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如何確保在任何地方的力都是相同的
力傳感器你可以在每一個(gè)與機(jī)械系統(tǒng)有關(guān)的實(shí)驗(yàn)室中發(fā)現(xiàn)。力傳感器也安裝在材料試驗(yàn)機(jī)和其他試驗(yàn)機(jī)上，記錄輸入信號(hào)并進(jìn)行控制，以及用于結(jié)果評(píng)估。
力傳感器兩種測(cè)量原理
基于應(yīng)變的力傳感器 包括一個(gè)彈性體，并在其中安裝有應(yīng)變片。當(dāng)力作用其上面時(shí)，彈性體產(chǎn)生變形，應(yīng)變片將變形量轉(zhuǎn)換為電阻變化。通常采用四個(gè)應(yīng)變片組成一個(gè)橋路，將電阻變化轉(zhuǎn)換維科測(cè)量的電壓。在這個(gè)過(guò)程中，激勵(lì)電壓要始終施加到應(yīng)變傳感器上。
壓電傳感器結(jié)構(gòu)是基于在力的作用下晶體將產(chǎn)生電荷。電荷和力之間有一個(gè)線性關(guān)系。電荷通過(guò)相關(guān)的電學(xué)原理轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。
所有力傳感器都提供一個(gè)包含傳感器靈敏度信息的文檔。傳感器在加載已知的力情況下，通過(guò)測(cè)量獲得輸出信號(hào)。這個(gè)“校準(zhǔn)”過(guò)程的結(jié)果將記錄在相關(guān)文件中。根據(jù)傳感器的質(zhì)量和價(jià)格不同，文檔將描述最大的力輸出值和不同力下的多個(gè)個(gè)測(cè)量值。校準(zhǔn)是傳感器生產(chǎn)中最重要的步驟之一，它決定著力傳感器的價(jià)值。當(dāng)然，以后的測(cè)量將不會(huì)比傳感器校準(zhǔn)時(shí)獲得的特征值更精確。
力傳感器制造商使用相關(guān)的加載裝置來(lái)精確地產(chǎn)生額定力，從而為這些校準(zhǔn)測(cè)量創(chuàng)造前提。HBM的加載機(jī)可提供供10 N 到 5 MN 之間的任何值。
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加載裝置的要求非常嚴(yán)格。例如，基于特定的力值，HBM 加載裝置的精度為 0.005% 精度。這些數(shù)據(jù)不是基于機(jī)器所能產(chǎn)生的最大力，而是基于施加的力。因此，在1000 N 的力下，如果加載設(shè)備的精度為0.005%，則誤差為0.05 N。工作原理不同加載裝置也會(huì)有不同。
用重量法產(chǎn)生較小的力。
重量法通常用于產(chǎn)生較小的力，因?yàn)樗鼈兊馁|(zhì)量是精確已知的，要測(cè)試的力傳感器可以裝載它們。這些機(jī)器被稱為靜重式。質(zhì)量產(chǎn)生的影響取決于特定地理位置上的重力加速度，以及大氣層的浮力。浮力取決于質(zhì)量單位的密度和空氣壓力。HBM 最大試驗(yàn)力靜載機(jī)為 240千牛、德國(guó)國(guó)家計(jì)量研究所(PTB)甚至有 2 MN 力靜載機(jī)。
這些力加載機(jī)的幾何形狀在載荷下決不能改變，否則力將不再均勻地施加到傳感器上。這將導(dǎo)致顯著的測(cè)量錯(cuò)誤。物質(zhì)由化學(xué)物質(zhì)組成，非常惰性。然而，關(guān)鍵是要確保不能與環(huán)境產(chǎn)生反應(yīng)(例如氧化)。定期檢查確保機(jī)器不會(huì)受到不正確的維護(hù)或缺乏清潔(灰塵堆積)產(chǎn)生負(fù)面影響。
液壓機(jī)用于產(chǎn)生較大的力
通常采集液壓裝置產(chǎn)生較大的力值。這是特別有用的，否則將需要非常多的砝碼，而且極為昂貴。并在測(cè)試設(shè)備和液壓系統(tǒng)之間連接一個(gè)非常精密的力傳感器。這種精密力傳感器是用來(lái)確定施加在試驗(yàn)設(shè)備上的力。因此，定期檢查和校準(zhǔn)參考力傳感器是非常重要的。
原始千克原件
所有的設(shè)備都以最初的原件作為參考，其存儲(chǔ)在法國(guó)的 BIPM (國(guó)際計(jì)量局) 。其他質(zhì)量拷貝均是這一千克原件的副本。
如何確保這些加載裝置測(cè)量正確，從而確保校準(zhǔn)始終是可靠的?
重要的是，測(cè)量結(jié)果是可重復(fù)的：這是唯一的方法，確保在一個(gè)特定位置的測(cè)量結(jié)果也可以在另一個(gè)位置重現(xiàn)。這意味著必須以同樣的方式對(duì)力傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)。在國(guó)際比對(duì)中，一個(gè)特定的作用力也必須總是相同的。這就要求對(duì)所有加載機(jī)器進(jìn)行定期檢查，即與被認(rèn)為是準(zhǔn)確的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)相比較。
國(guó)家計(jì)量機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)確保力值在各地都是相同的，這是一個(gè)先決條件，并為力值提供了定義。在德國(guó)，這是德國(guó)國(guó)家計(jì)量研究所(PTB)負(fù)責(zé)的。其他所有加載機(jī)都必須以它們作為參照。
國(guó)際比對(duì)
為了確保您使用的牛頓始終是全球共同使用的那個(gè)牛頓單位，需要進(jìn)行國(guó)際比對(duì)或計(jì)量機(jī)構(gòu)之間進(jìn)行比對(duì)。您可以拆除您的加載設(shè)備并在其他地方重新安裝進(jìn)行比對(duì)是否符合國(guó)際測(cè)力標(biāo)準(zhǔn)。但我們不推薦采用此方法。因?yàn)椴鸪桶惭b都需要高度靈敏的測(cè)量技術(shù)，并且運(yùn)輸也具有很大的風(fēng)險(xiǎn)。
這也是為何要使用轉(zhuǎn)移測(cè)量傳感器的原因。這些專門設(shè)計(jì)的傳感器都具有極高的可重復(fù)性，一般小于 0.002%。加載設(shè)備需要采用此類傳感器和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比對(duì)，而國(guó)際上不同國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)比對(duì)也同樣需要此類傳感器。
基于應(yīng)變的傳感器滿足最高標(biāo)準(zhǔn)
目前，滿足這種高標(biāo)準(zhǔn)的力傳感器是基于應(yīng)變技術(shù)的。有兩個(gè)原因。應(yīng)變傳感器采用惠斯通電橋。應(yīng)變片的巧妙安裝確保了大量的寄生效應(yīng)，如溫度、起始彎矩或側(cè)向力能夠在很大程度上得到補(bǔ)償。應(yīng)變傳感器能滿足靜態(tài)校準(zhǔn)的所有要求，因?yàn)樗麄儧]有漂移，并顯示長(zhǎng)期穩(wěn)定。
根據(jù) ISO 376 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)對(duì)這些傳感器的特性進(jìn)行評(píng)估是必須的。在這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中，傳感器的可重復(fù)性是非常重要的。另外還包括蠕變、滯后以及傳感器和規(guī)定的特性曲線之間的誤差等。
為了便于敵營(yíng)，力傳感器按照 ISO 376 確定精度等級(jí)。00 級(jí)是其中最高標(biāo)準(zhǔn) - 其規(guī)定了安裝和拆卸的可重復(fù)性(“在不同的安裝位置”)僅為測(cè)量值的 0.05%。因此，即使是 00 級(jí)傳感器也不足以確保滿足國(guó)家測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)。
HBM 轉(zhuǎn)移測(cè)量傳感器，其可重復(fù)性一般在 0.002% 和 0.05% 之間。這些用于轉(zhuǎn)移測(cè)量的傳感器量程為 2.5 N 到 5 MN 。
Top 級(jí)傳感器不是生產(chǎn)出來(lái)的，而是挑選出來(lái)的
這些 Top 級(jí)傳感器所達(dá)到的精度無(wú)法通過(guò)精密生產(chǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)。而是通過(guò)對(duì)生產(chǎn)出的傳感器進(jìn)行廣泛測(cè)試，挑選獲得的。
乍看起來(lái)，嚴(yán)格的測(cè)試要求似乎太過(guò)分了，但你必須考慮到每種比對(duì)測(cè)量都會(huì)產(chǎn)生精度損失。最初要和國(guó)家測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)比對(duì)。然后，這些力傳遞傳感器需要被用來(lái)再次比對(duì)加載機(jī)。為了確?，F(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)的準(zhǔn)確性，必須確保每次比對(duì)以盡可能高的精度進(jìn)行。
其他校準(zhǔn)知識(shí)
技術(shù)術(shù)語(yǔ)
在校準(zhǔn)術(shù)語(yǔ)中，“比對(duì)”被理解為與更高的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較。因此，在德國(guó)，傳感器制造商校準(zhǔn)機(jī)需要和德國(guó)國(guó)家計(jì)量院的國(guó)家測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)(PTB)通過(guò)比較測(cè)量。
標(biāo)準(zhǔn)和精度等級(jí)
ISO 376標(biāo)準(zhǔn)是校準(zhǔn)參考力傳感器的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。被測(cè)試的傳感器需要安裝并從加載機(jī)上拆卸三次，每次拆卸時(shí)，傳感器需要旋轉(zhuǎn)120度。至少存在八個(gè)方向上的力用于加載，以及兩個(gè)安裝位置上的下壓力。然后對(duì)每個(gè)力的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較，以便根據(jù)給定公式計(jì)算“不同安裝位置的重復(fù)性”。這樣講確定傳感器的重復(fù)性，滯后誤差(通過(guò)力的增加和降低來(lái)確定兩者之間的差別)，蠕變(隨著時(shí)間的推移，在恒負(fù)載下的輸出信號(hào)的變化)和偏離擬合曲線(傳感器的實(shí)際特性曲線和公式描述的特性曲線之間的偏差)。
所有這些參數(shù)將在 ISO 376 在校準(zhǔn)證書中描述。并包括在不同的力下傳感器的不確定性以及精度等級(jí)。如果某個(gè)值低于某個(gè)類下限，則傳感器將被降低到下一級(jí)。
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