钢索张力计的校准方法浅谈

钢索张力计的校准方法浅谈

胡小姣

中航西安飞机工业集团股份有限公司计量中心  陕西西安 710089

摘要：本文主要介绍了钢索张力计的结构原理及校准方法， 并对测量不确定度的评定进行了分析，为相关人员提供参考。

关键词：钢索张力计、校准、测量不确定度

1  前言

钢索张力计在飞机制造业中是一种用来测量飞机钢索受到拉力作用时其内部与固定钢索接触体之间的相互牵引力大小的仪器。它主要应用在飞机操控及动力系统中，而飞行的操纵系统主要作用是用来改变或保持飞机的飞行状态，它是飞机最主要也是最重要的系统之一。操纵系统工作的好坏直接影响飞机的操纵性，在很大程度上影响飞机的安全性和乘坐舒适度。软式操纵系统包括钢索、钢索连接器、滑轮、扇形轮、松紧螺套及张力补偿器等，其中较为重要的部件就是钢索，钢索张力的准确性对操控系统及动力系统有着十分重要的影响。为了保证钢索张力计在使用过程中的测量准确性和可靠性，需要定期对钢索张力计进行检定，并分析其测量的不确定度。

图1 钢索在飞机中的分布

2  钢索张力计的结构及原理

钢索张力计主要由钢板、滑块、杠杆、止动块等组成，其中的钢板为钢索张力计的主要测力元件。当张紧的钢索卡在两端止动块时，形成两个为支点，卡块在钢板的中间，为力点，钢索的张力推动卡块使钢板弯曲变形，通过推杆位动扇形齿轮传动齿轴端部的指针在度板上回转，指示出相应读数，弹簧片压在扇形齿轮的边缘上，推杆是在套管内单向运动的，当张力计从钢索上取下时，使指针留在读数上，用开关棒抬起弹簧片即可使指针回复到零。张力计的机件是安装在铝合金的外壳内。

测量钢索张力计的原理是三点弯曲法，见图2。压紧力P强制钢索发生局部变形，同时迫使张力计弹簧片发生弹性变形，变形带动模拟指示机构指针偏转，然后从张力计刻度盘上（或数显表）读出刻度值，再通过张力值定度表找到对于尺寸的钢索，读取相应钢索的张力值。如果实际温度超过一定范围（一般是30℃），还应对张力值进行修正，修正值可通过查阅钢索张力温度修正表获得，温度越高，对张力值的影响越大。

图2三点弯曲法示意图

T=P(D)

3  钢索张力计的校准方法

    钢索张力计的校准方法分为传感器校准法及砝码校准法[1]。

3.1  传感器校准法

传感器校准法是利用力值传感器为力值感应元件，通过计算机控制，对钢索进行相应的力值拉伸，使钢索能达到预期的张紧力，然后将需要校准的钢索张力计卡在拉紧的钢索上，对其进行读数、记录。

传感器校准速度快，但传感器校准是实时反馈信号，因为钢索是软连接，如处理不好，整体机构的稳定性较差，不利于校准。

3.2  静重砝码校准法

常用的方法为砝码校准方法，砝码校准法还可分为杠杆式砝码校准，及砝码直接加载法。杠杆式砝码校准是砝码通过杠杆力臂对钢索进行拉伸，使用砝码少，校准的效率不如传感器校准法，但是相对整体系统稳定。

砝码直接加载法也是常用的方法，在美国OPTI Manufacturing钢索张力计使用前举例的方法就是砝码直接加载法，直接选用用户指定的钢索进行悬挂，再将砝码悬挂于钢索自由端，选用的钢索至少应保证在1米的长度，上下距离两端30厘米处的钢索不允许使用，如图3所示，在中间约40厘米处选取不同位置的5个点进行测量，测量所得的示值范围就是校准所得的实测值。

                图3  砝码直接加载测量法

4  钢索张力计测量不确定的评定

    在钢索张力计的校准中影响示值结果的因素主要有测量的重复性、钢索张力计校准装置本身的示值误差、指针式钢索张力计的分辨率及其校准的环境温度。在校准时应考虑各个因素带来的不确定度。评定测量不确定度应依据JJF1059.1-2012《测量不确定度评定与表示》。

4.1  数学模型：

    ——测量示值误差；

    ——张力计的示值（标定值），kg；

    ——标准装置给定的标准值，kg。

4.2  灵敏系数：

； 。

4.3  输入量的标准不确定度的评定

4.3.1  测量重复性引入的不确定度

例：选取一块T5-8003-107-00型钢索张力计，在180kg砝码的载荷下，选取该点作为测量点，在相同条件下进行10次独立重复测量， 用贝塞尔公式算得单次值实验标准差： 。

4.3.2  钢索张力计校准装置引入的标准不确定度[2]

钢索张力计校准装置引入的不确定度主要来源于F1等级的砝码组及安装在钢索张力计校准装置上的钢索直径大小的影响。由于钢索直径的大小在每年仪器校验时，需符合YB/T 5197-2005《航空用钢丝绳》相应的要求后才允许使用。因此由钢索直径引入的不确定度可忽略不计。本次实验中使用的钢索张力计校准装置引入的不确定度可根据检定证书中给出的示值相对误差来评定，即采用B类方法进行评定。

例：证书中给出的示值相对误差为±0.01%，估计为均匀分布，取包含因子，则标准不确定度为：

4.3.3 钢索张力计指示装置的有效分辨力为0.5格（单位为1格），区间半宽度

，服从均匀分配，根据常用非正态分布的置信因子k及B类标准不确定度关系。

4.3.4 测量过程中环境温度影响引入的不确定度

由于校准时环境温度接近室温，且校准过程中，温度变化不超过±2℃，故可以不考虑温度变化带来的影响。

最后合成上述各不确定分量，可得合成标准不确定度。

美国OPTI Manufacturing公司生产的T5型指针式钢索张力计在使用前需用标准砝码进行赋值，通常校准完后需要给予每个校准点一个平均值或者一个实测得到的显示范围，在用户的校准报告上必须给予测量不确定度，它表征被测量值测定结果的分散程度，对用户在未来使用时极具参考价值。

5  结尾

未来在测量钢索张力计时仍热离不开电子传感器的应用，快速、稳定、方便、小巧等仍是用户的需求，在量子计量时代中，我们是否可以找到，使钢索张力计本身能提高的自身校准还是未知数，相信未来计量更多实现在线实时地检测。

参考文献

[1]国家质量技术监督局.JJG455-2000工作测力仪检定规程.北京：中国计量出版社.2000

[2]徐晓东，庞莉，余鹏，刘玉群.常用飞机操纵钢索张力计测量不确定度评定.成都航空职业技术学院学报.2023.46-49