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引 言
載荷力傳感器是試驗(yàn)技術(shù)和工業(yè)測(cè)量中使用最廣泛的一種傳感器,其中采用應(yīng)變片式力傳感器占有主導(dǎo)地位,量程從幾克到幾百噸,本文中稱重傳感器即是其中應(yīng)用較多的一種。
1 稱重傳感器測(cè)量?jī)A角的方法
1.1 測(cè)試方式設(shè)計(jì)
1.1.1 稱重傳感器的傾斜方式
用機(jī)械加工中常用的分度頭來(lái)實(shí)現(xiàn)將力傳感器在某一垂直平面內(nèi)傾斜放置的方案(見(jiàn)圖1 主視圖)。應(yīng)用該方案,既能夠?qū)崿F(xiàn)力傳感器在某一垂直平面內(nèi)傾斜放置,又可以利用分度頭的精確轉(zhuǎn)動(dòng)角度,保證力傳感器的傾斜角度準(zhǔn)確。
1.1.2 稱重傳感器的加載方式
根據(jù)測(cè)量原理,應(yīng)該給力傳感器施加一個(gè)已知重力。該已知重力是通過(guò)一個(gè)加載裝置實(shí)現(xiàn)的。加載裝置由一個(gè)連接軸和兩個(gè)加載環(huán)組成。實(shí)際應(yīng)用中,將連接軸用兩個(gè)螺栓固定在力傳感器上,然后把兩個(gè)加載環(huán)分別裝在連接軸的兩端(圖1 左視圖),這樣就實(shí)現(xiàn)了對(duì)力傳感器施加一個(gè)已知重力。
1.1.3 檢測(cè)方法
實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,用分度頭的卡盤帶動(dòng)力傳感器轉(zhuǎn)動(dòng)后停留在某一傾斜角度,使用高精度的數(shù)字電壓表測(cè)量力傳感器的輸出電壓信號(hào),作為計(jì)算力傳感器傾斜角度余弦值的原始數(shù)據(jù)。
1.2 傾角測(cè)試實(shí)驗(yàn)
在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,分別對(duì)兩個(gè)稱重傳感器進(jìn)行測(cè)試。每個(gè)稱重傳感器的測(cè)試步驟如下:
(1)先將稱重傳感器處于水平狀態(tài)(傾角α=0°),記錄其輸出電壓。
(2)以9°為步長(zhǎng)測(cè)量稱重傳感器從0°~ 90°傾斜時(shí)的輸出電壓。
(3)只做傾角增加過(guò)程的實(shí)驗(yàn),不做傾角減小過(guò)程的實(shí)驗(yàn),避免由于分度頭傳動(dòng)系統(tǒng)的間隙造成實(shí)驗(yàn)誤差。
(4)將0°~ 90°傾角增加過(guò)程的實(shí)驗(yàn)重復(fù)三遍。
稱重傳感器測(cè)量?jī)A角測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。
1.3 理論計(jì)算
當(dāng)被測(cè)力與力傳感器的理想測(cè)力方向Z-ZΦ偏斜一個(gè)角度α時(shí),被測(cè)力P 與力傳感器實(shí)際測(cè)得的值P1 存在關(guān)系: cosα 1 P = P 其測(cè)量誤差Δ P 為: (1 cos ) 1 ΔP = P − P = P − α由此可得測(cè)量?jī)A角關(guān)系式:PPcosα = 1根據(jù)表1 的測(cè)試結(jié)果,運(yùn)用測(cè)量?jī)A角關(guān)系式P
Pcosα = 1 , P 為已知重力, 1 P 為稱重傳感器所測(cè)重力,可以分別得到1 號(hào)和2 號(hào)稱重傳感器測(cè)量?jī)A角測(cè)試的計(jì)算結(jié)果(表2、表3)。cosα1 為傾角余弦值的計(jì)算結(jié)果,α1 為傾角值的計(jì)算結(jié)果。
2 傾角測(cè)量誤差分布情況分析
2.1 測(cè)試結(jié)果的可靠性分析
從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看,1 號(hào)稱重傳感器和2 號(hào)稱重傳感器測(cè)量?jī)A角測(cè)試實(shí)驗(yàn)的重復(fù)性都很好,說(shuō)明測(cè)量?jī)A角的實(shí)驗(yàn)條件穩(wěn)定,測(cè)試結(jié)果可靠。
2.2 測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確度分析
由計(jì)算結(jié)果來(lái)看,1 號(hào)稱重傳感器和2 號(hào)稱重傳感器測(cè)量?jī)A角實(shí)驗(yàn)的計(jì)算結(jié)果比較接近真實(shí)的傾角值α,但仍然存在一定的誤差。表2、3 中傾角測(cè)量計(jì)算值的情況,可以進(jìn)一步整理得到1 號(hào)稱重傳感器和2 號(hào)稱重傳感器進(jìn)行傾角測(cè)量時(shí)傾角計(jì)算結(jié)果的絕對(duì)誤差分布情況。
用稱重傳感器測(cè)量?jī)A角的傾角計(jì)算結(jié)果存在一定誤差。但是,其誤差分布很有規(guī)律:αe-傾角測(cè)量及計(jì)算的誤差:αe=α1-α
(1)兩個(gè)稱重傳感器各自重復(fù)三遍的所有實(shí)驗(yàn)結(jié)果的誤差分布情況基本一致。
(2)在傾角9°~ 90°變化范圍內(nèi),傾角為36°時(shí),誤差值最小(約為0.08°),傾角為9°時(shí),誤差值最大(約為0.6°)
(3)當(dāng)傾角小于36°時(shí),誤差均為負(fù)值;當(dāng)傾角大于36°時(shí),誤差均為正值。并且,傾角與36°的差值越大,其誤差的絕對(duì)值越大。
3 誤差補(bǔ)償方法
3.1 基本思路
由于用稱重傳感器測(cè)量?jī)A角計(jì)算值的誤差分布非常有規(guī)律,采用誤差補(bǔ)償技術(shù)能夠收到很好的效果。本文采用的補(bǔ)償方法是對(duì)傾角測(cè)量得到的傾角計(jì)算值α1 進(jìn)行補(bǔ)償,得到補(bǔ)償后的傾角值α2,并使α2 盡可能與真實(shí)傾角值α相等,整個(gè)過(guò)程即為:測(cè)量P1、求cosα1、求α1、補(bǔ)償、求α2。
3.2 補(bǔ)償函數(shù)的形式
本文對(duì)實(shí)驗(yàn)誤差補(bǔ)償采用差值補(bǔ)償方式,根據(jù)有關(guān)差值補(bǔ)償?shù)亩x,對(duì)于本文中傾角計(jì)算值的差值補(bǔ)償,其誤差補(bǔ)償過(guò)程可以用下式描述:α2=α1-αc1 (1)式中,α1-稱重傳感器測(cè)量?jī)A角的計(jì)算值;αc1-根據(jù)傾角計(jì)算值確定的誤差補(bǔ)償函數(shù);α2-經(jīng)過(guò)誤差補(bǔ)償后的傾角值。稱重傳感器測(cè)量?jī)A角的計(jì)算值α1 與真實(shí)傾角α之間的關(guān)系為:α1=α+αe (2)則: α2=α+αe-αc1 (3)理想的補(bǔ)償效果是:α2=α因此補(bǔ)償函數(shù)的目標(biāo)為: αc1=αe (4)采用一元高次多項(xiàng)式的回歸方法建立補(bǔ)償函數(shù)。在進(jìn)行回歸分析之前,先對(duì)表4 中的誤差分布情況進(jìn)行分析??梢钥闯觯趦A角α為36°時(shí),稱重傳感器測(cè)量?jī)A角的推算值α1 誤差最小(誤差接近于零)。
為使回歸得到的補(bǔ)償函數(shù)達(dá)到更好的補(bǔ)償效果,可以把補(bǔ)償函數(shù)分為兩個(gè)區(qū)間:9°~36°、36°~ 90°,并分別在兩個(gè)區(qū)間上通過(guò)回歸建立相互獨(dú)立的補(bǔ)償函數(shù)。經(jīng)過(guò)誤差補(bǔ)償?shù)? 號(hào)稱重傳感器測(cè)量的傾角值最大相對(duì)誤差為0.0278%,最大絕對(duì)誤差為1.50;2 號(hào)稱重傳感器測(cè)量的傾角值最大相對(duì)誤差為0.0202%,最大絕對(duì)誤差為1.09。
4 結(jié)束語(yǔ)
從稱重傳感器進(jìn)行傾角測(cè)量的研究工作,可以得到以下結(jié)論:
(1)用稱重傳感器實(shí)現(xiàn)傾角測(cè)量的實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)合理,實(shí)驗(yàn)結(jié)果及計(jì)算結(jié)果與文中理論分析基本吻合,說(shuō)明用力傳感器進(jìn)行傾角測(cè)量在理論上是正確的。
(2)每個(gè)稱重傳感器測(cè)量?jī)A角的實(shí)驗(yàn)結(jié)果重復(fù)性很好,并且兩個(gè)稱重傳感器的推算結(jié)果及相對(duì)誤差的分布情況非常接近,說(shuō)明實(shí)驗(yàn)條件穩(wěn)定,實(shí)驗(yàn)結(jié)果可靠,并具有代表性。
(3)雖然兩個(gè)稱重傳感器測(cè)量?jī)A角的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和計(jì)算結(jié)果存在一定的誤差,但其誤差分布的規(guī)律性很強(qiáng),適合運(yùn)用誤差補(bǔ)償技術(shù)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和計(jì)算結(jié)果進(jìn)行誤差補(bǔ)償。
(4)1 號(hào)稱重傳感器和2 號(hào)稱重傳感器傾角測(cè)量的誤差補(bǔ)償效果非常一致,說(shuō)明這種誤差補(bǔ)償?shù)姆椒ň哂写硇浴?br />
(5)經(jīng)過(guò)誤差補(bǔ)償?shù)膬蓚€(gè)傳感器的傾角測(cè)量誤差減小約99%,它們的最大絕對(duì)誤差不超過(guò)1.50,最大相對(duì)誤差不大于0.0278%.,誤差補(bǔ)償效果非常好。
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