1. 引 言
隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，傳感器成為了振動(dòng)、沖擊、加速度測(cè)量和控制等領(lǐng)域獲取信息的主要途徑與手段。在飛機(jī)結(jié)構(gòu)靜力/疲勞試驗(yàn)中，利用載荷傳感器監(jiān)視各加載點(diǎn)的實(shí)時(shí)載荷值，反饋給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)結(jié)合載荷譜中的命令值計(jì)算出加載誤差，誤差信號(hào)的大小決定了輸出閥電流信號(hào)的大小。試驗(yàn)控制人員通過觀察加載誤差的變化趨勢(shì)對(duì)控制參數(shù)進(jìn)行協(xié)調(diào)與優(yōu)化［1］。為了保證傳感器輸出數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與可靠性，需要定期對(duì)其進(jìn)行校準(zhǔn)。校準(zhǔn)精度是影響傳感器測(cè)試準(zhǔn)確性的重要參數(shù)，直接影響測(cè)試的結(jié)果。校準(zhǔn)精度與電纜長(zhǎng)度和校準(zhǔn)方法有關(guān)，不同的測(cè)控系統(tǒng)會(huì)采用不同的校準(zhǔn)方法。針對(duì) MTS 協(xié)調(diào)加載控制系統(tǒng)，對(duì)于力傳感器而言，主要采用靈敏度校準(zhǔn)和分路校準(zhǔn)兩種校準(zhǔn)方法。
2. 基本原理
2.1 傳感器靈敏度校準(zhǔn)方法的概念及原理
靈敏度校準(zhǔn)是用傳感器正/負(fù)靈敏度系數(shù)確定放大器放大增益與傳感器線性率的一種方法。靈敏度系數(shù)值的獲取是通過對(duì)傳感器標(biāo)定將其數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，求出正負(fù)滿度輸出值與橋壓之比值得到的。依據(jù)式( 1) 得到傳感器靈敏度系數(shù)。
式中，θn是若干滿度輸出值的平均值，U 是橋壓，10V，S 單位為 m V/V。
靈敏度系數(shù)在實(shí)際使用時(shí)，在控制系統(tǒng)輸入橋壓及正/負(fù)靈敏度系數(shù)，計(jì)算機(jī)自動(dòng)計(jì)算出放大器的增益與斜率，然后調(diào)零。
3.2 傳感器分路校準(zhǔn)方法的概念及原理
分路校準(zhǔn)是用傳感器正/負(fù)分路校準(zhǔn)值確定放大器放大增益與傳感器線性率的一種方法。分路校準(zhǔn)值的獲取是通過電纜在傳感器橋路某臂上( 拉向或壓向) 并聯(lián)一精密電阻，使橋臂上有效電阻發(fā)生變化，從而有一固定的輸出量( AB 或AC) 。傳感器在標(biāo)定時(shí)，對(duì)記錄的各級(jí)載荷與傳感器輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析處理，按式( 2) 和式( 3) 分別計(jì)算出拉、壓向分路校準(zhǔn)值，其中 AB 代表拉向，AC 代表壓向。
式中，a 是零點(diǎn)值，b 是斜率，F(xiàn)S 是滿量程載荷，校準(zhǔn)值單位為 V。由參考文獻(xiàn)［2］，得到式( 4) － 式( 6) 。a 與 b 值的獲得是通過式( 4) 和式( 5) 計(jì)算出來的，相關(guān)系數(shù) r 計(jì)算方法見式( 6) 。
2.3 傳感器分路校準(zhǔn)方法實(shí)例
以 1010 號(hào)傳感器為例，傳感器原始檢定記錄見表 1 和表 2。
由檢定記錄計(jì)算出的標(biāo)定結(jié)果參數(shù)見表 3，ＲE( AB) 和 ＲE( AC) 按計(jì)算公式計(jì)算出值。
分路校準(zhǔn)方法在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，先確定橋壓，然后調(diào)零，再并聯(lián)分路校準(zhǔn)電阻，這時(shí)通過調(diào)整放大器增益，使傳感器的輸出為電阻分路校準(zhǔn)值［3］。這樣兩點(diǎn)確定一條直線，傳感器的輸出特性曲線就復(fù)現(xiàn)計(jì)量標(biāo)定的狀態(tài)。分路校準(zhǔn)輸出電壓 － 載荷曲線見圖 1。圖中，橫坐標(biāo)表示分路校準(zhǔn)電壓值/滿度輸出電壓值，縱坐標(biāo)表示分路校準(zhǔn)載荷值 /滿度輸出載荷值。為了提高標(biāo)定精度，一般要求電阻分路校準(zhǔn)值大于滿量程的 80% ，這通過變化電阻值來實(shí)現(xiàn)。通過試驗(yàn)，可以得出以下結(jié)論:
( 1) 導(dǎo)線的長(zhǎng)度對(duì)此系數(shù)基本沒有影響。
( 2) 傳感器受預(yù)載，只發(fā)生坐標(biāo)平移。
( 3) 橋壓及放大器增益任意組合，不影響校準(zhǔn)精度。但是，應(yīng)注意橋壓對(duì)零位有影響。調(diào)整橋壓，必須相應(yīng)地調(diào)整零位，然后再標(biāo)定。由于電阻分路校準(zhǔn)具有上述特點(diǎn)，使載荷傳感器的校準(zhǔn)工作大大簡(jiǎn)化，而不需要配套電纜及設(shè)備，且在現(xiàn)場(chǎng)使用前可隨時(shí)校準(zhǔn)，甚至試驗(yàn)過程中也可以調(diào)整，這樣就保證了載荷傳感器的準(zhǔn)確度基本與計(jì)量標(biāo)定狀態(tài)一致，提高了精度。
3 .兩種校準(zhǔn)方法的相互驗(yàn)證
對(duì)于使用分路校準(zhǔn)的系統(tǒng)，分路校準(zhǔn)的正確與否可用分路校準(zhǔn)得到的增益與其傳感器的負(fù)靈敏度系數(shù)乘積接近 1000mV 的程度來檢驗(yàn)。其誤差在± 10mV 以內(nèi)，可保證精度在滿量程的 1% 以內(nèi)。對(duì)于使用靈敏度校準(zhǔn)的系統(tǒng)，用不同長(zhǎng)度的導(dǎo)線帶來的誤差能否滿足試驗(yàn)要求，要用分路校準(zhǔn)來驗(yàn)證。驗(yàn)證誤差大于 1% ，原則上不能用于試驗(yàn)。
4 .兩種校準(zhǔn)方法的比較
傳感器兩種校準(zhǔn)方法優(yōu)缺點(diǎn)比較見表 4。
5 .結(jié) 論
以上研究表明，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)力傳感器分路校準(zhǔn)方法優(yōu)于靈敏度校準(zhǔn)方法。在相同使用條件下，使用靈敏度校準(zhǔn)的系統(tǒng)，傳感器導(dǎo)線長(zhǎng)度帶來的誤差不可忽略。在有分路校準(zhǔn)與靈敏度校準(zhǔn)的系統(tǒng)，優(yōu)先采用分路校準(zhǔn)，既可以抑制導(dǎo)線長(zhǎng)度引起的校準(zhǔn)誤差，也可以充分校準(zhǔn)傳感器的安裝狀態(tài)，從而保證試驗(yàn)精度，保障試驗(yàn)安全。此外，在只能應(yīng)用靈敏度校準(zhǔn)的場(chǎng)合，要充分檢查設(shè)備的可靠性。該研究對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)的操作流程，確保試驗(yàn)設(shè)備安全可靠具有一定的參考價(jià)值。
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