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1、?檢測技術(shù)?朱 曄 周伯偉 顧 榮等 關(guān)于輪輻式剪切力傳感器的研制與設(shè)計(jì)87關(guān)于輪輻式剪切力傳感器的研制與設(shè)計(jì)朱曄，周伯偉顧榮江龍（華東船舶工業(yè)學(xué)院四洋集團(tuán)，江蘇鎮(zhèn)江 212003）摘要：輪輻式剪切力傳感器與傳統(tǒng)的拉壓式傳感器相比，具有精度高、滯后小、重復(fù)性好、線性好、抗偏心載荷和側(cè)向力的能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)高度最小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，因此這種傳感器在大、中量程測量方面有著廣泛的應(yīng)用，并具有良好的市場前景。圍繞著該產(chǎn)品的主要特點(diǎn)，基于其物理基礎(chǔ)、變換過程及設(shè)計(jì)原則，討論了他的設(shè)計(jì)計(jì)算，并指岀 了該產(chǎn)品所能達(dá)到的性能指標(biāo) 。關(guān)鍵詞：傳感器；應(yīng)力；應(yīng)變；應(yīng)變片中圖分類號:TP212 112文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編

2、號：1007 - 9483(2002) 04 - 0087 - 03Design of the Sensor Used for the Measure of Cut LoadZHU Ye,ZHOU Bo - wei ,GU Rong,JIAN GLong(Huadong Institute of Shipping Engineering ,Jiangsu Zhenjiang ,212003 ,China)Abstract :A new type sensor was designed for measure of cut load. Compared with normal draw - pr

3、ess one , this sensor was accu2 rate , little lag , fine repetition and linear , compact structure , light and useful for eccentric load. Based on the physical and mathe2 matics principle , calculation of design and function were also showed.Key words : Sensor; Stress; Strain ; Piece of Strain Measu

4、re?檢測技術(shù)?朱 曄 周伯偉 顧 榮等 關(guān)于輪輻式剪切力傳感器的研制與設(shè)計(jì)#?檢測技術(shù)?朱 曄 周伯偉 顧 榮等 關(guān)于輪輻式剪切力傳感器的研制與設(shè)計(jì)#隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和信息處理技術(shù)的不斷發(fā)展和完善 作為提供信息的傳感器，人們往往把他比作電腦的“五官” 即通過他來靈敏地采集各種信息，為電腦提供思維、判斷和 控制的基礎(chǔ)。因而傳感器的發(fā)展在測量與監(jiān)控系統(tǒng)中就顯 得尤為重要。筆者討論的輪輻式剪切力傳感器是近年來國 內(nèi)外研制和應(yīng)用的一種新型傳感器。他的基本原理是將載 荷傳遞到一個(gè)輪輻式的彈性體上，通過測量輪輻上的剪應(yīng) 力來間接地測量載荷，故稱為輪輻式剪切力傳感器。他有著優(yōu)良的性能價(jià)格比，因此無論是在測量

5、領(lǐng)域的廣度，還是 在測量的準(zhǔn)確度上他都有著很強(qiáng)的競爭力。1物理基礎(chǔ)111彈性體的應(yīng)力與應(yīng)變特性這是所有應(yīng)變式傳感器的基本特征之一，是其被測物理量都能夠在物體上產(chǎn)生變形（應(yīng)變），當(dāng)外力去除之后又 可恢復(fù)原來的形狀和尺寸，即這種變形為彈性變形。彈性 體是構(gòu)成傳感器的基本要素之一，他所具有的基本物理性 質(zhì)，可用下列公式表示1。a1 b = E x ,是軸向應(yīng)力應(yīng)變虎克定律，即彈性體的彈性模量E決定了軸向應(yīng)力b和軸向應(yīng)變間的線性關(guān)系b1 1 =卩X,彈性體在上述軸向力作用下 ，除了產(chǎn)生 軸向應(yīng)變外，還伴隨著橫向應(yīng)變 。兩者間的比值泊松比 卩為常數(shù)。c1 T = G XY ,是純剪切虎克定律。彈性體受到

6、剪切力 作用時(shí)，受剪切面上的剪應(yīng)力T與截面間產(chǎn)生的相對角應(yīng)變Y呈線性關(guān)系，并取決于彈性材料的彈性剪切模量G。上述彈性材料的3個(gè)特性參數(shù) E,G,卩之間具有下述 關(guān)系：E2 X (1 + 1)112金屬材料的變阻效應(yīng)由金屬電阻材料制成的電阻應(yīng)變片也是構(gòu)成傳感器的 另一個(gè)基本要素。應(yīng)變片粘貼后的變阻效應(yīng)可由粘貼后的 應(yīng)變靈敏系數(shù) K來表示。他不僅與電阻材料本身的應(yīng)變靈敏系數(shù)K（即與幾何尺寸、晶體結(jié)構(gòu)、泊松比和電阻率變 化有關(guān)）有關(guān)，而且與粘貼劑種類、粘貼狀態(tài)、基底和膠層厚 度有關(guān)。應(yīng)變片粘貼后，其K值應(yīng)該為一個(gè)常數(shù) ，但由于 外界條件和時(shí)間的影響，不可避免地表現(xiàn)岀分散性 。2稱重傳感器的變換原理和

7、過程電阻應(yīng)變式稱重傳感器是一個(gè)多效應(yīng)的組合變換式傳感器。在由重力轉(zhuǎn)換為輸岀電壓信號的過程中，將經(jīng)歷由幾個(gè)變換環(huán)節(jié)組成的多次變換過程，具體闡述如下1。a1彈性體實(shí)現(xiàn)的力學(xué)變換過程。由重力W產(chǎn)生的變 形是與材料的彈性模量E和彈性體的幾何尺寸A有關(guān)即b1由粘貼在彈性體上的應(yīng)變計(jì)實(shí)現(xiàn)的非電量轉(zhuǎn)換為電參數(shù)的過程。電阻變化 R/ R與他所感受到的應(yīng)變成 正比，即K X?檢測技術(shù)?朱 曄 周伯偉 顧 榮等 關(guān)于輪輻式剪切力傳感器的研制與設(shè)計(jì)#?檢測技術(shù)?朱 曄 周伯偉 顧 榮等 關(guān)于輪輻式剪切力傳感器的研制與設(shè)計(jì)88收稿日期:2002 - 01 - 07作者簡介：朱 曄（1973 - ），女，上海人，華東船

8、舶學(xué)院助理工程師 學(xué)士，主要研究領(lǐng)域?yàn)殡娮钁?yīng)變式傳感器的制造、設(shè)計(jì)及質(zhì)量控制。1W4-24KK*Acadciic JournalPuXilishingAll rights rescued.http溥www cnkLnct882002年7月 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造工程第31卷 第4期C1在電橋電路中，在外接電源電壓Uin的激勵(lì)下，組成電橋橋臂的應(yīng)變計(jì)電阻變化 R/ R ,才能轉(zhuǎn)換為電壓的變化厶U，從而被傳輸和測量，即 U U = K XU in綜合以上各式，可得表征電阻應(yīng)變式稱重傳感器基本 特征的關(guān)系式：傳感器的結(jié)構(gòu)要保證輪轂和輪箍的剛度足夠大，可以將每對輪輻看成是一根兩端固定的梁，每根輪輻上承受的剪力

9、為所受的載荷的1/ 8，對于矩形截面的輪輻，剪應(yīng)力呈 拋物線形分布，在中性面上剪應(yīng)力最大，為平均剪應(yīng)力的 1 15倍。由材料力學(xué)平面應(yīng)力狀態(tài)下的主應(yīng)力公式可知：與中性面成45方向的正應(yīng)力/應(yīng)等于最大剪應(yīng)力Tmax，其計(jì)算公式為2,3UUinI(TTmax3P16 bhJournal hlcclrMix Potilishing AH rights reserved.3輪輻式傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要原則al要有很好的剛性。為了使傳感器工作狀態(tài)保持穩(wěn) 定，減輕外界振動干擾的影響，應(yīng)盡量使彈性體在負(fù)荷作用 下的彈性位移減少，使之具有較高的固有頻率。b1要有簡單合理的整體性結(jié)構(gòu)。彈性體應(yīng)盡量為一個(gè) 整體，避

10、免組合式結(jié)構(gòu)。減少諸如緊固松動、焊接變形等帶 來的影響，并有利于簡化加工工藝，降低成本。C1對作用力位置的變化和干擾力的影響不敏感。彈性體應(yīng)變敏感區(qū)的應(yīng)力分布，希望只隨作用力的大小而變化。di彈性體有效工作區(qū)應(yīng)有良好的線性和最大應(yīng)變值。el彈性體工作區(qū)的工藝性能好，包括機(jī)械加工、粘貼和 密封安裝工藝好。f 1具有低外形結(jié)構(gòu)，安裝方便，互換性好。低外形結(jié)構(gòu) 可以增強(qiáng)抗側(cè)向力的能力，使工作狀態(tài)穩(wěn)定。4輪輻式傳感器設(shè)計(jì)要點(diǎn)及相關(guān)計(jì)算 411結(jié)構(gòu)型式的設(shè)計(jì)輪輻式傳感器如圖1所示，他好象一個(gè)車輪，其彈性元 件由輪轂、8個(gè)輪輻和輪箍組成，其中輪輻由用16個(gè)孔的交 接邊組成。這種結(jié)構(gòu)加工比較方便，容易形成合

11、理的截面形狀。外加載荷作用于輪轂的頂部和輪箍的底部，在輪箍和輪轂間的輪輻上受到純剪切力，通過測量該力來間接測量載荷。A-A圖1外形結(jié)構(gòu)示意圖式中：b為輪輻截面的寬；h為截面的高；P為載荷。設(shè)計(jì)時(shí) 要求 Tmax t = 0175 a， a = 1/ 3as。其中t為許用 剪應(yīng)力；a為許用應(yīng)力，as是材料的屈服極限。412應(yīng)變片布片方案的確定及電橋組成3,4將電阻應(yīng)變片分別粘貼在各輪輻側(cè)面中間與中性軸線 成45的方向上，由材料力學(xué)可知：在正負(fù)45方向上，分別 受拉壓應(yīng)力，一面的應(yīng)變片貼在受拉方向，另一面的應(yīng)變片 貼在受壓方向，圖2表示了傳感器中應(yīng)變片的布置和電橋接線情況。為了消除偏心載荷對輸岀的

12、影響，每對輪輻的2個(gè)受拉應(yīng)變片串聯(lián)成一個(gè)橋臂，2個(gè)受壓應(yīng)變片串聯(lián)成相鄰橋臂，圖中( i = 1,2,3,4)表示受拉應(yīng)變片，Cj(j = 1，2, 3，4)表示受壓應(yīng)變片。對于加在輪轂和輪箍上的側(cè)向力,他使一根輪輻受拉伸，相對的另一根輪輻則受壓縮，其應(yīng)變 片上阻值變化幅度相等，方向相反，每個(gè)臂的總阻值無變 化，對輸岀無影響。輸入圖2應(yīng)變片的布置及電橋組成413應(yīng)變片的選用根據(jù)設(shè)計(jì)要求選擇了BF350 - 4AB (11)型電阻應(yīng)變片其敏感柵與軸線成 45，滿足了應(yīng)變片粘貼在最大應(yīng)變處的?檢測技術(shù)?朱 曄 周伯偉 顧 榮等 關(guān)于輪輻式剪切力傳感器的研制與設(shè)計(jì)89要求。414專用加載工具的設(shè)計(jì)電阻

13、應(yīng)變片粘貼采用了 4組8根插銷對貼片部位的圓柱表面進(jìn)行加壓415輪輻截面尺寸計(jì)算依據(jù)應(yīng)變電橋的輸入與輸岀特性公式：Uin3 K X (1 + u) X P4 n X E X bh（其中K為應(yīng)變片的靈敏系數(shù)(Rated capacity)為 2mV/ V 0125%; (2)非線性(Non - lin 2 earity ) 0105 %R 1O ; (3)滯后(Hysteresis) 011 %R 1O ; (4) 最高供橋電壓 (Max 1 input voltage) 18V ; ( 5)重復(fù)性(Re2 peatability ) 01 03 %R 1O ; (6)輸入 / 出電阻(In -

14、 Output Re2 sistance) 700Q 1 % ; (7)絕緣 電阻(Insulation Resistance) 2 000M Q以上；(8)允許的溫度范圍(Safe Temperature Range) - 20 C 100 C; (9)允許的過負(fù)荷 (Safe Overload Rating) 150 %R. O。料的泊松系數(shù)；n為輪輻的對數(shù)；E為材料的彈性模量；P為 所受壓力；Uin、U為電橋的輸入、輸出電壓）1。當(dāng)實(shí)際測 量到的額定輸岀不符合規(guī)定的技術(shù)指標(biāo)時(shí)，由該公式可知，在額定輸入電壓一定，所選用的彈性體的材料和應(yīng)變片不 變的情況下，電橋的輸岀與輪輻截面尺寸成反比?？?/p>

15、固定截面的高度h,增大或減小該截面的寬度b來調(diào)整額定輸岀的大小。當(dāng)然，上述計(jì)算公式只是在應(yīng)力/應(yīng)變場接近純剪狀態(tài) 下得到的，實(shí)際上梁的邊界條件（即梁的長度以及輪轂、輪 箍的剛性等）對均勻應(yīng)力場是有影響的。因此精確的計(jì)算 還應(yīng)通過光彈實(shí)驗(yàn)或有限元計(jì)算方法，對影響邊界條件的有關(guān)幾何尺寸加以合理選擇和修正，這樣才能最終得到理想的工作狀態(tài)。5技術(shù)指標(biāo)的測定結(jié)果經(jīng)測試，該產(chǎn)品可達(dá)到的性能指標(biāo)有：（1）額定輸岀6結(jié)束語輪輻式傳感器額定容量為5t、t及3t規(guī)格的產(chǎn)品已投入市場使用，獲得了成功。其技術(shù)指標(biāo)已接近或達(dá)到同類 進(jìn)口產(chǎn)品的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。目前正著手開發(fā)這一結(jié)構(gòu)型式的其 他規(guī)格的相關(guān)產(chǎn)品，包括額定容量為20

16、t、10t等。以期取得 更大的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。參考文獻(xiàn)：1馬良王呈1應(yīng)變電測與傳感技術(shù)M1北京沖國計(jì)量出版社,199312 陶寶祺,王 妮1電阻應(yīng)變式傳感器M 1北京：國防工業(yè)出版社,199313 沈觀林，馬良王呈1電阻應(yīng)變計(jì)及其應(yīng)用M 1北京：清華大學(xué) 出版社,198314 劉迎春，葉湘濱1傳感器原理設(shè)計(jì)與應(yīng)用M 1長沙：國防科技大學(xué)出版社,19971?檢測技術(shù)?朱 曄 周伯偉 顧 榮等 關(guān)于輪輻式剪切力傳感器的研制與設(shè)計(jì)#?檢測技術(shù)?朱 曄 周伯偉 顧 榮等 關(guān)于輪輻式剪切力傳感器的研制與設(shè)計(jì)#2除設(shè)計(jì)改厳設(shè)計(jì)10cm處測量（上接第84頁）輪不用儀器測，用鐵棒敲擊就能感覺到其發(fā)聲明顯地

17、要比 原來的小。?檢測技術(shù)?朱 曄 周伯偉 顧 榮等 關(guān)于輪輻式剪切力傳感器的研制與設(shè)計(jì)#圖2過渡齒輪其次，改進(jìn)了過渡齒輪的支承結(jié)構(gòu)（如圖3所示）。將原普通深溝球軸承改為角軸承，同時(shí)增加了軸向間隙調(diào)整 結(jié)構(gòu)，以最大限度地減少過渡齒輪的擺動。改進(jìn)后，采用了抽3臺原結(jié)構(gòu)拖拉機(jī)用聲級器測定后 ， 再在同臺機(jī)上換成新結(jié)構(gòu)比較試驗(yàn)的方法。 經(jīng)比較，新結(jié)構(gòu) 可比原來降低噪聲2215dB（A）,基本上消除了異常響聲。我們的噪聲測試方法是：用電機(jī)（噪聲較?。油侠?機(jī)離合器，拖拉機(jī)放在空檔上，聲級器測頭放在距傳動箱1 -傳動箱體;2 -螺母M10 ;3 -螺栓；4-軸承蓋;5 -過渡齒輪;6 -孔用彈性擋圈

18、；7 -軸承7005AC/ DB ;8 -過渡軸;9 - O型密封圈圖3改進(jìn)后的過渡齒輪傳動結(jié)構(gòu)示意圖改進(jìn)后的拖拉機(jī)投放市場后收到了良好的效果。2001年上半年該機(jī)型的產(chǎn)銷量超過了2000年全年的產(chǎn)銷量據(jù)調(diào)查，還未發(fā)生一起因傳動異常響聲導(dǎo)致用戶要求返修 或退機(jī)的，與改進(jìn)前發(fā)生了根本性的改變。目前該項(xiàng)改進(jìn) 設(shè)計(jì)我廠已申報(bào)國家專利。?檢測技術(shù)?朱 曄 周伯偉 顧 榮等 關(guān)于輪輻式剪切力傳感器的研制與設(shè)計(jì)#?檢測技術(shù)?朱 曄 周伯偉 顧 榮等 關(guān)于輪輻式剪切力傳感器的研制與設(shè)計(jì)# 11-2006 CliinjiEkctTMiic Pofcilislhing Hfl-nsc- All rights rescued.hfltpwww ciiki.nar