使用力傳感器測量力可確保最大的測量精度。然而在分力測量時(shí)，需要采用與應(yīng)用精確匹配的特殊傳感器。今天我們將介紹進(jìn)行分力測量的三種方法。

對于應(yīng)變力傳感器來說，即使在現(xiàn)場安裝后，也可以很容易地再現(xiàn)校準(zhǔn)過程中確定的特性曲線，即施加的力和輸出信號比。力傳感器必須安裝在力傳遞流中，并且沒有任何分力，這是先決條件。并且必須確保完整的力傳遞流通過傳感器進(jìn)行測量。這意味著力傳感器的特性，例如硬度和動態(tài)性能，這將影響整體設(shè)計(jì)。另外，大量程的傳感器具有更大的結(jié)構(gòu)。

力測量可以通過結(jié)構(gòu)的變形來進(jìn)行測量，可以采用以下三種方法：

·安裝應(yīng)變片

·利用應(yīng)變傳感器，其有時(shí)候內(nèi)置了電路

·利用力墊圈，其基于應(yīng)變或壓電技術(shù)

這些方法的劣勢和優(yōu)勢總結(jié)如下：

1. 采用應(yīng)變片測量

安裝應(yīng)變片實(shí)際上對被測物體的結(jié)構(gòu)沒有任何影響。結(jié)構(gòu)的硬度和動態(tài)特性將會保持不變。在對花絲結(jié)構(gòu)測試時(shí)，應(yīng)變片具有非常明顯的優(yōu)勢，因?yàn)槠渥冃螘r(shí)，只需要非常小的力。安裝時(shí)需要使用全橋應(yīng)變片，并且需要選擇能夠補(bǔ)償寄生負(fù)載（例如，彎矩或扭矩）的應(yīng)變片。此外，需要測量這些影響。假設(shè)，沒有任何彎矩作用在被測物體的上，全橋應(yīng)變片是理想的選擇，你可以采用VY41，安裝角度為45度。

輸出信號只和應(yīng)變系數(shù)、應(yīng)變層以及材料的泊松比有關(guān)，可以通過以下等式計(jì)算獲得：

假設(shè)20MPa的機(jī)械應(yīng)變作用在鋼結(jié)構(gòu)中，應(yīng)變系數(shù)為2， 應(yīng)變測量結(jié)果為100μm/m，以上等式計(jì)算出的輸出結(jié)果為0.13 mV/V。通過計(jì)算得出結(jié)果是采用這種方法的一大劣勢。

圖1 VY41應(yīng)變片，應(yīng)變片組成全橋能降低線纜產(chǎn)生的影響。在這種情況下，呈45度排列是必須的。

另外，應(yīng)變片需要現(xiàn)場安裝，并需要保護(hù)層，還要使用黏合劑。弱化部件強(qiáng)度將能提高測量橋路的輸出信號。但這將影響被測物體的強(qiáng)度，反過來說，將影響動態(tài)特性和穩(wěn)定性。

2. 利用應(yīng)變傳感器測量力

應(yīng)變傳感器可以被安裝在物體結(jié)構(gòu)上。傳感器通過安裝在彈性體上的全橋應(yīng)變片來進(jìn)行測量的。如圖顯示，這些應(yīng)變傳感器帶有一個(gè)有機(jī)硅膠涂層，可以防潮，并提供機(jī)械保護(hù)。應(yīng)變傳感器基于應(yīng)變原理。安裝區(qū)域的應(yīng)變將會大于螺紋連接間的應(yīng)變值。

圖2 應(yīng)變傳感器 SLB700

圖3 SLB 彈性體，圖片顯示了應(yīng)變片被安裝在被測物體應(yīng)變區(qū)

圖3顯示了SLB彈性體，加載到傳感器的力需要加載到應(yīng)變片的中心。因?yàn)?，脫離中心區(qū)域剛度會顯著減少，應(yīng)變可以采用以下等式計(jì)算得出：

假設(shè)應(yīng)變區(qū)將不產(chǎn)生任何應(yīng)變，當(dāng)然嚴(yán)格來說，這是不正確的。應(yīng)變傳感器的靈敏度可以通過應(yīng)變區(qū)的長度和螺紋之間的距離比進(jìn)行調(diào)節(jié)。原理上說，可以獲得非常高的靈敏度。但是在實(shí)際應(yīng)用中，500 μm/m的應(yīng)變輸出信號能達(dá)到1.5 mV/V。其靈敏度將比全橋應(yīng)變片高230% 。組件的溫度膨脹可以通過采用合適的電路來進(jìn)行補(bǔ)償。另外, 內(nèi)置電路的應(yīng)變傳感器也可以在應(yīng)用中進(jìn)行標(biāo)定，因此提供了非常高效的測量鏈。

不內(nèi)置電路的傳感器具有更高的阻抗，可以達(dá)到700Ω。這樣可以采用數(shù)個(gè)應(yīng)變傳感器并聯(lián)使用。SLB應(yīng)變傳感器采用螺絲安裝，只需要一個(gè)平臺表面，傳感器就可以立即使用了。

3. 利用力墊圈來測量

力墊圈可以基于應(yīng)變或壓電技術(shù)，無論選擇何種原理。力墊圈都采用螺栓和螺絲連接，由于采用螺栓連接，其類似于彈性體，降低了系統(tǒng)的靈敏度。一般來說，大約10%的靈敏度將受到影響。因此，力墊圈不能在工廠進(jìn)行校準(zhǔn)。

為保證更好的重復(fù)性，需要進(jìn)行預(yù)應(yīng)力加載。力的峰值取決于額定力的大小，最高的彎矩往往發(fā)生在額定負(fù)載的50%。因此，最佳的預(yù)應(yīng)力應(yīng)該采用額定負(fù)載的50%，這同樣適用于壓電力墊圈。

圖4 KMR力墊圈, 結(jié)構(gòu)小巧, 20kN額定力

圖5 CFW壓電力墊圈, 量程20到700kN

圖6 用于工具監(jiān)控，力墊圈測量螺紋連接的力

力墊圈具有非常高的防護(hù)等級，因此可以立即使用。在這方面，其和應(yīng)變傳感器具有同樣的優(yōu)勢 。力墊圈同樣具有非常好的靈敏度。并且和額定量程無關(guān)。

通過分力標(biāo)定測量鏈

所有三種方法都有一個(gè)共同點(diǎn)，即測量鏈在安裝后需要校準(zhǔn)。這意味著必須至少在兩個(gè)已知的力點(diǎn)進(jìn)行測量。由于傳感器在嚴(yán)格定義的誤差范圍內(nèi)是線性的，并且這些方法不能用于高精度測量，一般來說，兩點(diǎn)標(biāo)定是足夠的。

內(nèi)置儀表的傳感器遵循這個(gè)原理。校準(zhǔn)只需要在零點(diǎn)進(jìn)行測量，并將控制脈沖發(fā)送到電子設(shè)備。當(dāng)施加最大力時(shí)，需要另一個(gè)控制脈沖。電子設(shè)備然后將自動調(diào)整。

零點(diǎn)應(yīng)變對應(yīng)著1V, 最大應(yīng)變被轉(zhuǎn)換成9V, 輸出范圍將被設(shè)置為0到10V，其中10%測量范圍用于過載和負(fù)應(yīng)變。并可將負(fù)輸入應(yīng)變轉(zhuǎn)換為正輸出電壓，以及提供4-20mA的輸出信號。

分力測量

在分力測量中，有多種有用的方法。所有的方法都有一個(gè)共同點(diǎn)，它們只會對整個(gè)結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性產(chǎn)生輕微影響。然而在進(jìn)行高精度測量時(shí)，應(yīng)變或壓電力傳感器是第一選擇，其具有更高的精度，原因如下：

·安裝后無需調(diào)整力傳感器, 因?yàn)閭鞲衅饕呀?jīng)在工廠進(jìn)行了校準(zhǔn)。在對分力進(jìn)行測量時(shí)，一般都需要在被測物體上校準(zhǔn)。

·測量不確定性已知，并可以通過選擇傳感器型號來降低不確定性。

·利用高精度傳感器(例如S9M提供0.02精度) 來測量, 獲得分力測量無法提供的精度。