荷传感器的标定

1 前言

随着社会的进步，科学技术的高速发展，各类新材料层出不穷，材料试验机行业也有了长远的发展。各种新技术、新方案被大量的应用在试验机领域，因而试验机的性能有了非常大的提高，使用领域也较过去有了非常大的拓展。

试验机一般采用分档的方法扩展量程，近年来随着电子技术的发展，出现了不分档、宽量程测量的试验机。相对于分档测量试验机来说，不分档测量试验机对传感器的特性有更高的要求。

2 原理分析

现代试验机一般采用电子式测力方式，电子式测力主要是通过传感器实现的。现在使用的传感器多为贴片电阻式传感器，通过弹性体改变长度及截面积，使贴片电阻阻值随之产生线性变化，传感器的输出电压也随之产生变化。传感器的检定规程规定：传感器的线性检定是取五或十个点进行检定，即20%-100%F_N或10%-100%F_N，我们取较大的范围即10%-100%F_N，这也是传感器的有效使用范围，传感器的线性也适用于这一范围。我们所使用的传感器的线性一般是0.1%，指的是进程平均校准曲线与平均端点直线偏差的最大值与额定负荷的比值，即绝对误差；试验机的示值精度±1%是测量值与标准值之差与标准值的比值，即相对误差。因此在小量程测量范围内可能会出现传感器的线性不满足试验机的示值精度要求。在等价于四档的不分档试验机中所要求的测量范围是2%-10%F_N，这样传感器2%-10%F_N的示值精度就不能保证与10%-100%F_N一致，可能出现2%-10%F_N的示值精度超差。为了不影响传感器10%-100%F_N测量范围的精度，需要在不分档、宽量程测量的试验机软件中加上分段标定。

在电子测力的过程中我们需要使用传感器的线性，即传感器的输出信号与所受到的负荷是成比例关系的。但是在现实中，传感器的信号与负荷不可能是完全线性的，它总是有一定的偏差的，如图1所示：

图1 传感器的线性特性

理论上力F与传感器的信号有一定的线性函数关系：

F= F(v)= kv

以1000kN一级屏显试验机为例，传感器的有效值为100kN-1000kN，线性为0.1%；等价于四档的屏显试验机测量范围为20kN-1000kN，示值精度为±1 %。对于试验机测量的最小点20kN这点，按传感器的线性允许产生1000kN×0.1%=1kN的误差，按试验机的示值精度允许产生20kN×±1 % =±0.2kN。这样传感器示值的最大误差为1kN÷20 kN= 5 %,就超出了±1%的要求，这时就需要对这点进行非线性修正，提高试验机准确度，减少误差。因此在不分档、宽量程的试验机软件中，使用分段标定提高示值准确度是必要的。

当传感器的线性不能够满足试验机测量试验力的要求时，如图(1)，线性函数的偏差超出允许的范围时，就要通过软件对试验机的力值进行分段标定。分段标定的算法很多，主要使用的是插值法，在整个信号区间内找到一个或者是几个线性偏差大的点，然后得出曲线K_l和K₂，其斜率分别为k_l和k₂，如图2所示：

图2 分段标定后的线性特性

试验力F的函数为：

经过分段标定以后，所有的测量点的力值都在允许的范围以内了。

当插入的点更多，达到无穷多个时就有

试验机所有的点的示值都与实际标准值相同了。在实际应用过程中，力F对标准值的误差在±1%以内就达到国家标准的要求，所以只需将F= F(v)=kv中偏离标准值最大的几个点分段标定就能够满足试验机的使用要求了。

综上所述在不分档，宽量程测量试验机上使用分段标定可以增加测量范围，提高试验机准确度，减少偏差。