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第五屆全國(guó)稱重技術(shù)研討會(huì)論文集
應(yīng)力分布改善在制作高性能橋式傳感器實(shí)踐中的應(yīng)用
濟(jì)南金鐘電子衡器股份有限公司傳感器事業(yè)部 李文剛 楊繼紅 談卉
[摘要] 通過(guò)改善小量程橋式傳感器剪切應(yīng)力在貼片區(qū)域的分布，開(kāi)發(fā)制作與理論計(jì)算值相差較大的傳感器產(chǎn)品。
關(guān)鍵詞：應(yīng)力分布 應(yīng)力集中 橋式傳感器
引言
在我國(guó)稱重傳感器制造業(yè)生產(chǎn)的各種結(jié)構(gòu)傳感器中，鋼制橋式傳感器以其獨(dú)特的兩端支撐，中間受力的結(jié)構(gòu)形式，使大噸位傳感器進(jìn)入了高準(zhǔn)確度、高可靠性的計(jì)量領(lǐng)域。同時(shí)，傳力組件采用球面壓頭，充分發(fā)揮了鋼球可自動(dòng)復(fù)位和調(diào)心的優(yōu)勢(shì)，良好的抗側(cè)向力和抗沖擊性能，安裝方便，互換性好等優(yōu)勢(shì)在我國(guó)的汽車衡稱重領(lǐng)域發(fā)揮著獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷的作用。但是，傳感器的量程絕大部分局限于10噸以上，而10噸以下量程的寥寥無(wú)幾。為滿足用戶需求，我們進(jìn)行了小量程3噸傳感器的開(kāi)發(fā)工作。
1.橋式3噸傳感器的設(shè)計(jì)
為了保持安裝使用的簡(jiǎn)單化和通用性，3t傳感器采用10t傳感器的安裝尺寸，同時(shí)要求傳感器除彈性體外其余的零部件通用，這就要求我們?cè)趥鞲衅鞯脑O(shè)計(jì)過(guò)程中只能改動(dòng)應(yīng)變區(qū)的尺寸且不能影響傳感器安裝尺寸。
1.1小量程橋式傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)缺陷
橋式傳感器的結(jié)構(gòu)是兩端固定，剪切力施加在工字型斷面上（圖1），
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圖1 |
圖2 |
因此：貼片部位受到的剪切力為：½ F ；
由彈性體應(yīng)變部位斷面受力分析圖（圖2）得剪切應(yīng)力：
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F |
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c |
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t |
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h2 |
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| τ |
= |
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{ |
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(d2-h2)+ |
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( |
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- |
y2)} |
…………………………………(1) |
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2tlz |
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8 |
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2 |
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4 |
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1 |
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| 而且 lz |
= |
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{cd3-(c-t)h3} |
…………………………………………(2) |
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12 |
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根據(jù)公式(1)，當(dāng)y = 0 時(shí)τ最大：
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F |
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| τmax |
= |
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{c(d2-h2)+th2)} |
………………………………………(3) |
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16tlz |
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1+ν |
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|
1+ν |
|
F |
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| 又微應(yīng)變 |
ε = |
|
τ |
得：ε = |
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· |
|
{c(d2-h2)+th2)} |
……………(4) |
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E |
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E |
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16tlz |
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其中：泊松比：ν；材料的彈性模量：E 。
根據(jù)公式(2)和(4)，得出傳感器應(yīng)變梁t的一元二次方程：
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12(1+ν)Fh2 |
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12(1+ν)Fc(d2-h2) |
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| t2h3+{c(d3-h3)- |
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}t- |
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= 0 |
……(5) |
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16εE |
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16εE |
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已知靈敏度2mV/V時(shí)
ε=1200με，設(shè)ν=0.3，E=2.1×104kg/mm2；
把10t傳感器彈性體尺寸(c × d × h=56mm × 52mm
× 35mm)代入公式，求得：
t1=1.78mm，t2=-25.81mm（舍去）。
同時(shí)½(d-h)=½(52-35)=8.5mm 》1.78mm，圖2中工字梁中的上下橫梁的尺寸遠(yuǎn)大于豎梁（應(yīng)變梁）的尺寸。在傳感器加載應(yīng)變梁應(yīng)變過(guò)程中，上下橫梁的強(qiáng)度相對(duì)于應(yīng)變梁的強(qiáng)度高過(guò)許多，加載產(chǎn)生的剪切應(yīng)力沒(méi)有起到應(yīng)有的作用，使應(yīng)變梁未能產(chǎn)生相似的變形，也就不能發(fā)生足夠的微應(yīng)變，使傳感器的輸出靈敏度遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)要求的2mV/V。
1.2、改進(jìn)方案
方案一：
為使剪切應(yīng)力起到足夠的作用，調(diào)整A、d和h，使圖2中的上下橫梁尺寸與應(yīng)變梁的尺寸盡量相近。由設(shè)計(jì)要求知道，尺寸c和A不能做出改變，改變d很難達(dá)到我們的要求，減小h才能增加t，由于c的關(guān)系，太小的h會(huì)給傳感器的制作等增加很多困難，因此采用縮小彈性體的應(yīng)變區(qū)域的局部尺寸，改變d和h的大小，但保持安裝尺寸不變的方案進(jìn)行（見(jiàn)圖3）。
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圖3 |
按圖3方案彈性體尺寸方案，我們投入5只BM-LS-3傳感器試驗(yàn)，以驗(yàn)證傳感器的靈敏度指標(biāo)。傳感器的一次測(cè)試指標(biāo)如表1：
表1
| 傳感器編號(hào) |
靈敏度(mV/V) |
線性(%F.S.) |
滯后(%F.S.) |
備注 |
| 0001 |
1.2234 |
-0.013 |
0.012 |
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| 0002 |
1.3987 |
-0.008 |
0.010 |
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| 0003 |
1.2418 |
-0,012 |
0.005 |
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| 0004 |
1.2843 |
-0.016 |
0.001 |
|
| 0005 |
1.2108 |
-0.002 |
0.010 |
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| 平均值 |
1.2718 |
-0.0102 |
0.0076 |
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從表中5只傳感器的測(cè)試結(jié)果來(lái)看，平均靈敏度1.2718mV/V，一致性比較好，但與設(shè)計(jì)計(jì)算要求的2mV/V的靈敏度相差甚遠(yuǎn)；而且線性和滯后指標(biāo)都具有良好的一致性。
方案二：
在方案一的基礎(chǔ)上，參照傳感器應(yīng)變部位的受力圖2，彈性體受到的剪切力在應(yīng)變梁上并沒(méi)有產(chǎn)生足夠的微應(yīng)變是靈敏度低的主要原因，因此我們可以通過(guò)減小應(yīng)變梁t的尺寸來(lái)提高產(chǎn)生微應(yīng)變的能力，應(yīng)力分部同方案一的分布，通過(guò)我們?cè)囼?yàn)，該方案的效果并不明顯。
方案三：
從圖(2)的分析中得知，在y接近“0”的地方，產(chǎn)生的剪切應(yīng)力τ越接近其最大值τmax，我們是否可以只要產(chǎn)生剪切應(yīng)力峰值的局部區(qū)域，而去除其余的部分�？紤]到應(yīng)變計(jì)貼片所需的尺寸和彈性體加工的方便，沿著傳感器的載荷方向鉆通孔2-ΦB（圖4），經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的應(yīng)力分布分析（圖4，其中虛線為方案二中應(yīng)力曲線），應(yīng)力不但最大應(yīng)力值τ2max比τ1max也有了大幅度增加，而且對(duì)于更加集中。
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圖4 |
1.3試驗(yàn)結(jié)果
從表1中的5只傳感器取3只傳感器進(jìn)行鉆2-ΦB通孔試驗(yàn)，靈敏度的測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2，線性和滯后指標(biāo)沒(méi)有發(fā)生太大的變化，和表1中的數(shù)值相接近。
表2
| 傳感器編號(hào) |
0.001 |
0.002 |
0.003 |
備注 |
| 靈敏度(mV/V) |
2.47264 |
2.60156 |
2.43521 |
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對(duì)照表1和表2，同一只傳感器的靈敏度變化很大，全部增加了約1.2mV/V左右，我們?cè)诖嘶A(chǔ)上繼續(xù)調(diào)整應(yīng)變梁的厚度，使靈敏度更加接近目標(biāo)值2mV/V。調(diào)整后小批量傳感器試驗(yàn)的靈敏度結(jié)果見(jiàn)表3。
表3
| 序號(hào) |
傳感器編號(hào) |
靈敏度(mV/V) |
序號(hào) |
傳感器編號(hào) |
靈敏度(mV/V) |
| 1 |
0004 |
2.09840 |
15 |
0021 |
2.07470 |
| 2 |
0006 |
2.02760 |
16 |
0022 |
2.05110 |
| 3 |
0007 |
2.01724 |
17 |
0023 |
2.13047 |
| 4 |
0008 |
2.00243 |
18 |
0025 |
2.17728 |
| 5 |
0010 |
2.04905 |
19 |
0026 |
2.11810 |
| 6 |
0011 |
2.06373 |
20 |
0027 |
2.07050 |
| 7 |
0012 |
2.12220 |
21 |
0028 |
2.25100 |
| 8 |
0013 |
2.04250 |
22 |
0029 |
2.12450 |
| 9 |
0015 |
2.13065 |
23 |
0030 |
2.08850 |
| 10 |
0016 |
2.12700 |
24 |
0031 |
2.13540 |
| 11 |
0017 |
2.03989 |
25 |
0032 |
2.16417 |
| 12 |
0018 |
2.09524 |
26 |
0033 |
2.10630 |
| 13 |
0019 |
2.10715 |
27 |
0034 |
2.10760 |
| 14 |
0020 |
2.07570 |
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其中傳感器靈敏度最大為2.251mV/V，最小為2.00243 mV/V，分散比較大，造成這種現(xiàn)象的原因是傳感器彈性體加工鉆通孔2-ΦB時(shí)，采用人工劃線鉆孔，兩個(gè)孔的中心位置，對(duì)稱性及大小的一致性的影響。只要我們?cè)谝院髲椥泽w的加工制作過(guò)程中采用高精度的鉆孔工裝來(lái)保證兩個(gè)通孔的加工精度，傳感器靈敏度一致性會(huì)得到良好的保證。
2、結(jié)論
此次制作的3t傳感器測(cè)試結(jié)果全部符合GB/T7551-1997《稱重傳感器》中C3級(jí)的要求�？偨Y(jié)此次的設(shè)計(jì)制作過(guò)程，就是充分利用彈性體所受到的剪切應(yīng)力分布的集中區(qū)域，在理論設(shè)計(jì)計(jì)算基礎(chǔ)上，通過(guò)調(diào)整彈性體應(yīng)變梁的結(jié)構(gòu)形式，使彈性體的剪切應(yīng)力盡可能的集中到應(yīng)變計(jì)的貼片區(qū)域，對(duì)調(diào)整傳感器的靈敏度起很大的作用，這對(duì)我們以后設(shè)計(jì)制作量程較小的傳感器起到很大的幫助。
<全文完>
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