單獨的動態(tài)負(fù)載情況。

動態(tài)載荷可進(jìn)一步分為脈動載荷和交變載荷。這里的決定性因素是，在脈動負(fù)載下，負(fù)載方向不會發(fā)生逆轉(zhuǎn)。這意味著，施加在傳感器上的壓向力或拉力，或是某個方向上的扭力，只有有時更強(qiáng)，有時較弱。另一方面，交變加載意味著拉力和壓力或順時針和逆時針扭矩交替變化。荷載的符號反轉(zhuǎn)也說明了這一點。圖4顯示了這三種情況下施加荷載隨時間變化的示例。交變負(fù)載的測試標(biāo)準(zhǔn)是最嚴(yán)格的，因為它們對傳感器施加了更大的負(fù)載。

圖4 靜態(tài)、脈動和交變負(fù)載

額定量程，極限負(fù)載，破壞負(fù)載

區(qū)分這三個參數(shù)并不特別困難，然而必須確保傳感器的安全使用。在額定量程內(nèi)，傳感器的技術(shù)指標(biāo)都在保證范圍內(nèi)。對于超過額定量程且范圍達(dá)到極限負(fù)載的負(fù)載，無法再保證其滿足技術(shù)規(guī)格。但是，此范圍內(nèi)的負(fù)載仍然是允許的，如果不經(jīng)常發(fā)生，則不會損壞傳感器。當(dāng)進(jìn)一步將載荷增加到極限載荷和斷裂載荷之間時，測量體變形會達(dá)到永久損壞的程度，傳感器無法再用于進(jìn)一步測量。超過破壞載荷極限的載荷將導(dǎo)致傳感器斷裂。需要注意的是，這些荷載范圍僅適用于單軸和靜荷載情況。

圖5 靜態(tài)負(fù)載量程

特殊方面和可能的遺漏

一個可能微不足道但偶爾被忽略的方面是，傳感器必須承受所有六個方向的負(fù)載，即使它們未被測量。例如，如果使用三維力傳感器（Fx、Fy、Fz），其也必須要能夠承受同時產(chǎn)生的力矩，即使它們未被測量。這些力矩包括直接作用的扭矩，以及施力點到坐標(biāo)原點杠桿產(chǎn)生的力矩，后者導(dǎo)致了另一個特殊性：對于MCS10，坐標(biāo)原點的位置位于測量體的中心。如果力Fx1 直接施加在測量物體表面，則會產(chǎn)生杠桿臂 lh （傳感器高度的一半）和力矩My。例如，如果力被加載到距離傳感器更遠(yuǎn)的位置，則桿臂為lh + l加上力Fx2，將會產(chǎn)生更大的力矩My。因此，應(yīng)始終盡可能靠近傳感器施加力，如果操縱桿較長，則應(yīng)仔細(xì)觀察。

圖6 力導(dǎo)入點和產(chǎn)生的力矩

實際應(yīng)用

了解完不同類型的載荷、極限和標(biāo)準(zhǔn)后，下面就是如何估計應(yīng)用中傳感器的載荷的問題。以下過程已被證明是可行的：

選擇額定量程

在大多數(shù)情況下，如果測量的方向是已知的，最大量程即為負(fù)載絕對值。

確定發(fā)生的所有荷載

每個載荷方向的最大載荷可從應(yīng)用中出現(xiàn)的最大載荷以及幾何布置（扭矩=力x桿臂）中得出。需要注意的是這些不僅作為一個絕對值，還包括符號。這項任務(wù)通常很耗時，尤其是對于復(fù)雜的設(shè)置和相互作用的力。然而，它是可靠評估的基礎(chǔ)，因此是必要的。除最大荷載外，其他荷載也可能相關(guān)。尤其是當(dāng)涉及不同類型的負(fù)載時。例如，如果最大負(fù)載為靜態(tài)負(fù)載，但較小的負(fù)載為交變和動態(tài)負(fù)載，則必須對這兩種情況進(jìn)行調(diào)查分析。

荷載工況的定義

通常，并非所有荷載都同時發(fā)生?？赡艽嬖趦蓚€力和一個力矩的常規(guī)情況，以及使用不同力開始和停止加載的狀況。為了能夠單獨考慮這些情況，將它們細(xì)分為獨立的負(fù)載情況并單獨研究每個負(fù)載是有意義的。建議為此創(chuàng)建表格。

考慮每個荷載工況

本頁上的交互式指南有助于找到正確的極限值或正確的標(biāo)準(zhǔn)，以便在此步驟中檢查各個荷載工況。對于不同的荷載情況，需要將實際荷載與極限值進(jìn)行比較并進(jìn)行評估，或者將該情況下計算的LRS與相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較并進(jìn)行評估。為了避免每次手動計算LRS，可以 下載 Microsoft® Excel® 模板。這使您能夠自動執(zhí)行此步驟。

全面評估

完成上述步驟后，您將獲得一個表格，理想情況下，該表格僅包含各個荷載工況的正向結(jié)果。在這個表格中，不僅要注意OK（正常）或not OK（不正常），還要注意確切的結(jié)果。這樣就很容易看出是否選擇了不正確量程的傳感器，或者所有結(jié)果是否一致。

結(jié)論

選擇和評估多分量傳感器并非易事。如果你遵循這個循序漸進(jìn)的過程，準(zhǔn)備一個流程圖，這個問題可以很容易地處理，得到一個可靠的結(jié)果。