标准测力仪和测力传感器
出处：按学科分类—工业技术 企业管理出版社《计量专业工程师手册》第251页（3218字）
1．测力仪和标准测力仪
测力仪是用于测量各种力值或载荷的便携式计量仪器，也称为测力计。根据力的作用方向，可分为只能测量拉伸或压缩载荷的拉向测力仪或压向测力仪，以及能够测量拉、压两个方向载荷的双向测力仪。根据利用力的静力效应测量变形或应变的方式，测力仪可以分为百分表式、光学式、测微盘式、水银箱式、电阻应变式、电容式、电感式等等。根据弹性体的形状，测力仪可以分为圆环状、椭圆环、薄壁圆筒状、柱式、梁式、轮辐式等等。根据是否用于检定、比对或传递，则可分为标准测力仪和工作测力仪。
评价测力仪准确度等级的主要指标是重复性R、稳定度Sb。R反映一次完整检定过程中，多次加(卸)荷所得数据的变化；Sb反映相隔一段时间后检定所得数据，与上次数据的差异。用于静重式、杠杆式、液压式及叠加式测力机检定或比对的标准测力仪，多为电阻应变式和光学式，其准确度分为0．01、0．03和0．05三级。用于各类试验机和工作机检定或校准的标准测力仪，多为百分表式和水银箱式，其准确度分为0．03、0．05和0．1三级。
2．测力传感器和传感器式测力仪
目前广泛使用的电阻应变式测力仪，由电阻应变式测力传感器及其配套的仪表(供桥和指示器等)组成，最大力值有100N～20MN多种规格，准确度有0．01、0．03、0．05和0．1等多种等级。应变式测力传感器通过粘贴于弹性体上的应变计，将力值F转换为电阻R的变化率ΔR／R，即
ΔR／R=〔1+2μ+k(1－2μ)〕ε=K0ε (5．3－10)
式中 μ——金属导线(丝或箔)材料的泊松比；
k——电阻率的变化率与导线体积变化率之比，为常数；
ε——导线的纵向应变；
K0——应变灵敏系数。
电容式测力传感器利用电容器将被测力值转换为电容变化。例如，两块平行金属极板间的电容为C，则当忽略边缘效应时下式成立：
C=ηA／d (5．3－11)
式中 A、d——两极板相互覆盖的面积及板间距离；
η——两极板间介质的介电常数。
当被测力值通过弹性体而改变A、d、η之一时，均可引起C变化。因此，这种测力传感器实际上由参数可变的电容器和弹性体组成。
电感式测力传感器可分为自感式、差动变压器式和压磁式等。压磁效应的结果是：铁磁材料在承受拉力时，顺拉力方向的导磁率增大、磁阻减小，与拉力垂直方向的导磁率则略有下降、磁阻略增；受压力时情况相反。所以，压磁式测力传感器实际上是一种具有可变导磁率的电感式传感器。
其它的测力传感器还有压阻式、压电式、振弦式、振梁式等等，它们配以适当的电测仪表后，即构成了电式测力仪或传感器式测力仪。作为标准测力仪，目前的发展仍以量程宽、准确度高、适应性强的电阻应变式传感器为主导，同时数字传感器的发展也很迅速，已进入实用化和商品化阶段。传感器数字化的方式有两种。一种是将AD变换连同前级的放大、滤波以及后级的微处理机芯片、温度敏感元件等一起，放在传感器壳体的内部，形成一个整体。由于传感器的输出已经是数字信号，所以电测仪表中的摸拟信号处理单元可以取消，其结构得以简化。另一种方式是传感器本身一切照旧，而只是将AD变换等放到附近的接线盒(module，也称摸块)中。前者称为整体型，后者称为分离型。
多分量测力仪可在空间上同时测量三个方向的力分量Fx、Fy、Fz及三个方向的力矩分量Mx、My、Mz，它由多分量测力传感器及其配套的电测仪表组成。例如：能测量轴向力和两个弯矩的三分量测力的传感器；能测量一个主轴方向的力、两个正交轴上的弯矩及一个绕主轴的扭矩的四分量测力传感器等。用它们进行基、标准测力机的检定和比对时，可以发现侧向力、弯矩、扭矩等不希望有的寄生分量，从而改进测力机的计量性能。多分量测力仪也常用于风洞试验、金属切削力测量、弹跳力测量等。
3．力值检定的环境要求和主要步骤
检定标准测力机和标准测力仪时，室温宜为(20±5)℃，相对湿度不超过70%，气压(90～106)kPa，检定过程中室温度变化不超过1℃。检定一般测力仪和试验机等工作计量器具时，室温宜为(20±10)℃。
力值检定的主要步骤如下：
(1)检定前，应使检定用的与被检定的标准测力仪(机)在检定地点室内共处(4～8)小时，以达到温度一致；检定用的电子仪器应通电预热至少半小时。
(2)测力仪要正确安装于测力机上，包括接触面的质量(端部条件)，以及与加力轴线保持一致。
(3)对标准测力机，被检力级的选定应能确定机中每一个砝码所产生的力值；对标准测力仪，则按对应额定力值的10%开始至100%，被检力级为8到10级，并应尽量均匀分布。
(4)预载三次，每次至额定力值。然后逐级施加进程载荷，重复测量三次；必要时应在同一次进程测量后，作回程载荷的测量。加卸载测读的时序，要尽可能与向上一级标准溯源的测读时序相一致。
(5)在处理检定数据时，应进行温度修正。
有时为消除安装方位的影响，应按规程要求进行旋转试验。对高准确度的标准测力机，在首次检定时还应采用分部检定法，即由测力机各分部的不确定度经综合后得出整机的不确定度。必要时应测量重叠效应的影响。
对工作计量器具，被检的力级通常选在每一个量程的20%开始至100%，并应尽量均匀分布，且不少于5级。
【参考文献】：
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