高低溫條件下力傳感器校準裝置研究

高炳濤 梅紅偉 劉云平 鐘 山

(北京航天計量測試技術研究所，北京 100076)

1 引 言

近年來隨著航天技術的不斷進步，人們對太空的探索更加深入，對力傳感器的使用與計量提出了更高要求，需要其承受超高溫、低溫、真空、水下等復雜及惡劣的環境，其中高低溫環境是最常見的情況。目前，國內的力標準機或力傳感器校準裝置僅適用于在常溫環境下完成對力傳感器的計量測試，并對工作環境的溫度和濕度提出了嚴格的要求。一些力傳感器生產廠家和計量檢測機構，雖然開展了一些力傳感器溫度特性的研究工作，但溫度僅局限在-40℃～80℃范圍內。材料的力學性能將隨著外界溫度的變化而發生變化，因此，力傳感器在高低溫環境下的輸出特性如線性度、重復性、滯后性、靈敏度等參數與常溫狀態相比必然會發生改變，鑒于力傳感器現有的計量手段在高低溫條件下已不再適用，通過研制一套高低溫條件下力傳感器校準裝置，實現了在-80℃～400℃溫度條件下，力值范圍10kN～1000kN力傳感器的校準，該裝置力值測量不確定度優于0.3%(k=2)，為高低溫試驗用力傳感器提供了可靠的計量保障。

2 校準裝置總體組成

如圖1所示，高低溫條件下力傳感器校準裝置由力發生裝置、高低溫發生裝置及連接工裝三部分組成，其中力發生裝置為被校準力傳感器復現標準力值，高低溫發生裝置為被校準力傳感器提供高低溫試驗環境，連接工裝用于連接被校準力傳感器和力發生裝置，將力發生裝置產生的標準力值施加到被校準力傳感器上。

1-高低溫發生裝置；2-連接工裝；3-力發生裝置。圖1 高低溫條件下力傳感器校準裝置Fig.1 Calibration device at high andlow temperatureenvironment

進行力傳感器校準時，將其置于高低溫發生裝置中，通過連接工裝與力發生裝置連接，待高低溫發生裝置加熱或降溫到預定試驗溫度，保溫一段時間后，利用力發生裝置對力傳感器產生穩定且準確的力值，完成對力傳感器的校準。

3 校準裝置分系統設計

3.1 高低溫發生裝置

為了探究力傳感器在高低溫條件下的溫度特性，需要研制一套高低溫發生裝置，為被校準力傳感器提供所需的高低溫試驗環境。高低溫發生裝置最常見的便是高低溫試驗箱[1]，但由于力傳感器在高低溫條件下校準存在結構連接形式的特殊性，對高低溫發生裝置提出了以下幾個方面的要求：a)為適應不同大小、不同型式力傳感器的安裝要求，高低溫發生裝置箱體應便于移動與調整；b)力傳感器在高低溫發生裝置箱體內應便于安裝與拆卸；c)箱體內部力傳感器需通過上下金屬拉/壓桿與外部力傳感器校準裝置連接，需要高低溫發生裝置箱體上下面設有連接孔。鑒于以上連接結構形式的特殊性，現有高低溫試驗箱無法滿足要求，因此，需要研制一套分體式對開式高低溫發生裝置，作為專用設備用于力傳感器在高低溫條件下的校準場合。

如圖2所示，高低溫發生裝置包括高低溫發生系統、箱體和高低溫風循環管道三部分，高低溫發生裝置設計為分體式對開式結構，高低溫發生系統與箱體分開，通過高低溫風循環管道將高低溫發生系統與箱體連接，方便了箱體移動與調整；箱體以中心對稱面分割為前后兩部分對開式結構，方便了被校準力傳感器的安裝與拆卸。

1-箱體；2-高低溫風循環管道；3-高低溫發生系統。圖2 高低溫發生裝置組成示意圖Fig.2 Sketchmap of the high and low temperature test chamber

3.2 力發生裝置

力發生裝置為被校準力傳感器復現標準力值，該裝置由移動橫梁、液壓加載系統、加載平臺、反力架和移動調整支撐架等組成，其中，移動調整支撐架用于支撐高低溫發生裝置，將高低溫發生裝置與力發生裝置分開，防止高低溫發生裝置對力發生裝置的力值準確度產生影響，移動調整支撐架可以實現對高低溫發生裝置在力發生裝置上下、左右、前后的移動調整，左右、前后調整采用導軌滑塊組實現，如圖3所示。

1-橫向方鋼架；2-橫向導軌；3-橫向滑塊；4-縱向方鋼架；5-縱向導軌；6-縱向滑塊；7-箱體連接塊；8-支撐桿；9-支撐桿鎖緊螺母；10-支撐桿承載螺母；11-力發生裝置機座。圖3 移動調整支撐架Fig.3 Adjustment support frame

力發生裝置如圖4所示。

1-移動橫梁；2-立柱；3-移動調整支撐架；4-加載平臺；5-壓向作用力傳感器；6-液壓缸；7-反力架；8-拉向作用力傳感器；9-機座。圖4 力發生裝置Fig.4 Force generating device

3.3 連接工裝設計

連接工裝用于連接被校準力傳感器和力發生裝置，可以使力發生裝置產生的標準力值準確施加到被校準力傳感器上。由于力傳感器彈性體及其拉/壓桿均為金屬鋼材，金屬鋼材的熱導系數約為60W/m℃，金屬熱傳導會對高低溫發生裝置箱體內部被校準力傳感器溫度均勻性產生很大影響，因此，需要設計一套低熱導率高承載性能的力傳感器連接工裝。

可加工陶瓷可耐1000℃高溫，承壓可達345MPa，熱導系數僅為1.46W/m℃，利用可加工陶瓷良好的隔熱及抗壓性能設計加工隔熱墊[2～6]，利用該陶瓷隔熱墊將連接工裝金屬連接隔開，降低金屬熱傳導對溫箱內部被校準力傳感器的影響，以隔熱墊為主構件設計了如圖5所示的連接工裝。

1-上隔熱墊；2-上壓頭；3-上壓桿；4-被校準力傳感器；5-下壓桿；6-下壓頭；7-下隔熱墊。圖5 連接工裝示意圖。Fig.5 Connecting structurediagram

試驗結果表明，高低溫發生裝置400℃工作溫度條件下保溫2小時，圖5中下隔熱墊與力發生裝置平臺連接處溫度上升小于9℃。由于力發生裝置內部標準力傳感器零點誤差和靈敏度受溫度影響每10℃變化0.01%，故連接工裝熱傳導對力發生裝置內標準力傳感器影響引入的誤差小于0.02%。

4 校準裝置技術指標測試及力值不確定度評定

4.1 技術指標測試

選取了0.03級標準測力儀及溫度測量儀對高低溫條件下力傳感器校準裝置力值和溫度技術指標分別進行了測試，如表1所示為高低溫條件下力傳感器校準裝置力值技術指標測試結果。

如表2所示為高低溫條件下力傳感器校準裝置溫度技術指標測試結果。

表1 力值技術指標測試數據Tab.1 Test results of the force technical parameters

表2 溫度技術指標測試數據Tab.2 Test results of the temperature technical parameters

由表1、2測試結果可知，高低溫條件下力傳感器校準裝置力值范圍為10kN～1000kN，其力值示值誤差為0.08%，重復性為0.02%；溫度范圍為-80℃～400℃，溫度偏差為±2℃，溫度均勻度為2℃，30min內溫度穩定度為±2℃。

4.2 力值測量不確定度評定

為了獲得高低溫條件下力傳感器校準裝置力值準確度，根據校準裝置力值和溫度技術指標測試結果，并考慮其他影響因素，對高低溫條件下力傳感器校準裝置力值測量不確定度進行評定。高低溫條件下力傳感器校準裝置力值主要影響分量的標準不確定度如表3所示。

取包含因子k=2，可得擴展不確定度：Ur=kuc=0.3%。由此，力傳感器校準裝置可在10kN～1000kN力值范圍內和-80℃～400℃的溫度范圍內，實現力傳感器的校準，校準不確定度為0.3%。

表3 標準不確定度一覽表Tab.3 Table of standard uncertainty components

5 結束語

完成力發生裝置、高低溫發生裝置及連接工裝結構設計，攻克了高低溫一體化和低熱導高承載連接兩項關鍵技術，研制了一套高低溫條件下力傳感器校準裝置，實現了在-80℃～400℃溫度條件下，力值范圍為10kN～1000kN力傳感器的校準，有效地解決了力傳感器在高低溫條件下無法溯源的技術難題，為液體火箭發動機、航天器等內部試驗用力傳感器提供可靠的計量保障。