【文章內(nèi)容簡介】 消除載荷偏心和側(cè)向力對輸出的影響。這是一種較新型的傳感器，其優(yōu)點是精度高、滯后小、重復性及線性度好。 （ 2） 梁式傳感器 梁式力傳感器有多種形式，有等截面梁，等強度梁和雙端固定梁等，通過梁的彎曲變形測力，結(jié)構(gòu)簡單，靈敏度較高。等截面梁其特點為結(jié)構(gòu)簡單，易加工，靈敏度高。適合于測 5000N以下的載荷，也可以測量小的壓力。等強度梁 力 F作用于梁端三角形頂點上，梁內(nèi)各斷面產(chǎn)生的應力相等，表面上的應變也相等，故對粘貼應變片位置要求不嚴。另外梁的形式還有平行雙孔梁、工字梁、 S型拉力梁等。 （ 3） 環(huán)式傳感器 環(huán)式常用于測幾十千克以上的大載荷，它的特點是應力分布變化大，且有正有負，便于接成差動電橋。環(huán)式彈性元件包括典型的圓環(huán)式、扁環(huán)式、柱環(huán)式等。 （ 4） 柱式傳感器 10/ 29 柱式傳感器的彈性元件分為實心和空心兩種。應變片粘貼在彈性體外壁應力均勻的中間部分，并均勻?qū)ΨQ地粘貼多片。柱式傳感器的結(jié)構(gòu)簡單，可測量大的拉壓力，最大可達 107N，為了提高變換靈敏度和抗橫向干擾， 一般采用空心圓柱式結(jié)構(gòu)。相對于實心圓柱體，空心圓筒在同樣的橫截面情況下，橫向剛度大，橫向穩(wěn)定性好。 綜上所述，總結(jié)出四種彈性體的比較表如下表 類型 負載能力 精度 線性度 工藝性 體積 輪輻式 大 高 好 較復雜 較小 梁式 小 高 較好 簡單 小 環(huán)式 較大 高 好 較復雜 小 柱式 大 較高 較好 簡單 大 綜合對以上各種形式的傳感器進行比較，由于柱式傳感器具有負載能力大，精度較高，加工工藝簡單，線性度較好等特點，并根據(jù)題目的參數(shù)要求，測力范圍： 1 103～ 1 105 N，稱量精度：177。 1%和器件的應用性，加工性，本課設最終選用圓柱筒應變式荷重傳感器。 四、 彈性元件 彈性敏感元件在傳感器技術(shù)中占有極為重要的地位。在傳感器工作過程中，一般是由彈性敏感元件首先把各種形式的非電物理量變換成應變量或位移量等，然后配合各種形式的轉(zhuǎn)換元件，把非電量轉(zhuǎn)換成電量。所以在傳感器中彈性元件是應用最廣泛的元件。 彈性元件的要求 在設計傳感器以前，首先應選擇好彈性元件材料。對彈性元件材料提出以下要求： (1)強度高，彈性極限高； (2)具有高的沖擊韌性和疲勞極限； (3)彈性模量溫度系數(shù)小而穩(wěn)定； (4)熱處理后應有均勻穩(wěn)定的組織，且各向同性； (5)熱膨脹系數(shù)??； 11/ 29 (6)具有良好的機械加工和熱處理性能； (7)具有高的抗氧化、抗腐蝕性能； (8)彈性滯后應盡量小。 查《新編傳感器技術(shù)手冊》表 71得以下是三種彈性體材料的特點： 材料 鈹青銅 QBe2 17－ 4PH不銹鋼 恒彈性合金 3J53 密度 g cm3 屈服極限 MPa 1030 1850 1250 彈性模量 MPa 134 103 195 103 G=70 103 線膨脹系數(shù) at/ 106℃ 1 － 泊松比 機械品質(zhì)因數(shù) ≥ 1000 彈性模量溫度系數(shù) 35 105/℃ 根據(jù) 應變式 荷重 傳感器 —— 柱式傳感器 使用特性和性能指標，本設計使用 17－ 4PH不銹鋼作為彈性元件的制造材料，主要原因是 17－ 4PH 不銹鋼具有以下優(yōu)點： 174PH 合金是沉淀、淬水、馬氏體的不銹鋼，和這個等級具有高強度、硬度（高 達 300 0 C/5000 C）和抗腐蝕等特性。經(jīng)過熱處理后，產(chǎn)品的機械性能更加完善，可以達到高達 11001300 mpa (160190 ksi) 的耐壓強度。這個等級不能用于高于 300 0C (572 0F) 或非常低的溫度下，它對大氣及稀釋酸或鹽都具有良好的抗腐蝕能力，它的抗腐蝕 能力與 304 和 430 一樣 。由于 17－4PH不銹鋼具有以上特性，所以比較適合于用作應變式荷重傳感器的彈性元件材料。 由上我們可知 17－ 4PH不銹鋼屈服強度σ s= 109Pa，彈性模量 E= 1011Pa， 因它為塑性材料，則安全系數(shù) ns＝ ～ ，取 ns＝ 。則許用應力： [σ ]=σ s/ns= 109Pa /= 109Pa 根據(jù)σ =Eε得： [ε 1]=[σ ]/E= 108Pa /( 1011Pa)= 10?3。 12/ 29 五、 電阻應變片的選擇 金屬電阻應變片 此類應變片的結(jié)構(gòu)形式有絲式、箔式和薄膜式三種。 絲式應變片 如圖 1所示，它是將金屬絲按圖示形狀彎曲后用粘合劑貼在襯底上而成，基底可分為紙基，膠基和紙浸膠基等。電阻絲兩端焊有引出線，使用時只要將應變片貼于彈性體上就可構(gòu)成應變式傳感器。它結(jié)構(gòu)簡單，價格低，強度高，但允許通過的電流較小，測量精度較低，適用于測量要求不很高的場合使用。 圖 1 金屬電阻應變片結(jié)構(gòu) 箔式應變片 該類應變片的敏感柵是通過光刻、腐蝕等工藝制成。箔柵厚度一般在 ～ 之間，它的結(jié)構(gòu)如圖 1所示。 它的優(yōu)點是：（ 1）可制成多種復雜形狀尺寸準確的敏感柵，柵長 l最小可做到 ，以適應不同的測量要求。（ 2）與被測試件接觸面積大，粘結(jié)性能好。散熱條件好，允許電流大，提高了輸出靈敏度。（ 3）橫向效應可以忽略。（ 4）蠕變、機械滯后小，疲勞壽命長。它的主要缺點是電阻值的分散性大，有的能相差幾十歐坶，故需要作阻值調(diào)整。 箔式應變片與絲式應變片比較 ， 其面積大，散熱性好，允許通過較大的電流。由于它的厚度薄，因此具有較好的可繞性，靈敏度系數(shù)較高。箔式應變片還可以根據(jù)需要制成任意形狀，適合批量生產(chǎn)。 金屬薄膜應變片 它是采用真空蒸鍍或濺射式陰極擴散等方法，在薄的基底材料上制成一層金屬電阻材料薄膜以形 成應變片。 它的優(yōu)點是應變靈敏系數(shù)大，允許電流密度大，可在 197～ 317℃溫度下工作。主要問題是，尚難控制其電阻與溫度和時間的變化關(guān)系。 這種應變片有較高的靈敏度系數(shù)，允許電流密度大，工作溫度范圍較廣。 13/ 29 驗證 [ε 2] 根據(jù)《新編傳感器技術(shù)手冊》中的日本新興通信工業(yè)株式會社的傳感器資料，在實際的應用中可參照新興通信株式會社公司生產(chǎn)的型號 BFAE2J12的應變片，其特性參數(shù)如下表所示： 系列型號 額定電阻(Ω ) 應變片基長 (mm) 絲柵尺寸 基底尺寸 靈敏系數(shù) 長寬 全長全寬 BFAE2J12 177。 120 8 8 13 2 由上得：應變片的靈敏度系數(shù) K= 因為Δ Rs=K Rε 1= 120 10?3= 根據(jù) Ksε s=Δ Rs/Rs，且 Ks=，Δ Rs=， Rs=120Ω，所以 ε s=Δ Rs/Rs/Ks= 310? ，則 [ε 2]=ε s=4 10?3， [ε 1]= 10?3， 因為 [ε 1]＜ [ε 2]，所以應取 [ε 1] = 310? 進行計算。 為了消除基底端部過度區(qū)的影響，要求應變片基底長度 Ld 至少比柵長 Lj 大 2a，故設 Ld=Lj＋ 2a，所以 a=(Ld－ Lj)/2=(4－ 2)/2=1mm，所以基底及粘界劑層的厚度δ =a/2=。 令外力均勻地作用于筒壁上，在筒壁上取一單元面積 ABCD，在兩個方向上都受壓縮作用。所以σ 1 和σ 2都是主應力，垂直于 ABCD方向的壓力產(chǎn)生的應力σ 3σ 1 和σ 2，故可忽略不計。 設： d 為圓筒的內(nèi)徑； l為圓筒的長度；σ為圓筒壁的厚度，則 4 2dpSpP ???? （ 42） 作用于圓筒底部軸向力 P 為： 承受軸向壓力 P 的為圓筒的橫斷面積（圓環(huán)面積） ??lS? 因此，軸向應力σ 2 為 圖 14/ 29 ????? 4422pdldPSP ???（ 43） 橫向力（作用于直徑平面上的壓力） P1 ，是由縱向截面的支反力 N 來平衡。 當支反力 N 和橫向力 P1=pdl兩力平衡時，則 pdlPN ?? 12 （ 44） 所以 2pdlN? （ 45） 徑向應力σ 1 為 ??? 21 pdN ?? （ 46） 比較軸向應力σ 2 和徑向應力σ 1 有 24221 ?????? pdpd（ 47） 所以 21 2?? ? （ 48） 因此，工作應變片應該沿圓周方向粘貼。 15/ 29 5. 受壓軸截面面積的計算 ,彈性元件基本尺寸確定 根據(jù)任務書可知：測力范圍為 0～ 1 105N 由上可知 [ε 1] = 310? 。則σ＝ε E＝ 310? 1011Pa＝ 109Pa。所以傳感器受壓軸的截面面積為： A=F/σ == 1 105/( 108Pa)＝ 104m2。因為受力面積較小，故受壓軸使用圓筒式結(jié)構(gòu)。 選擇 D與 d時， 要考慮到構(gòu)件的穩(wěn)定性及加工條件，原因是圓筒式的壁不能太薄。兩端的剛度要足夠。當安裝、緊固傳感器時，不應使中段產(chǎn)生腰鼓變形。過渡部分的圓弧半徑不可太小，以避免造成應力集中而影響疲勞壽命。為使貼片部分應力分布均勻，長度 L不可太短，圓柱式一般為 L=(2～ )D,而圓筒式則可適當短一些。 由 σ=