智能化刚度测量仪

　　在航空航天领域中广泛应用精密弹性元件作为敏感元件和调谐补偿元件。这些弹性元件形状特殊、结构复杂,不仅对形位精度要求严格,且要求严格的刚度。因此,精确测量其刚度值非常重要。目前刚度测量使用较原始的吊砝码加力和从读数显微镜读取位移值的方法,测量精度差,效率低,劳动强度大。为此我们研制了智能化刚度测量仪,该仪器操作简单,测量范围宽,精度高,性能稳定,克服了传统测量方法的种种弊端,为保证弹性元件的刚度要求提供了有效的测量手段。

　　智能化刚度测量原理

　　为了测量出零件的刚度值,就要测出工件所受的力和在该力作用下的变形量。智能化刚度测量方法使用先进的力和位移传感器实现力和变形的测量,并且采用单片机作为运算和控制部件,大大提高了测量精度和测量效率。

　　图1为测量原理,通过一定的机构使力传感器实现微位移,通过施力头对被测工件施加测量力,力传感器既作测力元件又作施力元件,避免了由于施力和测力分别进行而带来的误差。电感测头的线圈部分固定在台架上,磁芯固连在施力头上随施力头一起运动,磁芯与线圈之间互不干涉。测量时,拧动千分螺杆进行施力,使工件发生变形,磁芯随施力头移动,测出工件的变形。这样,电感测头通过测量施力头的移动,对工件的变形进行间接的非接触测量,避免了因存在附加测量力而造成的载荷测量误差。把测得的力值和位移值送入单片机系统进行一定的运算,即可得到刚度值。

　系统硬件、软件设计

　　1.系统硬件设计

　　系统从整体上由前向通道(包括传感器、信号调理放大电路、A/D转换电路等模拟测量电路)、人机交互通道(包括键盘、显示器、打印机等信息交换设备)和单片机系统3部分组成。系统总体框图如图2所示。下面重点介绍其中的测力和测位移两部分。

　　测力部分的测量精度与传感器的精度直接相关。由于精密弹性元件的刚度测量是一个静态测量过程,因此,对传感器的频响等动态参数没有严格的要求,主要考虑传感器的灵敏度和线性指标,其次是迟滞误差。

　　电阻应变片式传感器对环境温度、湿度的变化及振动、电磁场的干扰都不敏感,在生产实际中使用比较方便、可靠,因此,我们根据使用要求,选用了量程为5N的电阻应变片式精密力传感器,其线性度和迟滞都优于0.05%F.S.。

　　针对传感器的迟滞误差,采用两点式测量方法来消除它对测量精度的影响:在力值较小的F0点测量一次,然后增大测量力到F1值再测一次,在测量时保证测量力从小到大单方向施加,以力的增量△F=(F1-F0)作为测量力进行刚度值计算,从而消除迟滞现象给测量带来的误差,提高了系统的测量精度。