動(dòng)態(tài)力學(xué)計(jì)量中力傳感器的特性研究與校準(zhǔn)方法優(yōu)化

摘要：現(xiàn)代工業(yè)和科學(xué)研究對(duì)動(dòng)態(tài)力學(xué)測(cè)量精度要求持續(xù)提高，力傳感器作為核心測(cè)量元件，準(zhǔn)確評(píng)估和校準(zhǔn)其性能十分關(guān)鍵。基于此，本文深入探究動(dòng)態(tài)力學(xué)計(jì)量中力傳感器的特性，探討并優(yōu)化現(xiàn)有校準(zhǔn)方法以提高力傳感器校準(zhǔn)的準(zhǔn)確性和可靠性，從而為動(dòng)態(tài)力學(xué)計(jì)量領(lǐng)域提供更精準(zhǔn)高效的測(cè)量支持。

關(guān)鍵詞：動(dòng)態(tài)力學(xué)計(jì)量；力傳感器；特性研究；校準(zhǔn)方法優(yōu)化

當(dāng)今科技發(fā)展迅猛，眾多領(lǐng)域都缺不了動(dòng)態(tài)力學(xué)計(jì)量。高精度的動(dòng)態(tài)力測(cè)量都是獲取準(zhǔn)確數(shù)據(jù)、確保系統(tǒng)性能與安全的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。力傳感器是實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)力測(cè)量的核心設(shè)備，其測(cè)量性能對(duì)整個(gè)動(dòng)態(tài)力學(xué)計(jì)量系統(tǒng)精度和可靠性起著直接決定作用。因此，深入研究力傳感器在動(dòng)態(tài)力學(xué)計(jì)量中的特性并優(yōu)化其校準(zhǔn)方法具有極大的現(xiàn)實(shí)意義和應(yīng)用價(jià)值。

一、力傳感器的工作原理

力傳感器工作原理以多種物理效應(yīng)為基礎(chǔ)，能把作用于自身的力轉(zhuǎn)變成可測(cè)的電信號(hào)或者其他物理量。基于應(yīng)變效應(yīng)的應(yīng)變片式力傳感器，外力作用于彈性元件，能夠使其形變，粘貼在其表面的應(yīng)變片電阻值隨之改變，通過(guò)測(cè)量電阻值變化再用惠斯通電橋原理就能轉(zhuǎn)變成對(duì)應(yīng)的電壓輸出，從而實(shí)現(xiàn)力的測(cè)量。壓電式力傳感器基于壓電效應(yīng)，有些壓電材料受外力時(shí)其表面產(chǎn)生的電荷量與外力成正比，測(cè)量電荷量就能確定受力大小。這些原理讓力傳感器把力學(xué)量精確地轉(zhuǎn)變成便于測(cè)量和處理的電學(xué)量，給后續(xù)數(shù)據(jù)采集與分析奠定基礎(chǔ)[1]。

二、動(dòng)態(tài)力學(xué)計(jì)量中力傳感器的特性分析

（一）動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性

動(dòng)態(tài)力學(xué)計(jì)量中，動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性是關(guān)鍵指標(biāo)，這一特性主要包含上升時(shí)間、響應(yīng)頻率、超調(diào)量等參數(shù)。其中上升時(shí)間是指力傳感器輸出信號(hào)從穩(wěn)態(tài)值某個(gè)比例上升到另一個(gè)比例所花的時(shí)間，體現(xiàn)傳感器對(duì)快速變化力的響應(yīng)快慢。響應(yīng)頻率決定著力傳感器能精確測(cè)量動(dòng)態(tài)力的頻率范圍，輸入力的頻率超過(guò)這個(gè)范圍，傳感器輸出就會(huì)失真。超調(diào)量是傳感器輸出超穩(wěn)態(tài)值的最大偏差跟穩(wěn)態(tài)值的比值，超調(diào)量太大，測(cè)量結(jié)果在動(dòng)態(tài)過(guò)程中波動(dòng)就大，測(cè)量精度就受影響。以沖擊試驗(yàn)為例，力傳感器得在極短時(shí)間內(nèi)精準(zhǔn)捕捉?jīng)_擊力的變化，要有極短的上升時(shí)間和足夠?qū)挼捻憫?yīng)頻率范圍。

（二）精度與穩(wěn)定性

力傳感器測(cè)量準(zhǔn)確性的度量就是精度。在動(dòng)態(tài)力學(xué)計(jì)量中動(dòng)態(tài)載荷特性復(fù)雜且受環(huán)境因素影響，力傳感器要保持高精度并非易事。除了靜態(tài)測(cè)量時(shí)存在的線性度誤差、遲滯誤差等，動(dòng)態(tài)測(cè)量中還會(huì)引入與頻率相關(guān)的誤差。穩(wěn)定性主要是力傳感器長(zhǎng)時(shí)間使用時(shí)測(cè)量性能不變的能力，環(huán)境溫度一旦改變，力傳感器內(nèi)部材料物理性質(zhì)就會(huì)改變，進(jìn)而傳感器靈敏度和零點(diǎn)就會(huì)漂移，測(cè)量穩(wěn)定性受到影響。在工業(yè)生產(chǎn)連續(xù)監(jiān)測(cè)時(shí)力傳感器需要長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作，其穩(wěn)定性與生產(chǎn)過(guò)程質(zhì)量控制和可靠性直接相關(guān)[2]。

（三）影響特性的因素

在動(dòng)態(tài)力學(xué)計(jì)量中，影響力傳感器特性的因素很多。內(nèi)部因素中，力傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料特性很關(guān)鍵。彈性元件的剛度和質(zhì)量分布會(huì)影響動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，剛度不足時(shí)在高頻動(dòng)態(tài)力作用下傳感器變形可能較大，從而影響測(cè)量精度。材料熱膨脹系數(shù)有差異，在溫度變化時(shí)會(huì)引入附加應(yīng)力影響穩(wěn)定性。外部因素方面，環(huán)境溫度、濕度變化對(duì)力傳感器性能影響明顯，高溫會(huì)使傳感器內(nèi)部電子元件性能降低，濕度可能導(dǎo)致內(nèi)部電路短路或者腐蝕，進(jìn)而影響測(cè)量精度和可靠性。動(dòng)態(tài)載荷特性，如沖擊載荷的峰值大小、作用時(shí)間，正弦載荷的頻率和幅值變化等，也會(huì)在不同程度上影響力傳感器的測(cè)量特性。

三、現(xiàn)有校準(zhǔn)方法

（一）正弦力校準(zhǔn)法

動(dòng)態(tài)力傳感器校準(zhǔn)常用正弦力校準(zhǔn)法，其原理為電磁振動(dòng)臺(tái)等設(shè)備能產(chǎn)生頻率和幅值精確的正弦激勵(lì)力，被校力傳感器與高精度加速度傳感器安裝于振動(dòng)臺(tái)上。牛頓第二定律有F=ma（F是動(dòng)態(tài)力，m為質(zhì)量塊有效質(zhì)量，a為加速度），通過(guò)測(cè)量加速度并結(jié)合質(zhì)量塊已知質(zhì)量，就能確定施加在力傳感器上的動(dòng)態(tài)力值。在參考頻率點(diǎn)，力傳感器靈敏度S=U/F（U是傳感器輸出電壓），將力傳感器的輸出和標(biāo)準(zhǔn)力值一比較就能算出靈敏度相對(duì)誤差等校準(zhǔn)參數(shù)[3]。

這種方法能提供精確可控的激勵(lì)力，便于在不同頻率下校準(zhǔn)力傳感器，以獲取力傳感器在不同頻率段的動(dòng)態(tài)特性。然而，正弦力校準(zhǔn)法對(duì)設(shè)備要求高，校準(zhǔn)精度直接受電磁振動(dòng)臺(tái)性能影響，且校準(zhǔn)過(guò)程復(fù)雜，振動(dòng)臺(tái)的頻率幅值等參數(shù)需要進(jìn)行精確控制。

（二）沖擊校準(zhǔn)法

沖擊校準(zhǔn)法利用沖擊力對(duì)力傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)。常見(jiàn)做法是讓質(zhì)量塊從特定高度自由下落撞擊待校準(zhǔn)的力傳感器以產(chǎn)生瞬態(tài)沖擊力，加速度傳感器裝在質(zhì)量塊上測(cè)量沖擊時(shí)的加速度，依據(jù)牛頓第二定律算出沖擊力，每個(gè)測(cè)量點(diǎn)選定后在沖擊力標(biāo)準(zhǔn)裝置的同一高度連續(xù)沖擊多次（如3次）取平均值，以提升測(cè)量準(zhǔn)確性。各模塊同步工作，同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，獲得校準(zhǔn)結(jié)果，沖擊校準(zhǔn)法能模擬實(shí)際應(yīng)用中可能遇到的沖擊工況，操作簡(jiǎn)單、對(duì)設(shè)備要求不高。但是這種方法產(chǎn)生的沖擊力有瞬態(tài)性和不確定性且沖擊力的波形精確控制較難，校準(zhǔn)結(jié)果的重復(fù)性和準(zhǔn)確性可能會(huì)受到一定影響。

（三）其他校準(zhǔn)方法

正弦力校準(zhǔn)法和沖擊校準(zhǔn)法之外還有些校準(zhǔn)方法。例如，基于激光干涉技術(shù)的校準(zhǔn)法，借助激光干涉測(cè)量的高精度性，精準(zhǔn)測(cè)定力傳感器受力時(shí)的微小位移變化，通過(guò)力學(xué)模型轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的力值，實(shí)現(xiàn)力傳感器校準(zhǔn)。還有利用標(biāo)準(zhǔn)力源直接對(duì)力傳感器進(jìn)行加載校準(zhǔn)的方法，高精度標(biāo)準(zhǔn)力源產(chǎn)生已知力加到力傳感器上，對(duì)比傳感器輸出和標(biāo)準(zhǔn)力值來(lái)校準(zhǔn)，這方法簡(jiǎn)單直接，但標(biāo)準(zhǔn)力源的精度和穩(wěn)定性要求極高，且動(dòng)態(tài)力變化特性也難以模擬。

四、校準(zhǔn)方法優(yōu)化策略

（一）基于多源數(shù)據(jù)融合的校準(zhǔn)優(yōu)化

要想提高校準(zhǔn)精度，可以采用多源數(shù)據(jù)融合技術(shù)。在校準(zhǔn)力傳感器時(shí)，可采集正弦力激勵(lì)、沖擊激勵(lì)下的響應(yīng)數(shù)據(jù)，以及溫度、濕度等環(huán)境參數(shù)等輔助數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)融合算法可將這些多源數(shù)據(jù)融合處理，在分析完大量不同工況下的數(shù)據(jù)融合后，能更全面準(zhǔn)確地評(píng)估力傳感器的特性，消除單一激勵(lì)方式下可能存在的測(cè)量誤差和不確定性。以卡爾曼濾波算法為例，將力傳感器在不同激勵(lì)下的測(cè)量數(shù)據(jù)作為觀測(cè)值，結(jié)合力傳感器的數(shù)學(xué)模型作為狀態(tài)方程，不斷迭代更新?tīng)顟B(tài)估計(jì)，得到更精確的力傳感器校準(zhǔn)參數(shù)，提高校準(zhǔn)結(jié)果的可靠性和穩(wěn)定性。

（二）考慮環(huán)境因素補(bǔ)償?shù)男?zhǔn)方法

針對(duì)環(huán)境因素對(duì)力傳感器特性的影響，校準(zhǔn)過(guò)程中得引入環(huán)境因素補(bǔ)償機(jī)制。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，建立力傳感器特性和環(huán)境溫度、濕度等因素間的數(shù)學(xué)模型。以溫度對(duì)力傳感器靈敏度和零點(diǎn)漂移的影響為例，在不同溫度下對(duì)力傳感器進(jìn)行靜態(tài)、動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)獲取數(shù)據(jù)信息，利用多項(xiàng)式擬合或者神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法建立溫度和傳感器特性參數(shù)間的函數(shù)關(guān)系。實(shí)際校準(zhǔn)力傳感器時(shí)，環(huán)境溫度、濕度等參數(shù)要實(shí)時(shí)測(cè)量，按照建立的數(shù)學(xué)模型對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)補(bǔ)償修正。環(huán)境溫度如果發(fā)生變化，就依據(jù)溫度補(bǔ)償模型自動(dòng)調(diào)整力傳感器的輸出，以消除溫度對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，讓力傳感器在不同環(huán)境條件下校準(zhǔn)更準(zhǔn)確、適應(yīng)性更強(qiáng)。

（三）改進(jìn)校準(zhǔn)設(shè)備

在正弦力校準(zhǔn)設(shè)備中使用性能更高的電磁振動(dòng)臺(tái)，能夠提高其頻率精度、幅值穩(wěn)定性和波形失真度指標(biāo)。優(yōu)化加速度傳感器的安裝方式和測(cè)量精度，能夠減少加速度測(cè)量誤差帶來(lái)的校準(zhǔn)誤差。在沖擊校準(zhǔn)設(shè)備方面，改進(jìn)沖擊發(fā)生裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，采用更精密的控制技術(shù)，使沖擊力波形、幅值和作用時(shí)間的控制更精確。

五、結(jié)語(yǔ)

隨著科技的不斷進(jìn)步，動(dòng)態(tài)力學(xué)計(jì)量領(lǐng)域?qū)α鞲衅鞯男阅芤髮⒊掷m(xù)提高。這就需要加強(qiáng)研究和制定動(dòng)態(tài)力學(xué)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)，促進(jìn)校準(zhǔn)方法的規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化，推動(dòng)整個(gè)動(dòng)態(tài)力學(xué)計(jì)量行業(yè)發(fā)展。

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