高精度S型力傳感器的研制

1、1 程寶平 , 男 , 1964年 9月生 , 1985年 7月沈陽建筑工程 學(xué)院機械制造及工藝設(shè)備專業(yè)畢業(yè) , 所 長 , 工程師 , 046011, 山 西省長治市太行東街甲 5號 應(yīng)用技術(shù)研究高精度 S 型力傳感器的研制長治市應(yīng)用技術(shù)研究院程寶平1摘 要介紹了高精度 S 型力傳感器的設(shè)計方法 、 結(jié)構(gòu)特點 、 材質(zhì)選用 、 應(yīng)變片粘 貼固化工藝 , 并對其 中的 關(guān)鍵點進行了詳述 。關(guān)鍵詞 S 型雙孔測力傳感器 彈性體 金屬箔式應(yīng)變片 中圖分類號 TH715. 1 文獻標(biāo)識碼 A文章編號 1006-4877(2003 03-0056-02電阻應(yīng)變式傳 感器具有悠久的歷史 , 也是目 前應(yīng)

2、用最廣 泛的傳感器之一。 目前國內(nèi)外測力傳感器 , 有筒式、 柱式 、 輪輻 式、 板環(huán)式、 梁式、 S 型、 橋式等 多種 類型。 我 們研 制的各 個量 程的 S 型 雙孔 測力傳 感器 具有體 積小、 穩(wěn)定 性好、 輸出 信號 大、 靈敏度高、 抗側(cè)向力 強、 粘貼方便、 易于 加工 , 各項 技術(shù)指 標(biāo) (線性、 重復(fù)性、 滯后性、 蠕變性 在滿量程狀態(tài) 下測量結(jié)果 均可達到 0. 030%之內(nèi)。 1 工作原理在 S 型雙孔彈性體如圖 1所示部位粘貼 4片金 屬箔式應(yīng) 變片 , 將它們用導(dǎo)線連成圖 2所示的電橋 , 其輸出 電壓為 :U =R 2R 4-R 1R 3(R 1+R 2 (

3、R 3+R 4U 。 (1圖 1 S 型雙孔彈性體 圖 2 應(yīng)變片連接電路圖 當(dāng)彈性受力作用 產(chǎn)生變 形 , 供橋電 壓一 定 , 且 R i R i時 , 可得 :U =K U4( 1- 2+ 3- 4 。 (2 式中 :K 應(yīng)變片靈敏系數(shù) ;線應(yīng)變值。從公式 (2 中可以看出 , 相鄰橋 臂若極 性一致 時 , 電橋輸 出電壓為兩者之 差 ; 若極性不一 致時 , 輸出電壓 為兩者之 和。 而相對橋臂則相反 , 若極 性一致時 , 輸 出電壓為兩 者之和 ; 若 極性不一致時 , 輸出電壓為兩者之差。2 S 型傳感器彈性體設(shè)計 1圖 3 懸臂梁應(yīng)力應(yīng)變圖如圖 3所示 , 為便 于彈 性 體

4、 計 算 , 可 將 彈性 體簡 化為 一端 固 定 , 另 一 端 只 沿 力 作 用方 向移 動而 不能 轉(zhuǎn) 動的懸臂梁。因為 =FL W , =E , W =b h 26, max =M max W, 所以max = max E =FL WE =6FLb h E。 (3 h =b。 (4式中 : 材料應(yīng)力 ;F 作用力 ; L梁端部到梁中心的距離 ;W 彎矩模量 ;E 彈性體材料的彈性模量 ; b 梁寬 ; h梁厚 ;M 彎矩。由于應(yīng)變片不是貼在根部 , 而是貼在雙孔孔壁最薄處 , 又 因雙梁結(jié)構(gòu) , 單梁受力為總受力的 1/2, 所以 , 應(yīng)變片 =3F(L -a/2- b h E。

5、(5 式中 :a應(yīng)變片基長 ; 梁端部到應(yīng)變片的距離。因為R R = UU=K , 所以 U =K U =3F(L -a/2- K U b h E 。 (6設(shè)傳感器的輸出靈 敏度 S = U,S =3F(L -a/2- K b h E。 (7以 1t S 型 傳感 器 彈 性體 為 例 , 設(shè) b =20 00mm, L =14 00mm, 計算出 h =6. 88mm 。 為了研究該 彈性體結(jié)構(gòu) 的合 理性 , 可用有限元法進行分析 , 從而獲得任 何部位的應(yīng)力應(yīng)變56 2003年第 3期 6月 26太原 科技 日出版TAIYUAN SCI -T EC H光彈分析結(jié)果 表明 , 選用的 材料

6、應(yīng)具備 高強度和 高彈性 極限 , 以保證應(yīng)變和載荷之間呈良好的線性關(guān)系 ; 經(jīng)最終處理 后 , 殘余應(yīng)力 要小 , 并應(yīng)具有 均勻而穩(wěn) 定的金相組 織 ; 應(yīng)具有 較小的熱膨脹系數(shù)、 小而恒定的彈性系數(shù)和溫度系數(shù) ; 彈性滯 后要小。 我們所設(shè)計 的 S 型傳感 器的彈性體 選用的是 國產(chǎn)鋼 材 30CrMnSiA 。 由于這種 鋼材中含有 P 、 S 雜質(zhì) , 致使 該材質(zhì)冷 卻時產(chǎn)生偏析 , 所以在材 質(zhì)加工 前要對 其采用 電爐精 煉工藝 處理。 通過電爐 精煉 , 剔除材質(zhì) 中 P 、 S 雜質(zhì) , 同 時也明 顯提高 了材質(zhì)的橫向和縱向機械性 能。 再通過 自然時 效和消 磁來處

7、理材質(zhì)的殘余應(yīng)力 , 使殘余應(yīng)力降到最低。 由于傳感器對硬度 和機械加工精度的要求很高 , 因 此在加 工工藝 上做了 很大的 改進 , 例如在 保證精度的 前提下 , 取消 了線切割加 工工序 , 從 而大幅度降低了成本 , 提高了經(jīng)濟效益。 3 結(jié)構(gòu)特性圖 4 彎矩 圖這種 S 型測 力傳 感 器的 特 點是 :作 用 力在 加 載 點 上移動 時 , 不 影 響 輸 出靈 敏 度 的 大小。 由于 兩 孔 間 存在 著 零 彎 矩區(qū) , 可以 減 小 力 點移 動 的 影 響 (見圖 4 。 由圖 4可見 , 當(dāng)作用 力 F 偏離中心 L 時 , 中間梁受 剪力 和 彎 矩。 此 時 R

8、 1、 R 2、 R 3、 圖 5 傳感器應(yīng)力 應(yīng)變電路圖R 4除了產(chǎn)生 F 作 用在 中心處 的正 常 變化外 , 還要增加在 M =F L 作 用 下的附 加變 化 量。 R 2、 R 3一 側(cè)所 受 彎 矩絕對 值增 加了 M ; R 1、 R 4一側(cè) 所 受 彎矩絕對值減少了 M 。 對應(yīng)于 M , 應(yīng) 變片的電阻變化為 R, 則 R 2、 R 3的附 加電阻值變化量為 + R; 而 R 1、 R 4一 側(cè)為 - R(見圖 5 。 從圖 5中可以 看 出 , 這 樣的附 加變化 量在橋 路中互 相 圖 6 貼應(yīng)變片處 應(yīng)力示意圖抵 消 , 因 此 不 會 引起 輸 出 量 的變 化。

9、輸出靈敏度高。 對于一 個理想 的 力傳感器 , 都希望輸出靈敏度高 , 并希 望只與粘貼應(yīng)變片處一小塊面積上的 應(yīng)力 分布有 關(guān)。 為了保 證力 傳感器 的 性能 , 希 望粘貼 應(yīng)變片 處強 度越高 越 好 , 而貼片處應(yīng)盡量減薄 , 雙連 孔結(jié)構(gòu)就是根據(jù)這些要求設(shè)計的 (見圖 6 。 光彈分析顯示 , 在圓孔 A 處 將產(chǎn)生應(yīng)力集中 , 在此處貼片可獲得較 大的輸出。 剛度易 于調(diào)節(jié)。 這種受力結(jié)構(gòu)的變形橫斷面為矩形 , 梁的剛度為 :y =Ebh 332。 (8 式中 : 梁材料的密 度。即剛度 y h 3, 當(dāng)梁厚度略有增加 , 剛度即 可提高很多。 這種梁的固有頻率為 :f 0=0

10、. 0405he。 (9 即固有頻率 f 0 1, 當(dāng)長度 略有 減少 , 固 有頻 率就會 提高 1倍。從公式 (8 、 公式 (9 中可以看出 , 這種雙連孔結(jié)構(gòu)動態(tài)性 能易于調(diào)節(jié) , 便于減少滯后和蠕變 , 可提高抗側(cè)向力。 4 應(yīng)變片的粘貼與固化應(yīng)變片的粘貼位 置如 圖 1所示。 應(yīng) 變片 要經(jīng) 過 篩選、 清 洗 , 選用電阻值 350 的金屬箔式應(yīng)變片。 應(yīng) 變膠選用改 性環(huán) 氧應(yīng)變膠。 彈性體也要經(jīng)過脫脂、 除銹、 清洗處理。 對粘貼應(yīng)變 片部位還要用 80目水砂紙 交叉 打磨 (45 角 , 打磨 面積應(yīng) 是 應(yīng)變片的 2倍 3倍。 粘貼前要對彈性體進行加溫 , 還要對其 粘貼

11、面用丙酮清洗。 粘貼完 應(yīng)變片 后將彈 性體置 入恒溫 箱中 進行應(yīng)變片加壓前固化 和卸壓 后固化 處理。 這樣 可使應(yīng) 變膠 干燥徹底、 固化完全。 這個階段的工序決定 著整個傳感器的精度 , 一定要嚴格按規(guī)程操作。 5 測試結(jié)果測力傳感器供橋電 壓 12V , 電阻應(yīng) 變片電 阻值 350 , 絕 緣度超過 1000M , 因彈性體材料是國產(chǎn)優(yōu)質(zhì)合金鋼 , 時效時 間較長 , 因此 制成后的 初檢結(jié)果與 疲勞 1萬次后 的檢定 結(jié)果 差異不明 顯。 該 傳感 器采 用 的測 試儀 器 有 , 檢 定用 測 力機 :EJ 6tf 標(biāo)準(zhǔn)測力機 ; 穩(wěn)壓電源 :CB 型傳感器標(biāo)定儀 ; 數(shù) 字電

12、壓表 :SOlartron7150, Keithleg192。 測試結(jié)果見表 1。表 1 測試結(jié)果項目課題指標(biāo)測試結(jié)果一組 二組 輸出靈敏度 (mV/V2. 822. 90重復(fù)性 (%0. 10. 0150. 011線性 (%0. 10. 0240. 020滯后 (% 0. 10. 0180. 013蠕變 (% 0. 10. 0420. 040零點蠕變 20. 10. 0310. 0171 在滿量程狀態(tài)下測量結(jié)果 。2 在滿量程狀態(tài)下 , 持續(xù) 30min 測量結(jié)果 。 參考文獻1劉鴻文 . 材料力學(xué) . 北京 :人民出版社 , 1997. 107161.(責(zé)任編輯 劉長生 Development of S Type Transducer with High PrecisionChangzhi Applied Technology Institute Cheng BaopingAbstract:T his paper introduces the design method, structural characteristic selection