动态力学计量中力传感器的特性研究与校准方法优化

摘要：现代工业和科学研究对动态力学测量精度要求持续提高，力传感器作为核心测量元件，准确评估和校准其性能十分关键。基于此，本文深入探究动态力学计量中力传感器的特性，探讨并优化现有校准方法以提高力传感器校准的准确性和可靠性，从而为动态力学计量领域提供更精准高效的测量支持。

关键词：动态力学计量；力传感器；特性研究；校准方法优化

当今科技发展迅猛，众多领域都缺不了动态力学计量。高精度的动态力测量都是获取准确数据、确保系统性能与安全的关键环节。力传感器是实现动态力测量的核心设备，其测量性能对整个动态力学计量系统精度和可靠性起着直接决定作用。因此，深入研究力传感器在动态力学计量中的特性并优化其校准方法具有极大的现实意义和应用价值。

一、力传感器的工作原理

力传感器工作原理以多种物理效应为基础，能把作用于自身的力转变成可测的电信号或者其他物理量。基于应变效应的应变片式力传感器，外力作用于弹性元件，能够使其形变，粘贴在其表面的应变片电阻值随之改变，通过测量电阻值变化再用惠斯通电桥原理就能转变成对应的电压输出，从而实现力的测量。压电式力传感器基于压电效应，有些压电材料受外力时其表面产生的电荷量与外力成正比，测量电荷量就能确定受力大小。这些原理让力传感器把力学量精确地转变成便于测量和处理的电学量，给后续数据采集与分析奠定基础[1]。

二、动态力学计量中力传感器的特性分析

（一）动态响应特性

动态力学计量中，动态响应特性是关键指标，这一特性主要包含上升时间、响应频率、超调量等参数。其中上升时间是指力传感器输出信号从稳态值某个比例上升到另一个比例所花的时间，体现传感器对快速变化力的响应快慢。响应频率决定着力传感器能精确测量动态力的频率范围，输入力的频率超过这个范围，传感器输出就会失真。超调量是传感器输出超稳态值的最大偏差跟稳态值的比值，超调量太大，测量结果在动态过程中波动就大，测量精度就受影响。以冲击试验为例，力传感器得在极短时间内精准捕捉冲击力的变化，要有极短的上升时间和足够宽的响应频率范围。

（二）精度与稳定性

力传感器测量准确性的度量就是精度。在动态力学计量中动态载荷特性复杂且受环境因素影响，力传感器要保持高精度并非易事。除了静态测量时存在的线性度误差、迟滞误差等，动态测量中还会引入与频率相关的误差。稳定性主要是力传感器长时间使用时测量性能不变的能力，环境温度一旦改变，力传感器内部材料物理性质就会改变，进而传感器灵敏度和零点就会漂移，测量稳定性受到影响。在工业生产连续监测时力传感器需要长时间稳定工作，其稳定性与生产过程质量控制和可靠性直接相关[2]。

（三）影响特性的因素

在动态力学计量中，影响力传感器特性的因素很多。内部因素中，力传感器的结构设计、材料特性很关键。弹性元件的刚度和质量分布会影响动态响应特性，刚度不足时在高频动态力作用下传感器变形可能较大，从而影响测量精度。材料热膨胀系数有差异，在温度变化时会引入附加应力影响稳定性。外部因素方面，环境温度、湿度变化对力传感器性能影响明显，高温会使传感器内部电子元件性能降低，湿度可能导致内部电路短路或者腐蚀，进而影响测量精度和可靠性。动态载荷特性，如冲击载荷的峰值大小、作用时间，正弦载荷的频率和幅值变化等，也会在不同程度上影响力传感器的测量特性。

三、现有校准方法

（一）正弦力校准法

动态力传感器校准常用正弦力校准法，其原理为电磁振动台等设备能产生频率和幅值精确的正弦激励力，被校力传感器与高精度加速度传感器安装于振动台上。牛顿第二定律有F=ma（F是动态力，m为质量块有效质量，a为加速度），通过测量加速度并结合质量块已知质量，就能确定施加在力传感器上的动态力值。在参考频率点，力传感器灵敏度S=U/F（U是传感器输出电压），将力传感器的输出和标准力值一比较就能算出灵敏度相对误差等校准参数[3]。

这种方法能提供精确可控的激励力，便于在不同频率下校准力传感器，以获取力传感器在不同频率段的动态特性。然而，正弦力校准法对设备要求高，校准精度直接受电磁振动台性能影响，且校准过程复杂，振动台的频率幅值等参数需要进行精确控制。

（二）冲击校准法

冲击校准法利用冲击力对力传感器进行校准。常见做法是让质量块从特定高度自由下落撞击待校准的力传感器以产生瞬态冲击力，加速度传感器装在质量块上测量冲击时的加速度，依据牛顿第二定律算出冲击力，每个测量点选定后在冲击力标准装置的同一高度连续冲击多次（如3次）取平均值，以提升测量准确性。各模块同步工作，同时进行数据处理，获得校准结果，冲击校准法能模拟实际应用中可能遇到的冲击工况，操作简单、对设备要求不高。但是这种方法产生的冲击力有瞬态性和不确定性且冲击力的波形精确控制较难，校准结果的重复性和准确性可能会受到一定影响。

（三）其他校准方法

正弦力校准法和冲击校准法之外还有些校准方法。例如，基于激光干涉技术的校准法，借助激光干涉测量的高精度性，精准测定力传感器受力时的微小位移变化，通过力学模型转换为对应的力值，实现力传感器校准。还有利用标准力源直接对力传感器进行加载校准的方法，高精度标准力源产生已知力加到力传感器上，对比传感器输出和标准力值来校准，这方法简单直接，但标准力源的精度和稳定性要求极高，且动态力变化特性也难以模拟。

四、校准方法优化策略

（一）基于多源数据融合的校准优化

要想提高校准精度，可以采用多源数据融合技术。在校准力传感器时，可采集正弦力激励、冲击激励下的响应数据，以及温度、湿度等环境参数等辅助数据。数据融合算法可将这些多源数据融合处理，在分析完大量不同工况下的数据融合后，能更全面准确地评估力传感器的特性，消除单一激励方式下可能存在的测量误差和不确定性。以卡尔曼滤波算法为例，将力传感器在不同激励下的测量数据作为观测值，结合力传感器的数学模型作为状态方程，不断迭代更新状态估计，得到更精确的力传感器校准参数，提高校准结果的可靠性和稳定性。

（二）考虑环境因素补偿的校准方法

针对环境因素对力传感器特性的影响，校准过程中得引入环境因素补偿机制。通过实验测试，建立力传感器特性和环境温度、湿度等因素间的数学模型。以温度对力传感器灵敏度和零点漂移的影响为例，在不同温度下对力传感器进行静态、动态校准获取数据信息，利用多项式拟合或者神经网络等方法建立温度和传感器特性参数间的函数关系。实际校准力传感器时，环境温度、湿度等参数要实时测量，按照建立的数学模型对测量数据补偿修正。环境温度如果发生变化，就依据温度补偿模型自动调整力传感器的输出，以消除温度对测量结果的影响，让力传感器在不同环境条件下校准更准确、适应性更强。

（三）改进校准设备

在正弦力校准设备中使用性能更高的电磁振动台，能够提高其频率精度、幅值稳定性和波形失真度指标。优化加速度传感器的安装方式和测量精度，能够减少加速度测量误差带来的校准误差。在冲击校准设备方面，改进冲击发生装置的结构设计，采用更精密的控制技术，使冲击力波形、幅值和作用时间的控制更精确。

五、结语

随着科技的不断进步，动态力学计量领域对力传感器的性能要求将持续提高。这就需要加强研究和制定动态力学计量标准，促进校准方法的规范化和标准化，推动整个动态力学计量行业发展。

文章来源：《产品可靠性报告》https://www.zzqklm.com/w/kj/32519.html