应变式力传感器动态测量系统的研究_张伟

SHIP ENGINEERING 船 舶 工 程

V ol.34 Supplement 1 2012 总第34卷，2012年增刊1

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应变式力传感器动态测量系统的研究

张 伟，张 跃，张智敏，胡 刚，孟 峰

（中国计量科学研究院，北京 100013）

摘 要：研制了应变式力传感器动态测量系统，通过测试该系统的固有频率和冲击响应，对系统的动态特性进行研究。该系统溯源到静态力标准。实验表明：当测量系统固有频率相对被测信号的频率足够高时，通过静态溯源的力传感器系统可以用于测量动态力。

关键词：应变式力传感器；动态测量系统；动态特性；动态力；冲击力

中图分类号：TP212.1 文献标志码：A 文章编号：1000-6982 (2012) Z1-0067-03

应变式力传感器（以下简称力传感器）是在测力领域广泛应用的一种传感器。目前，对力传感器静态特性的研究已经比较全面和成熟，但对其动态特性的研究还较少。随着科学技术、国民经济和生产建设的发展，要求进行动态测量的领域与日俱增。力传感器能否满足动态测量的需要成为人们越来越关注的问题。因此，需要开展对力传感器动态特性的研究，研发动态力测量系统。

动态特性指标可分为时域和频域指标。时域指标包括上升时间、峰值时间和超调量等；频域指标包括工作频带和固有频率等。无论从时域指标还是从频域指标，都可以考察测试系统的动态特性。本文研制了力传感器动态测量系统，通过测试系统的固有频率以及比较系统冲击响应的时域输入输出波形，考察系统的动态性能。利用该系统测量中国计量科学研究院激光绝对法冲击力标准装置产生的标准冲击力。该标准装置最大冲击力为200kN 。冲击力直接溯源到基本量：质量和时间。

1 系统的组成及动态特性 1.1 系统的组成

本文设计的力传感器动态测量系统由力传感器、数据采集系统和相应的软件平台构成，系统结构见图1。

力传感器测量系统的动态特性主要取决于传感器的动态特性。目前对力传感器动态特性研究的方法主要有冲击激励法[1-3]和谐波激励法[4]等。通过对三种不同结构力传感器的动态特性进行测试和研究，包括实心圆柱式、圆筒式和S 形力传感器，结果表明：动态特性最好的是实心圆柱式力传感器，其次是圆筒式力传感器，最后是S 形力传感器[5]。本文选择德国HBM 公司的C2-2OkN 实心圆柱式力传感器搭建动态测量系统，如图2所示，主要技术指标见表1。数据采集选用美国国家仪器公司NI PXI-

4220

数据采集系统，最大采样率为200kS/s 。

图1 力传感器动态测量系统结构图

图2 力传感器

表1 力传感器主要技术指标

型号 C2-2OkN 准确度等级 0.1级

满量程灵敏度 2 mV/V 直线度 <0.1% 固有频率 13 kHz

2.2 系统的动态特性测试

本文通过测试力传感器测量系统的固有频率并比较系统冲击响应的时域输入输出波形，考察系统

作者简介：张伟（1981-），男，助理研究员。主要从事测力方面的研究与工作。

力传感器动态测量系统 应变式力传感器

数据采集系统 数据分析

处理 与显示 信号预处理模块

信号显示与 分析模块信号频谱 分析 模块 线性 插值 模块 信号存储

读取 模块

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的动态性能。

固有频率测试按照以下步骤进行：1）将力传感器悬挂起来；2）用小锤敲击传感器，使之产生自由振荡；3）记录下敲击瞬间和振荡过程波形；4）通过振荡时间和振荡周期数计算振荡频率，同时参考

频谱分析的结果，得到系统的固有频率。

C2-2OkN 力传感器测量系统时域自振波形及其频谱分析结果见图3，由此可知：该力传感器测量系统的固有频率大于10kHz 。

图3 C2-20kN 固有频率测试

冲击力标准装置产生的标准冲击力频谱分析见图4，由图可知：标准冲击力的主要频率分量集中在2 kHz 以内。力传感器测量系统冲击响应的时域输入输出归一化波形见图5，红色曲线为输入波形，白色曲线为输出波形，输入输出波形基本一致，因此，该系统适用于测量冲击力标准装置产生的冲击力。

图4 标准冲击力频谱分析

图5 C2-20kN 冲击响应输入输出归一化波形

3 冲击力实验及结果

冲击力实验见图6。力传感器固定在冲击力标准装置的底座上，覆盖一层毡垫。冲击力标准装置的落锤设置在不同的高度以产生不同峰值的冲击力。实验结果如表2所示，该力传感器测量系统示值误差

小于2%。

图6 冲击力实验 表

2

冲击力实验结果

标准力值/N

示值/N

示值误差

/(%)

8868 8917 0.6 8736 8842 1.3 9848 9873 0.3 10009 10093 0.9 10428 10610 1.8 10688 10824 1.3 10736 10836 1.0 12262 12474 1.8 12452 12575 1.0 13821 13967 1.1 13883 14036 1.2 14551 14815 1.9 15023 15287

1.8

(a) 力传感器时域自振波形 (b) 自振波形频谱分析

4 结论

本文基于应变式力传感器研制了力传感器动态测量系统，力传感器的固有频率为13kHz，溯源到静态力标准。通过测试该系统的固有频率和冲击响应，对系统的动态特性进行了研究。测量上升时间约1ms，主要频率分量在2kHz以内的冲击力时，该系统的示值误差小于2%。因此，当力传感器固有频率相对于被测信号的主要频率分量足够高时（本文高于5倍），溯源至静态力标准的力传感器可用于动态力测量。

参考文献：

[1] Yusaku Fujii. Measurement of impulse response of

force transducers[J]. Review of Scientific Instruments, 2007, 72(7): 3108-3111. [2] Yusaku Fujii. Measurement of the electrical and

mechanical responses of a force transducer against impact forces[J]. Review of Scientific Instruments, 2006, 77: 85-108.

[3] Michael Kobusch, Thomas Bruns, Lioba Stenner, et al.

Impulse Force Investigations of Strain Gauge Sensors

[C]// IMEKO TC3, 2005.

[4] Yon-Kyu Park, Rolf Kumme, Dae-Im Kang. Dynamic

Evaluation of Column Type Multi-component Force Transducers[C]// XVIII IMEKO WORLD CONGRESS, Rio de Janeiro, Brazil, 2006.

[5] 张伟, 张跃, 张智敏. 基于LabVIEW的应变式力传

感器动态特性及动态测量平台的研究[D]. 杭州: 中

国计量科学研究院, 2010.

（上接第56页）

取其均匀分布，包含因子k=

1

()0.07

u r===(mm)

（5）合成标准不确定度

()

u r

()

0.071(mm)

u r=

=

()0.071

()100%0.059%

121.5

rel

u r

u r

r

==×=

3）合成标准不确定度

000

()()/

rel

u U u U U

=

=

=

()0.18%

rel

u U==

2.4.3 合成标准不确定度

()

crel

uγ=

=

=

()0.67%

crel

uγ==

2.5 扩展不确定度

()20.67% 1.34% 1.4%

c

U kuγ

==×=≈

3 结束语

经过两年多的研究，制造了用于检测立式动平

衡机的标准器具，研究了检测方法，其研究成果满

足动平衡机量值溯源的需求，填补了国防军工计量

在该领域的空白。在此感谢国防科技工业3213二级

计量站和上海申克公司等机构给予的技术支持与帮

助。

参考文献：

[1] 叶能安, 余汝生. 动平衡原理与动平衡机[D]. 华中

工学院, 1985.

[2] ISO2953:1999. Mechanical vibration Balancing

machines Description and evalution[S]. 1999.

[3] ISO1940/1. Mechanical vibration-Balance quality

requirements of rigid rotors-Part1: Determination of

permissible residual unbalance[S]. 1986.

[4] GB/T 4201-2006. 平衡机的描述检验与评定[S].

2006.

[5] GB/T 9239.1-2006. 机械振动恒态（刚性）转子平衡

品质要求第1部分：规范与平衡允差的检验[S]. 2006.

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