|
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)揮了鋼球可自動復(fù)位和調(diào)心的優(yōu)勢，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)勢在我國的汽車衡稱重領(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幾。為滿足用戶需求，我們進(jìn)行了小量程3噸傳感器的開發(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，這就要求我們在傳感器的設(shè)計(jì)過程中只能改動應(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），
![]() | 圖1 | 圖2 |
因此：貼片部位受到的剪切力為：? 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：
| | F | | c | | t | | h2 | | | | | τ | = | | { | | (d2-h2)+ | | ( | | - | y2)} | …………………………………(1) | | | 2tlz | | 8 | | 2 | | 4 | | | |
| | 1 | | | | 而且 lz | = | | {cd3-(c-t)h3} | …………………………………………(2) | | | 12 | | |
根據(jù)公式(1)，當(dāng)y = 0 時(shí)τ最大：
| | F | | | | τmax | = | | {c(d2-h2)+th2)} | ………………………………………(3) | | | 16tlz | | |
| | 1+ν | | | 1+ν | | F | | | | 又微應(yīng)變 | ε = | | τ | 得：ε = | | · | | {c(d2-h2)+th2)} | ……………(4) | | | E | | | E | | 16tlz | | |
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：
| 12(1+ν)Fh2 | | 12(1+ν)Fc(d2-h2) | | | | t2h3+{c(d3-h3)- | | }t- | | = 0 | ……(5) | | 16εE | | 16εE | | |
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)?(d-h)=?(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)變過程中，上下橫梁的強(qiáng)度相對于應(yīng)變梁的強(qiáng)度高過許多，加載產(chǎn)生的剪切應(yīng)力沒有起到應(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（見圖3）。
![]() | 圖3 |
表1 | 傳感器編號 | 靈敏度(mV/V) | 線性(%F.S.) | 滯后(%F.S.) | 備注 | | 0001 | 1.2234 | -0.013 | 0.012 | | | 0002 | 1.3987 | -0.008 | 0.010 | | | 0003 | 1.2418 | -0,012 | 0.005 | | | 0004 | 1.2843 | -0.016 | 0.001 | | | 0005 | 1.2108 | -0.002 | 0.010 | | | 平均值 | 1.2718 | -0.0102 | 0.0076 | |
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，因此我們可以通過減小應(yīng)變梁t的尺寸來提高產(chǎn)生微應(yīng)變的能力，應(yīng)力分部同方案一的分布，通過我們試驗(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)過簡單的應(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，而且對于更加集中。
![]() | 圖4 |
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)，靈敏度的測試結(jié)果見表2，線性和滯后指標(biāo)沒有發(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 | 0.001 | 0.002 | 0.003 | 備注 | | 靈敏度(mV/V) | 2.47264 | 2.60156 | 2.43521 | |
表3 | 序號 | 傳感器編號 | 靈敏度(mV/V) | 序號 | 傳感器編號 | 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 | | | |
2、結(jié)論
此次制作的3t傳感器測試結(jié)果全部符合GB/T7551-1997《稱重傳感器》中C3級的要求?？偨Y(jié)此次的設(shè)計(jì)制作過程，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，對調(diào)整傳感器的靈敏度起很大的作用，這對我們以后設(shè)計(jì)制作量程較小的傳感器起到很大的幫助。
| 
收藏
贊
踩
閩公網(wǎng)安備 35020602000072號