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如何確保在任何地方的力都是相同的
力傳感器你可以在每一個與機械系統(tǒng)有關(guān)的實驗室中發(fā)現(xiàn)。力傳感器也安裝在材料試驗機和其他試驗機上，記錄輸入信號并進行控制，以及用于結(jié)果評估。
力傳感器兩種測量原理
基于應(yīng)變的力傳感器 包括一個彈性體，并在其中安裝有應(yīng)變片。當(dāng)力作用其上面時，彈性體產(chǎn)生變形，應(yīng)變片將變形量轉(zhuǎn)換為電阻變化。通常采用四個應(yīng)變片組成一個橋路，將電阻變化轉(zhuǎn)換維科測量的電壓。在這個過程中，激勵電壓要始終施加到應(yīng)變傳感器上。
壓電傳感器結(jié)構(gòu)是基于在力的作用下晶體將產(chǎn)生電荷。電荷和力之間有一個線性關(guān)系。電荷通過相關(guān)的電學(xué)原理轉(zhuǎn)換成電壓信號。
所有力傳感器都提供一個包含傳感器靈敏度信息的文檔。傳感器在加載已知的力情況下，通過測量獲得輸出信號。這個“校準”過程的結(jié)果將記錄在相關(guān)文件中。根據(jù)傳感器的質(zhì)量和價格不同，文檔將描述最大的力輸出值和不同力下的多個個測量值。校準是傳感器生產(chǎn)中最重要的步驟之一，它決定著力傳感器的價值。當(dāng)然，以后的測量將不會比傳感器校準時獲得的特征值更精確。
力傳感器制造商使用相關(guān)的加載裝置來精確地產(chǎn)生額定力，從而為這些校準測量創(chuàng)造前提。HBM的加載機可提供供10 N 到 5 MN 之間的任何值。
The loading devices
加載裝置的要求非常嚴格。例如，基于特定的力值，HBM 加載裝置的精度為 0.005% 精度。這些數(shù)據(jù)不是基于機器所能產(chǎn)生的最大力，而是基于施加的力。因此，在1000 N 的力下，如果加載設(shè)備的精度為0.005%，則誤差為0.05 N。工作原理不同加載裝置也會有不同。
用重量法產(chǎn)生較小的力。
重量法通常用于產(chǎn)生較小的力，因為它們的質(zhì)量是精確已知的，要測試的力傳感器可以裝載它們。這些機器被稱為靜重式。質(zhì)量產(chǎn)生的影響取決于特定地理位置上的重力加速度，以及大氣層的浮力。浮力取決于質(zhì)量單位的密度和空氣壓力。HBM 最大試驗力靜載機為 240千牛、德國國家計量研究所(PTB)甚至有 2 MN 力靜載機。
這些力加載機的幾何形狀在載荷下決不能改變，否則力將不再均勻地施加到傳感器上。這將導(dǎo)致顯著的測量錯誤。物質(zhì)由化學(xué)物質(zhì)組成，非常惰性。然而，關(guān)鍵是要確保不能與環(huán)境產(chǎn)生反應(yīng)(例如氧化)。定期檢查確保機器不會受到不正確的維護或缺乏清潔(灰塵堆積)產(chǎn)生負面影響。
液壓機用于產(chǎn)生較大的力
通常采集液壓裝置產(chǎn)生較大的力值。這是特別有用的，否則將需要非常多的砝碼，而且極為昂貴。并在測試設(shè)備和液壓系統(tǒng)之間連接一個非常精密的力傳感器。這種精密力傳感器是用來確定施加在試驗設(shè)備上的力。因此，定期檢查和校準參考力傳感器是非常重要的。
原始千克原件
所有的設(shè)備都以最初的原件作為參考，其存儲在法國的 BIPM (國際計量局) 。其他質(zhì)量拷貝均是這一千克原件的副本。
如何確保這些加載裝置測量正確，從而確保校準始終是可靠的?
重要的是，測量結(jié)果是可重復(fù)的：這是唯一的方法，確保在一個特定位置的測量結(jié)果也可以在另一個位置重現(xiàn)。這意味著必須以同樣的方式對力傳感器進行校準。在國際比對中，一個特定的作用力也必須總是相同的。這就要求對所有加載機器進行定期檢查，即與被認為是準確的測量標(biāo)準相比較。
國家計量機構(gòu)負責(zé)確保力值在各地都是相同的，這是一個先決條件，并為力值提供了定義。在德國，這是德國國家計量研究所(PTB)負責(zé)的。其他所有加載機都必須以它們作為參照。
國際比對
為了確保您使用的牛頓始終是全球共同使用的那個牛頓單位，需要進行國際比對或計量機構(gòu)之間進行比對。您可以拆除您的加載設(shè)備并在其他地方重新安裝進行比對是否符合國際測力標(biāo)準。但我們不推薦采用此方法。因為拆除和安裝都需要高度靈敏的測量技術(shù)，并且運輸也具有很大的風(fēng)險。
這也是為何要使用轉(zhuǎn)移測量傳感器的原因。這些專門設(shè)計的傳感器都具有極高的可重復(fù)性，一般小于 0.002%。加載設(shè)備需要采用此類傳感器和國家標(biāo)準進行比對，而國際上不同國家標(biāo)準比對也同樣需要此類傳感器。
基于應(yīng)變的傳感器滿足最高標(biāo)準
目前，滿足這種高標(biāo)準的力傳感器是基于應(yīng)變技術(shù)的。有兩個原因。應(yīng)變傳感器采用惠斯通電橋。應(yīng)變片的巧妙安裝確保了大量的寄生效應(yīng)，如溫度、起始彎矩或側(cè)向力能夠在很大程度上得到補償。應(yīng)變傳感器能滿足靜態(tài)校準的所有要求，因為他們沒有漂移，并顯示長期穩(wěn)定。
根據(jù) ISO 376 國際標(biāo)準對這些傳感器的特性進行評估是必須的。在這個標(biāo)準中，傳感器的可重復(fù)性是非常重要的。另外還包括蠕變、滯后以及傳感器和規(guī)定的特性曲線之間的誤差等。
為了便于敵營，力傳感器按照 ISO 376 確定精度等級。00 級是其中最高標(biāo)準 - 其規(guī)定了安裝和拆卸的可重復(fù)性(“在不同的安裝位置”)僅為測量值的 0.05%。因此，即使是 00 級傳感器也不足以確保滿足國家測量標(biāo)準。
HBM 轉(zhuǎn)移測量傳感器，其可重復(fù)性一般在 0.002% 和 0.05% 之間。這些用于轉(zhuǎn)移測量的傳感器量程為 2.5 N 到 5 MN 。
Top 級傳感器不是生產(chǎn)出來的，而是挑選出來的
這些 Top 級傳感器所達到的精度無法通過精密生產(chǎn)來實現(xiàn)。而是通過對生產(chǎn)出的傳感器進行廣泛測試，挑選獲得的。
乍看起來，嚴格的測試要求似乎太過分了，但你必須考慮到每種比對測量都會產(chǎn)生精度損失。最初要和國家測量標(biāo)準比對。然后，這些力傳遞傳感器需要被用來再次比對加載機。為了確保現(xiàn)場校準的準確性，必須確保每次比對以盡可能高的精度進行。
其他校準知識
技術(shù)術(shù)語
在校準術(shù)語中，“比對”被理解為與更高的測量標(biāo)準進行比較。因此，在德國，傳感器制造商校準機需要和德國國家計量院的國家測量標(biāo)準(PTB)通過比較測量。
標(biāo)準和精度等級
ISO 376標(biāo)準是校準參考力傳感器的國際標(biāo)準。被測試的傳感器需要安裝并從加載機上拆卸三次，每次拆卸時，傳感器需要旋轉(zhuǎn)120度。至少存在八個方向上的力用于加載，以及兩個安裝位置上的下壓力。然后對每個力的測量結(jié)果進行比較，以便根據(jù)給定公式計算“不同安裝位置的重復(fù)性”。這樣講確定傳感器的重復(fù)性，滯后誤差(通過力的增加和降低來確定兩者之間的差別)，蠕變(隨著時間的推移，在恒負載下的輸出信號的變化)和偏離擬合曲線(傳感器的實際特性曲線和公式描述的特性曲線之間的偏差)。
所有這些參數(shù)將在 ISO 376 在校準證書中描述。并包括在不同的力下傳感器的不確定性以及精度等級。如果某個值低于某個類下限，則傳感器將被降低到下一級。
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