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如何确保在任何地方使用的牛顿都是相同的?

来源:仪器仪表网发布时间:2020.09.10 12:12:44 阅读:212

如何确保在任何地方的力都是相同的

你可以在每一个与机械系统有关的实验室中发现力传感器。力传感器也安装在材料试验机和其他试验机上,记录输入信号并进行控制,以及用于结果评估。

力传感器两种测量原理

基于应变的力传感器包括一个弹性体,并在其中安装有应变片。当力作用其上面时,弹性体产生变形,应变片将变形量转换为电阻变化。通常采用四个应变片组成一个桥路,将电阻变化转换为可测量的电压。在这个过程中,激励电压要始终施加到应变传感器上。

压电传感器在力的作用下晶体将产生电荷。电荷和力之间有一个线性关系。电荷通过相关的电学原理转换成电压信号。

所有力传感器都提供一个包含传感器灵敏度信息的文档。传感器在加载已知的力情况下,通过测量获得输出信号。这个“校准”过程的结果将记录在相关文件中。根据传感器的质量和价格不同,文档将描述最大的力输出值和不同力下的多个测量值。校准是传感器生产中最重要的步骤之一,它决定着力传感器的价值。当然,以后的测量将不会比传感器校准时获得的特征值更精确。

力传感器制造商使用相关的加载装置来精确产生额定力,从而为这些校准测量创造前提。HBM的加载机可提供10N到5MN之间的任何值。

加载装置

加载装置的要求非常严格。例如,基于特定的力值,HBM加载装置的精度为0.005%精度。这些数据不是基于机器所能产生的最大力,而是基于施加的力。因此,在1000N 的力下,如果加载设备的精度为0.005%,则误差为0.05 N。工作原理不同加载装置也会有不同。

用重量法产生较小的力

重量法通常用于产生较小的力,因为它们的质量是精确已知的,要测试的力传感器可以装载它们。这些机器被称为静重式。质量产生的影响取决于特定地理位置上的重力加速度,以及大气层的浮力。浮力取决于质量单位的密度和空气压力。HBM最大试验力静载机为240千牛、德国国家计量研究所(PTB)甚至有2MN力静载机。

这些力加载机的几何形状在载荷下决不能改变,否则力将不再均匀地施加到传感器上。这将导致显著的测量错误。力加载机需要使用非常惰性的化学物质,要确保不能与环境产生反应(例如氧化)。定期检查确保机器不会受到不正确的维护或缺乏清洁(灰尘堆积)产生负面影响。

HBM 25 kN 校准机

液压机用于产生较大的力

通常采集液压装置产生较大的力值。这是特别有用的,否则将需要非常多的砝码,而且极为昂贵。并在测试设备和液压系统之间连接一个非常精密的力传感器。这种精密力传感器是用来确定施加在试验设备上的力。因此,定期检查和校准参考力传感器是非常重要的。

原始千克原件

所有的设备都以最初的原件作为参考,其存储在法国的BIPM (国际计量局) 。其他质量拷贝均是这一千克原件的副本。

如何确保这些加载装置测量正确,从而确保校准始终是可靠的?

重要的是,测量结果是可重复的:这是唯一的方法,确保在一个特定位置的测量结果也可以在另一个位置重现。这意味着必须以同样的方式对力传感器进行校准。在国际比对中,一个特定的作用力也必须总是相同的。这就要求对所有加载机器进行定期检查,即与被认为是准确的测量标准相比较。

国家计量机构负责确保力值在各地都是相同的,这是一个先决条件,并为力值提供了定义。在德国,这是德国国家计量研究所(PTB)负责的。其他所有加载机都必须以它们作为参照。

国际比对

为了确保您使用的牛顿始终是全球共同使用的那个牛顿单位,需要进行国际比对或计量机构之间进行比对。您可以拆除您的加载设备并在其他地方重新安装进行比对是否符合国际测力标准。但我们不推荐采用此方法。因为拆除和安装都需要高度灵敏的测量技术,并且运输也具有很大的风险。

这也是为何要使用转移测量传感器的原因。这些专门设计的传感器都具有极高的可重复性,一般小于0.002%。加载设备需要采用此类传感器和国家标准进行比对,而国际上不同国家标准比对也同样需要此类传感器。

HBM 转移测量传感器,其可重复性一般在 0.002% 和 0.05% 之间。这些用于转移测量的传感器量程为 2.5 N 到 5 MN

基于应变的传感器满足最高标准

目前,满足这种高标准的力传感器是基于应变技术的。有两个原因。应变传感器采用惠斯通电桥。应变片的巧妙安装确保了大量的寄生效应,温度、起始弯矩或侧向力能够在很大程度上得到补偿。应变传感器能满足静态校准的所有要求,因为他们没有漂移,并显示长期稳定。

根据 ISO 376 国际标准对这些传感器的特性进行评估是必须的。在这个标准中,传感器的可重复性是非常重要的。另外还包括蠕变、滞后以及传感器和规定特性曲线之间的误差等。

力传感器按照ISO 376确定精度等级,00级是其中最高标准 - 其规定了安装和拆卸的可重复性(“在不同的安装位置”)仅为测量值的 0.05%。因此,即使是00级传感器也不足以确保满足国家测量标准。

HBM转移测量传感器,其可重复性一般在0.002% 和0.05%之间。这些用于转移测量的传感器量程为2.5 N 到 5 MN 。

Top 级传感器不是生产出来的,而是挑选出来的

这些 Top 级传感器所达到的精度无法通过精密生产来实现。而是通过对生产出的传感器进行广泛测试,挑选获得的。

乍看起来,严格的测试要求似乎太过分了,但你必须考虑到每种比对测量都会产生精度损失。最初要和国家测量标准比对。然后,这些力传递传感器需要被用来再次校准加载机。为了确保现场校准的准确性,必须确保每次比对以尽可能高的精度进行。

其他校准知识

技术术语

在校准术语中,“比对”被理解为与更高的测量标准进行比较。因此,在德国,传感器制造商校准机需要和德国国家计量院的国家测量标准(PTB)通过比较测量。

标准和精度等级

ISO 376标准是校准参考力传感器的国际标准。被测试的传感器需要安装并从加载机上拆卸三次,每次拆卸时,传感器需要旋转120度。至少存在八个方向上的力用于加载,以及两个安装位置上的下压力。然后对每个力的测量结果进行比较,以便根据给定公式计算“不同安装位置的重复性”。这样讲确定传感器的重复性,滞后误差(通过力的增加和降低来确定两者之间的差别),蠕变(随着时间的推移,在恒负载下的输出信号的变化)和偏离拟合曲线(传感器的实际特性曲线和公式描述的特性曲线之间的偏差)。所有这些参数将在 ISO 376 在校准证书中描述。并包括在不同的力下传感器的不确定性以及精度等级。如果某个值低于某个类下限,则传感器将被降低到下一级。

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