?檢測技術?朱 曄 周伯偉 顧 榮等 關于輪輻式剪切力傳感器的研制與設計87關于輪輻式剪切力傳感器的研制與設計朱曄，周伯偉顧榮江龍（華東船舶工業(yè)學院四洋集團，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、重復性好、線性好、抗偏心載荷和側向力的能力強、結構高度最小、重量輕等優(yōu)點，因此這種傳感器在大、中量程測量方面有著廣泛的應用，并具有良好的市場前景。圍繞著該產品的主要特點，基于其物理基礎、變換過程及設計原則，討論了他的設計計算，并指岀 了該產品所能達到的性能指標 。關鍵詞：傳感器；應力；應變；應變片中圖分類號:TP212 112文獻標識碼：A文章編號：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 - press 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 Measure?檢測技術?朱 曄 周伯偉 顧 榮等 關于輪輻式剪切力傳感器的研制與設計#?檢測技術?朱 曄 周伯偉 顧 榮等 關于輪輻式剪切力傳感器的研制與設計#隨著計算機技術和信息處理技術的不斷發(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。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 內外研制和應用的一種新型傳感器。他的基本原理是將載 荷傳遞到一個輪輻式的彈性體上，通過測量輪輻上的剪應 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)良的性能價格比，因此無論是在測量領域的廣度，還是 在測量的準確度上他都有著很強的競爭力。1物理基礎111彈性體的應力與應變特性這是所有應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生變形（應變），當外力去除之后又 可恢復原來的形狀和尺寸，即這種變形為彈性變形。彈性 體是構成傳感器的基本要素之一，他所具有的基本物理性 質，可用下列公式表示1。a1 b = E x£ ,是軸向應力應變虎克定律，即彈性體的彈性模量E決定了軸向應力b和軸向應變£間的線性關系b1 £1 =卩X£,彈性體在上述軸向力作用下 ，除了產生 軸向應變£外，還伴隨著橫向應變 £。兩者間的比值泊松比 卩為常數。c1 T = G XY ,是純剪切虎克定律。彈性體受到剪切力 作用時，受剪切面上的剪應力T與截面間產生的相對角應變Y呈線性關系，并取決于彈性材料的彈性剪切模量G。上述彈性材料的3個特性參數 E,G,卩之間具有下述 關系：E2 X (1 + 1)112金屬材料的變阻效應由金屬電阻材料制成的電阻應變片也是構成傳感器的 另一個基本要素。應變片粘貼后的變阻效應可由粘貼后的 應變靈敏系數 K來表示。他不僅與電阻材料本身的應變靈敏系數K°（即與幾何尺寸、晶體結構、泊松比和電阻率變 化有關）有關，而且與粘貼劑種類、粘貼狀態(tài)、基底和膠層厚 度有關。應變片粘貼后，其K值應該為一個常數 ，但由于 外界條件和時間的影響，不可避免地表現岀分散性 。2稱重傳感器的變換原理和過程電阻應變式稱重傳感器是一個多效應的組合變換式傳感器。在由重力轉換為輸岀電壓信號的過程中，將經歷由幾個變換環(huán)節(jié)組成的多次變換過程，具體闡述如下1。a1彈性體實現的力學變換過程。由重力W產生的變 形£是與材料的彈性模量E和彈性體的幾何尺寸A有關即b1由粘貼在彈性體上的應變計實現的非電量轉換為電參數的過程。電阻變化 R/ R與他所感受到的應變£成 正比，即K X£?檢測技術?朱 曄 周伯偉 顧 榮等 關于輪輻式剪切力傳感器的研制與設計#?檢測技術?朱 曄 周伯偉 顧 榮等 關于輪輻式剪切力傳感器的研制與設計88收稿日期:2002 - 01 - 07作者簡介：朱 曄（1973 - ），女，上海人，華東船舶學院助理工程師 學士，主要研究領域為電阻應變式傳感器的制造、設計及質量控制。1W4-24KK*Acadciic JournalPuXilishingAll rights rescued.http溥www cnkLnct882002年7月 機械設計與制造工程第31卷 第4期C1在電橋電路中，在外接電源電壓Uin的激勵下，組成電橋橋臂的應變計電阻變化 R/ R ,才能轉換為電壓的變化厶U，從而被傳輸和測量，即 U U = K X£U in綜合以上各式，可得表征電阻應變式稱重傳感器基本 特征的關系式：傳感器的結構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為所受的載荷的1/ 8，對于矩形截面的輪輻，剪應力呈 拋物線形分布，在中性面上剪應力最大，為平均剪應力的 1 15倍。由材料力學平面應力狀態(tài)下的主應力公式可知：與中性面成45°方向的正應力/應等于最大剪應力Tmax，其計算公式為2,3UUinI(TTmax3P16 bhJournal hlcclrMix Potilishing AH rights reserved.3輪輻式傳感器結構設計的主要原則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，應盡量使彈性體在負荷作用 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構。彈性體應盡量為一個 整體，避免組合式結構。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。彈性體應變敏感區(qū)的應力分布，希望只隨作用力的大小而變化。di彈性體有效工作區(qū)應有良好的線性和最大應變值。el彈性體工作區(qū)的工藝性能好，包括機械加工、粘貼和 密封安裝工藝好。f 1具有低外形結構，安裝方便，互換性好。低外形結構 可以增強抗側向力的能力，使工作狀態(tài)穩(wěn)定。4輪輻式傳感器設計要點及相關計算 411結構型式的設計輪輻式傳感器如圖1所示，他好象一個車輪，其彈性元 件由輪轂、8個輪輻和輪箍組成，其中輪輻由用16個孔的交 接邊組成。這種結構加工比較方便，容易形成合理的截面形狀。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外形結構示意圖式中：b為輪輻截面的寬；h為截面的高；P為載荷。設計時 要求 Tmax < t = 0175 a， a = 1/ 3as。其中t為許用 剪應力；a為許用應力，as是材料的屈服極限。412應變片布片方案的確定及電橋組成3,4將電阻應變片分別粘貼在各輪輻側面中間與中性軸線 成45°的方向上，由材料力學可知：在正負45°方向上，分別 受拉壓應力，一面的應變片貼在受拉方向，另一面的應變片 貼在受壓方向，圖2表示了傳感器中應變片的布置和電橋接線情況。為了消除偏心載荷對輸岀的影響，每對輪輻的2個受拉應變片串聯成一個橋臂，2個受壓應變片串聯成相鄰橋臂，圖中( i = 1,2,3,4)表示受拉應變片，Cj(j = 1，2, 3，4)表示受壓應變片。對于加在輪轂和輪箍上的側向力,他使一根輪輻受拉伸，相對的另一根輪輻則受壓縮，其應變 片上阻值變化幅度相等，方向相反，每個臂的總阻值無變 化，對輸岀無影響。輸入圖2應變片的布置及電橋組成413應變片的選用根據設計要求選擇了BF350 - 4AB (11)型電阻應變片其敏感柵與軸線成 45°，滿足了應變片粘貼在最大應變處的?檢測技術?朱 曄 周伯偉 顧 榮等 關于輪輻式剪切力傳感器的研制與設計89要求。414專用加載工具的設計電阻應變片粘貼采用了 4組8根插銷對貼片部位的圓柱表面進行加壓415輪輻截面尺寸計算依據應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為應變片的靈敏系數(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)重復性(Re2 peatability ) <01 03 %R 1O ; (6)輸入 / 出電阻(In - 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)允許的過負荷 (Safe Overload Rating) 150 %R. O。料的泊松系數；n為輪輻的對數；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。當實際測 量到的額定輸岀不符合規(guī)定的技術指標時，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變片不 變的情況下，電橋的輸岀與輪輻截面尺寸成反比?？晒潭ń孛娴母叨萮,增大或減小該截面的寬度b來調整額定輸岀的大小。當然，上述計算公式只是在應力/應變場接近純剪狀態(tài) 下得到的，實際上梁的邊界條件（即梁的長度以及輪轂、輪 箍的剛性等）對均勻應力場是有影響的。因此精確的計算 還應通過光彈實驗或有限元計算方法，對影響邊界條件的有關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技術指標的測定結果經測試，該產品可達到的性能指標有：（1）額定輸岀6結束語輪輻式傳感器額定容量為5t、t及3t規(guī)格的產品已投入市場使用，獲得了成功。其技術指標已接近或達到同類 進口產品的質量標準。目前正著手開發(fā)這一結構型式的其 他規(guī)格的相關產品，包括額定容量為20t、10t等。以期取得 更大的社會效益和經濟效益。參考文獻：1馬良王呈1應變電測與傳感技術M1北京沖國計量出版社,199312 陶寶祺,王 妮1電阻應變式傳感器M 1北京：國防工業(yè)出版社,199313 沈觀林，馬良王呈1電阻應變計及其應用M 1北京：清華大學 出版社,198314 劉迎春，葉湘濱1傳感器原理設計與應用M 1長沙：國防科技大學出版社,19971?檢測技術?朱 曄 周伯偉 顧 榮等 關于輪輻式剪切力傳感器的研制與設計#?檢測技術?朱 曄 周伯偉 顧 榮等 關于輪輻式剪切力傳感器的研制與設計#2除設計改厳設計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)聲明顯地要比 原來的小。?檢測技術?朱 曄 周伯偉 顧 榮等 關于輪輻式剪切力傳感器的研制與設計#圖2過渡齒輪其次，改進了過渡齒輪的支承結構（如圖3所示）。將原普通深溝球軸承改為角軸承，同時增加了軸向間隙調整 結構，以最大限度地減少過渡齒輪的擺動。改進后，采用了抽3臺原結構拖拉機用聲級器測定后 ， 再在同臺機上換成新結構比較試驗的方法。 經比較，新結構 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（噪聲較?。油侠?機離合器，拖拉機放在空檔上，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；7 -軸承7005AC/ DB ;8 -過渡軸;9 - O型密封圈圖3改進后的過渡齒輪傳動結構示意圖改進后的拖拉機投放市場后收到了良好的效果。2001年上半年該機型的產銷量超過了2000年全年的產銷量據調查，還未發(fā)生一起因傳動異常響聲導致用戶要求返修 或退機的，與改進前發(fā)生了根本性的改變。目前該項改進 設計我廠已申報國家專利。?檢測技術?朱 曄 周伯偉 顧 榮等 關于輪輻式剪切力傳感器的研制與設計#?檢測技術?朱 曄 周伯偉 顧 榮等 關于輪輻式剪切力傳感器的研制與設計#© 11-2006 CliinjiEkctTMiic Pofcilislhing Hfl-nsc- All rights rescued.hfltpwww ciiki.nar