知识分享 | 力/扭矩传感器的负载分析

力/扭矩传感器的负载分析
选择合适的力/扭矩传感器其实很简单：你只需要知道测量什么量，大致的测量范围是什么？
当你找到了这两个问题的答案后，还有几个方面需要考虑，包括：传感器的负载限制，可允许的负荷，需要特殊考虑的方面，以及如何做出合理的评估。

技术参数表规范及其关系

当查看多分量力/扭矩传感器技术参数表时，如HBK MCS10，您会发现有最大允许载荷、力矩或要遵守标准的详细信息（见图1和图2）。数据可能因制造商或类型而异。然而，在寻找最适合的多分量传感器时，标准始终起着决定性的作用。

图1 MCS10 额定载荷技术参数
仔细查看这些参数时，您会发现一些需要解释的相关术语：

• 额定力/额定扭矩

• 极限载荷/极限扭矩

• 破坏载荷/扭矩

• 负载率总和 (LRS)

• 在多轴载荷下满足的标准

  1）额定量程

  2）疲劳强度

      - 在脉动负载下

      - 在交变负载下

• 静态载荷

理解各个术语之间如何关联的最好的方法是考虑哪些负载可以发生，以及如何对它们进行分类。在应用中，除此处所示的机械载荷外，还应考虑其他载荷，例如由温度或其他环境影响而产生的载荷。然而，在大多数情况下，这是没有必要的，或者在有疑问的情况下，可以快速识别判断。无论我们谈论的是单轴还是多轴、静态还是动态、脉动还是交变负载，都应该采用一些测试标准来确保传感器的安全运行。

图2 MCS10极限载荷参数

单轴&多轴负载

单轴载荷是指传感器在坐标系的一个方向承受载荷。如果增加了其它方向的载荷，无论是力还是力矩，这都被称为多轴载荷。最多可同时发生六个载荷：三个力Fx、Fy、Fz和三个力矩Mx、My、Mz。

通常，外部施加的载荷会对传感器的测量体产生机械应力。在多轴载荷的情况下，需要将它们组合起来，以便将它们与试验标准进行比较。这里，这是通过计算负载率总和（LRS）来实现的：

该公式包括所有现有荷载、最大允许载荷和四个修正系数。这些也可以在MCS10数据表中找到（见图2）。

静态与动态、脉动与交变负载

静态负载意味着传感器承受的负载不会随时间变化，也就是说，它是恒定的。另一方面，动态载荷意味着载荷随时间而变化，也就是说，它不是恒定的。在许多应用中，静载荷涉及施加和移除载荷的过程。在达到静载荷之前，载荷会动态增加，当载荷被移除时，载荷会再次动态减少。通常，这些应用程序可以被认为是纯静态的，如有疑问的话，也可以将负载的施加和移除视为单独的动态负载情况。

动态载荷可进一步分为脉动载荷和交变载荷。这里的决定性因素是，在脉动负载下，负载方向不会发生逆转。这意味着，施加在传感器上的压向力或拉力，或是某个方向上的扭力，只有有时更强，有时较弱。另一方面，交变加载意味着拉力和压力或顺时针和逆时针扭矩交替变化。荷载的符号反转也说明了这一点。图4显示了这三种情况下施加荷载随时间变化的示例。交变负载的测试标准是最严格的，因为它们对传感器施加了更大的负载。

图4 静态、脉动和交变负载

额定量程，极限负载，破坏负载

区分这三个参数并不特别困难，然而必须确保传感器的安全使用。在额定量程内，传感器的技术指标都在保证范围内。对于超过额定量程且范围达到极限负载的负载，无法再保证其满足技术规格。但是，此范围内的负载仍然是允许的，如果不经常发生，则不会损坏传感器。当进一步将载荷增加到极限载荷和断裂载荷之间时，测量体变形会达到永久损坏的程度，传感器无法再用于进一步测量。超过破坏载荷极限的载荷将导致传感器断裂。需要注意的是，这些荷载范围仅适用于单轴和静荷载情况。

图5 静态负载量程

特殊方面和可能的遗漏

一个可能微不足道但偶尔被忽略的方面是，传感器必须承受所有六个方向的负载，即使它们未被测量。例如，如果使用三维力传感器（Fx、Fy、Fz），其也必须要能够承受同时产生的力矩，即使它们未被测量。这些力矩包括直接作用的扭矩，以及施力点到坐标原点杠杆产生的力矩，后者导致了另一个特殊性：对于MCS10，坐标原点的位置位于测量体的中心。如果力Fx1 直接施加在测量物体表面，则会产生杠杆臂 lh （传感器高度的一半）和力矩My。例如，如果力被加载到距离传感器更远的位置，则杆臂为lh + l加上力Fx2，将会产生更大的力矩My。因此，应始终尽可能靠近传感器施加力，如果操纵杆较长，则应仔细观察。

图6 力导入点和产生的力矩

实际应用

了解完不同类型的载荷、极限和标准后，下面就是如何估计应用中传感器的载荷的问题。以下过程已被证明是可行的：

选择额定量程

在大多数情况下，如果测量的方向是已知的，最大量程即为负载绝对值。

确定发生的所有荷载

每个载荷方向的最大载荷可从应用中出现的最大载荷以及几何布置（扭矩=力x杆臂）中得出。需要注意的是这些不仅作为一个绝对值，还包括符号。这项任务通常很耗时，尤其是对于复杂的设置和相互作用的力。然而，它是可靠评估的基础，因此是必要的。除最大荷载外，其他荷载也可能相关。尤其是当涉及不同类型的负载时。例如，如果最大负载为静态负载，但较小的负载为交变和动态负载，则必须对这两种情况进行调查分析。

荷载工况的定义

通常，并非所有荷载都同时发生。可能存在两个力和一个力矩的常规情况，以及使用不同力开始和停止加载的状况。为了能够单独考虑这些情况，将它们细分为独立的负载情况并单独研究每个负载是有意义的。建议为此创建表格。

考虑每个荷载工况

本页上的交互式指南有助于找到正确的极限值或正确的标准，以便在此步骤中检查各个荷载工况。对于不同的荷载情况，需要将实际荷载与极限值进行比较并进行评估，或者将该情况下计算的LRS与相应的标准进行比较并进行评估。为了避免每次手动计算LRS，可以 下载 Microsoft® Excel® 模板。这使您能够自动执行此步骤。

全面评估

完成上述步骤后，您将获得一个表格，理想情况下，该表格仅包含各个荷载工况的正向结果。在这个表格中，不仅要注意OK（正常）或not OK（不正常），还要注意确切的结果。这样就很容易看出是否选择了不正确量程的传感器，或者所有结果是否一致。

结论

选择和评估多分量传感器并非易事。如果你遵循这个循序渐进的过程，准备一个流程图，这个问题可以很容易地处理，得到一个可靠的结果。