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試驗機液壓傳感器和負荷傳感器的選擇

來源：天氏庫力發布日期 2018-08-30 瀏覽：

在大噸位與小噸位的拉力試驗機選擇當中，往往起決定因素的是力值傳感器，那么在儀器行業大家都一直在爭論著液壓試驗機是采用那種傳感器好，測力系統的關鍵元件之一傳感器到底采用負荷(力)傳感器，還是采用液壓(壓強)傳感器?在這個問題上大家各有說法，今天天氏庫力小編就簡單的幫大家總結一下關于力值傳感器的選擇。

在討論之前，請允許我先假設讀者具備一點力學基礎，對下置式萬能試驗機有所印象(本文將以此為例)。并且，直接影響電測試驗機最終性能的兩個重要因素，由于無論對壓強傳感器測力還是力傳感器測力都同樣重要，因此我先假設這兩個因素同樣理想，所以，同時忽略，不在本文之中討論。這兩個因素是:①信號放大部分的性能 ②上下鉗口中心線與活塞中心線重合，二根升降絲桿中心線與活塞中心線在同一個平面。

眾所周知，力傳感器輸出的電信號反映的是作用在傳感器上的力值。以油缸下置式萬能試驗機為例，多數采用了精度優于0.3‰的輪輻式傳感器，并將傳感器安裝在工作活塞和臺板之間。這樣，在活塞未升起感器主要受到由臺板、立柱、上橫梁構成的框架的自身重力，該力是恒定的。當活塞升起，試驗機開始工作時，傳感器受到框架自重G0(一般通過清零在顯示讀數前去除)、試樣上受到的拉力F0、框與升降絲桿間的摩擦力fk三個力的作用。這里fk是一個非線性力，但由于相對于F而言很小，在量程不是很小的情況下可以在精度允許范圍內忽略。所以，可以認為微機上顯示的試樣受力F0等于傳感器所受力F，即F0=F 。

而壓強傳感器反映的是液壓系統內部的壓強，根據帕斯卡原理，該壓強值乘以工作活塞面積，即為工作活塞受到的力F′，而活塞面積對每一臺試驗機而言，都是一個常數，即F′=P.K。這時，試樣受到的力F0= F′-G0-fk-fH。其中fH是活塞與油缸壁間的摩擦力，該力的大小于油缸活塞的制造工藝、配合精度、密封方式相關。所以，相對于力傳感器而言，使用壓強傳感器的測力系統要將壓強轉化為顯示給用戶的力值，除了要忽略框架與絲桿間摩擦力fk外，還需處理好油缸活塞間摩擦力fH。當fH不是足夠小，或者fH變動比較大，那么總摩擦力f=fk+fH就不能輕易被忽略掉，尤其在量程低端更加可能使精度超差。現在，我們可以推出一個結論了，要想使壓強傳感器測力系統表現得和力傳感器測力系統一樣好，必須使fH足夠小。

fH能做得足夠小嗎?回答是肯定的。當近百年前德國人開始生產油缸上置式萬能試驗機并應用動擺測力機構時，這個問題就已經部分解決了。答案就是精確控制油缸、活塞的形狀、尺寸、配合以及表面光潔度，不使用任何形式的密封圈，依靠控制油缸活塞間的間隙既達到密封目的，也達到潤滑目的。也就是說，既要讓油缸活塞間始終存在一層油膜，又不能讓壓力高達25MPa的油從這里泄漏出去。試想，當油缸和活塞表面本身已非常光潔(鏡面)，而且還有清潔的油膜在潤滑，其摩擦力無疑是足夠小的。這樣做還帶來了額外的好處，那就是①永遠無需更換密封圈 ②油缸活塞的使用壽命幾乎無限長。例如，本公司用做鑄件內部質量控制的一臺300kN試驗機是上世紀70年代生產的，至今仍在正常運作。

把fH做小容易嗎?這個問題的答案將會因廠家而異。無疑需要一些專用設備，如珩磨機、研磨機，更重要的是需要熟練的檢驗人員。對于直徑達數百毫米的油缸活塞來說，其測量誤差不能超過0.01毫米，也就是人工測量要達到數萬分之一的分辨率，這時不僅要求測量設備的精度要夠，更重要的是操作者要性格穩、手勢穩。而且，測量后的結果并不能保證每只油缸或活塞都能在同一批次里找到自己的另一半，于是就要將暫時不能配對的油缸或活塞庫存起來。同時，由于油缸活塞在車、磨等加工工序會積累內部應力，導致微小的變形，所以這些半成品不能馬上精加工成為成品，而是必須存放三個月或更長時間，待內部應力釋放完畢、變形穩定后方可精加工和測量。由于這兩個原因，需要在油缸活塞生產環節中保持相當數量的成品和半成品，導致一些資金積壓和場地占用。上述這些必要的條件，有些不是可以一蹴而就的，因此對于試驗機行業內自己具備金加工能力的老廠而言，做到不難;對于機械部分依靠外購的試驗機廠家，或許就有些難度和成本壓力了。

既然壓強傳感器測力系統對試驗機的機械部分要求更高，那么何以不改用力傳感器的測力系統呢?這是因為與力傳感器相比，使用壓強傳感器有幾個明顯的優點:

1、壓強傳感器工作條件較好。做金屬材料試驗時，往往要將試棒拉斷，作用在試棒上數十噸的力在試棒斷裂瞬間驟降為零，給試驗機本身帶來強烈的沖擊。沖擊在應用力傳感器的試驗機上部分通過移動橫梁、絲桿傳遞到底座，另一部分則通過上橫梁、立柱、臺板傳遞到力傳感器，再經過活塞、油腔、油缸傳遞到底座。由于經上橫梁到力傳感器之間全部是剛性連接，無緩沖環節，所以每拉斷一次試棒，力傳感器就要經受一次沖擊。而壓強傳感器一般安裝在油缸后面的油路中，斷裂沖擊力經油缸中的一腔油轉變為壓強的突變傳送到壓強傳感器，盡管油是不可壓縮的，但采用間隙密封方式的油缸活塞間存在微量泄漏，這些泄漏使得油腔壓強變化在幅度上和速率上都小于沖擊力變化，所以，壓強傳感器在試棒斷裂瞬間的工況要優于力傳感器。推論:同檔次的壓強傳感器使用壽命有可能長于力傳感器。

2、壓強傳感器安裝和維護方便，各生產廠家的力傳感中外形和安裝尺寸都各有差別，一旦選定后需在臺板下或活塞上加工相應安裝孔，安裝時還必須保證傳感器受力中心線必須與活塞中心線、上下鉗口中心線重合，以減少側向分力帶來的誤差。一旦力傳感器損壞，必須以同樣安裝尺寸的傳感器替換(如同樣的傳感器一時缺貨，試驗機就無法迅速恢復正常)，且需將專業人員借助起重工具將受力框架抬起后才能掉換。而壓強傳感器可裝在油路上方便操作的位置，各廠家產品安裝上唯一的區別就是接口不同，即使要換用其它廠家的傳感器，最多也只需加裝一只成本低廉的轉接頭即可。而具體安裝更是方便，即使不懂機械的人用一把扳手即可完成:拆下壞的，擰上新的，擰緊，OK。

3、壓強傳感器成本低廉。力傳感器隨著量程增加價格成倍上漲，某國外中檔品牌600KN力傳感器報價近萬元人民幣，而5000kN力傳感器即使國產的也要一萬以上;而壓強傳感器不直接測力，通常試驗機液壓系統工作壓力在15-35Mpa之間，相應壓強傳感器報價在千元以下，高精度的也不到力傳感器的三分之一價格。顯然，使用壓強傳感器有利于降低客戶的采購成本和維護成本。當然，力傳感器也有不可替代的優點，最主要的就是油缸活塞間的摩擦力對它全無影響。因此，力傳感器在300kN以下試驗機尤其是100kN級中得到了廣泛應用。在這一級別中，使用力傳感器比使用壓強傳感器，可以得到擴展一檔量程的效果。

總結以上討論，我以為可以得出以下結論:a、300kN以上中大噸位液壓試驗機以采用壓強傳感器測力為宜，小噸位試驗機以采用力傳感器為宜;b、某臺中大噸位的試驗機采用壓強傳感器測力，如果能夠達到性能要求，則換用力傳感器表現可能更好，反之則不然。換言之，若兩臺分別采用壓強和力傳感器的同型號試驗機，如果其極限精度一致，則可以推論采用壓強方式測力的這一臺其機械部性能往往優于另一臺。C、在中大噸位試驗機上固執地采用力傳感器而不使用壓強傳感器，或許是因為有本文討論以外的原因。