应变力传感器性能对于推力测量影响研究

刘永录，秦海峰

(中航工业北京长城计量测试技术研究所，北京100095)

0 引言

对发动机试车台中配套的推力测量系统一般由力传感器和测量仪表(或专用数据采集及处理系统)组成，总称推力测量系统。推力测量系统的技术特性直接影响推力测量的准确度。推力测量系统中力传感器是敏感元件，所以对推力测量系统的评定中将主要对力传感器的特性进行评价。

力传感器装配于试车台架中，处于试车间的工作环境之下，此环境随着气候、试车对象以及安装状态的变化，将表现出不同的技术特性。这些技术特性主要包括在不同的工作环境温度下测量系统的灵敏度、抗侧向力性能等等。因此，应对其进行全面系统的性能评价。

1 试验流程及具体实施

本次研究工作中将选择不同试车台中配套的力测量系统的典型结构，针对三方面性能进行评价，具体工作流程和试验项目如图1所示。

图1 推力测量系统性能综合评价流程

某试车台使用的推力测量传感器为美国Interface公司生产的力值范围125 kN力传感器。本文针对本传感器开展了如下校准试验:工作性能校准、温度特性校准、抗侧向力特性校准。

工作性能校准采用本所测力实验室校准装置根据JJG 391-2009《力传感器检定规程》开展试验;温度特性校准将在-15～40℃内对其特性进行校准试验;抗侧向力特性校准将利用多分量力校准装置开展校准试验。

针对这些推力测量系统开展各项试验，并进行各项性能的综合评价，其具体实施步骤如下所述。

1.1 力传感器工作性能校准和温度特性校准

根据试车台推力测试的实际使用要求，首先应对力传感器的最大允许误差进行综合评价。此项评定中涉及的主要试验项目有:重复性R/(%FS);直线度L/(%FS);滞后H/(%FS);温度影响/(%FS)。这些指标在目前日常校准的过程中一般会进行试验和评价，而其它的技术指标对力测量系统测量结果的影响却很少进行评价，尤其是温度影响指标是对结果影响明显而又很少考虑的指标。

由于试车间与外界环境相通，尤其是试车过程中，环境温度变化较大，所以力传感器的温度特性的研究也尤为重要。参考称重传感器，以常温状态下的校准曲线为基础，比较高、低温状态下的校准曲线特性。通常情况下力传感器的温度性能较难提高，而试车间的温度范围较大，通常为-15～40℃，因此本项目将在此温度范围内对其进行灵敏度温度影响，计算相应技术指标，试验装置如图2所示。

图2 力传感器校准装置

力传感器的试验装置主要包括力标准机和温度试验箱。本力标准机采用静重式结构，通过力值砝码复现标准力值，测量准确度可以达到0.002%。高低温环境的实现主要是通过温度试验箱来完成。本温度试验箱可以实现-50～110℃范围内的温度控制，配合力标准机可以完成力传感器的高低温试验。

测试结果见图3、图4。从图4可以得知试车台用力传感器的重复性、滞后误差均在0.05%范围内，直线度稍差，在0.1%以内。针对直线度误差较大的问题，通过采用可以进行多点线性修正的采集系统来进行线性补偿以达到力值修正的目的。

图3 工作力传感器20℃(常温)指标曲线

图4 力传感器各温度下误差线

1.2 抗侧向力和抗弯性能

在发动机进行推力的测试试验中，发动机本身特性的差异和安装位置的不同将对测试用力传感器产生不同程度的侧向力和弯矩，而不同结构的力传感器的抗侧向力和抗弯性能又有很大的差异。由此引入的对灵敏度的干扰量也是一个不可忽视的数值，因此对力传感器进行抗侧向力的试验在推力修正的研究中也非常重要。利用侧向力校准装置对力传感器抗侧向力性能进行校准。

基于轴向加力装置的侧向力施加装置见图5。本装置包括底座、主机架、升降装置、侧向力输出装置和控制系统。底座位于轴向加力装置上，被测传感器装在底座上，所述主机架上有导轨，并通过导轨与侧向力施加装置相连。升降装置在主机架的另一侧，并且通过滚珠丝杠副与侧向力施加装置相连。本装置基于轴向加力的基础上，可以通过侧向力输出装置来施加侧向力，并通过升降机构来调节上下位置，以适应不同大小的被测传感器。

图5 侧向力校准装置

进行侧向力试验时，首先在主分量上施加指定的压力，施加完毕后，读取力传感器的指示值。读取完毕后，在侧向施加指定的几个力值，待传感器读数温度后读取力传感器的相应输出，将此输出和不施加侧向力的输出进行比较，得出力传感器在有侧向力作用时对其施加输出的影响。本方向的试验完毕后，转动力传感器至一定的角度，重复以上的试验。本试验每转动90°进行一次，重复以上的试验。表1为工作力传感器抗侧向力性能的相关数据。

表1 工作力传感器抗侧向力性能

从表1的数据得知，侧向力对于本力传感器的输出影响最大为0.03%。

3 结论

发动机推力测量是发动机性能的一个重要指标，发动机推力测量系统的校准对于发动机推力的准确测量有着十分重要的意义。本文通过对目前发动机试车台推力测量系统上普遍采用的力传感器进行深入的性能分析，选用一般发动机试车台采用的某种型号力传感器进行了工作性能校准、温度特性校准、抗侧向力特性校准等工作。对于大量采用本文中型号传感器的试车台有着很好的代表性，基本掌握了用于发动机推力测量系统的力传感器的性能特点，对于推力测量系统的性能有了进一步的理解，对于发动机的推力测量准确度的分析提供了很好的数据参考。

［1］国家质量监督检验检疫总局.JJG 669-2003称重传感器［S］.北京:中国计量出版社，2003.

［2］洪宝林.力学计量［M］.北京:原子能出版社，2002:163-175.

［3］刘永录.多种校准条件下动态力传感器性能研究［J］.计测技术，2009(29):39-40.