维普资讯 http://www.cqvip.com ・检测技术・ 朱晔周伯伟顾荣等关于轮辐式剪切力传感器的研制与设计 ８７ 关于轮辐式剪切力传感器的研制与设计 朱晔，周伯伟，顾 荣，江龙 （华东船舶工业学院四洋集团，江苏镇江２１２００３） 摘要：轮辐式剪切力传感器与传统的拉压式传感器相比，具有精度高、滞后小、重复性好、线性好、抗偏心载荷和侧 向力的能力强、结构高度最小、重量轻等优点，因此这种传感器在大、中量程测量方面有着广泛的应用，并具有良 好的市场前景。围绕着该产品的主要特点，基于其物理基础、变换过程及设计原则，讨论了他的设计计算，并指出 了该产品所能达到的性能指标。 关键词：传感器；应力；应变；应变片 中图分类号：ＴＰ２１２．１２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００７—９４８３（２００２）０４—００８７—０３ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔｈｅ Ｓｅｎｓｏｒ Ｕｓｅｄ ｆｏｒ ｔｈｅ Ｍｅａｓｕｒｅ Ｏｆ Ｃｕｔ Ｌｏａｄ ＺＨＵ Ｙｅ，ＺＨｏＵ １３ｏ—ｗｅｉ，ＧＵ Ｒｏｎｇ，ＪＩＡＮＧ Ｌｏｎｇ ｌＨｕａｄｏｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｓｈｉｐｐｉｎｇ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｊｉａｎｇｓｕ Ｚｈｅｎｊｉａｎｇ。２１２００３，Ｃｈｉｎａ） Ａ￣ｔｒａｅｔ：Ａ ｎｅｗ ｔｙｐｅ ｓｅｎｓｏｒ ｗａｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｆｏｒ ｍｅａｓｕｒｅ ｏｆ ｃｕｔ ｌｏａｄ．Ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ｎｏｒｍａｌ ｄｒａｗ—ｐｒｅｓｓ ｏｎｅ，ｔｈｉｓ ｓｅｎｓｏｒ ｗａｓ ａｔＯＬｌ— ｒａｔｅ，ｌｉｔｔｌｅ ｌａｇ，ｆｉｎｅ ｒｅｐｅｔｉｔｉｏｎ ａｎｄ ｌｉｎｅａｒ，ｃｏｍｐａｃｔ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ。ｌｉｇｈｔ ａｎｄ ｕｓｅｆｕｌ ｆｏｒ ｅｃｃｅｎｔｒｉｃ ｌａｏｄ．Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｐｈｙｓｉｃａｌ ａｎｄ ｍａｔｈｃ— ｒｎａｔｉｃｓ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ，ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｄｅｓｉｎｇ ａｎｄ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｗｅｒｅ ａｌｓｏ ｓｈｏｗｅｄ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｓｅｎｓｏｒ；Ｓｔｒｅｓｓ Ｓｔｒａｉｎ；Ｐｉｅｃｅ ｏｆＳｔｒａｉｎＭｅａｓｕｒｅ 随着计算机技术和信息处理技术的不断发展和完善， 上述弹性材料的３个特性参数Ｅ，Ｇ， 之间具有下述 作为提供信息的传感器，人们往往把他比作电脑的“五官”， 关系： 即通过他来灵敏地采集各种信息，为电脑提供思维、判断和 Ｇ＝ 控制的基础。因而传感器的发展在测量与监控系统中就显 得尤为重要。笔者讨论的轮辐式剪切力传感器是近年来国 １．２金属材料的变阻效应 内外研制和应用的一种新型传感器。他的基本原理是将载 由金属电阻材料制成的电阻应变片也是构成传感器的 荷传递到一个轮辐式的弹性体上，通过测量轮辐上的剪应 另一个基本要素。应变片粘贴后的变阻效应可由粘贴后的 力来间接地测量载荷，故称为轮辐式剪切力传感器。他有 应变灵敏系数Ｋ来表示。他不仅与电阻材料本身的应变 着优良的性能价格比，因此无论是在测量领域的广度，还是 灵敏系数Ｋ。（即与几何尺寸、晶体结构、泊松比和电阻率变 在测量的准确度上他都有着很强的竞争力。 化有关）有关，而且与粘贴剂种类、粘贴状态、基底和胶层厚 度有关。应变片粘贴后，其Ｋ值应该为一个常数，但由于 １物理基础 外界条件和时间的影响，不可避免地表现出分散性。 １．１弹性体的应力与应变特性 这是所有应变式传感器的基本特征之一，是其被测物 ２称重传感器的变换原理和过程 理量都能够在物体上产生变形（应变），当外力去除之后又 电阻应变式称重传感器是一个多效应的组合变换式传 可恢复原来的形状和尺寸，即这种变形为弹性变形。弹性 感器。在由重力转换为输出电压信号的过程中，将经历由 体是构成传感器的基本要素之一，他所具有的基本物理性 几个变换环节组成的多次变换过程，具体阐述如下［ 。 质，可用下列公式表示…。 ａ．弹性体实现的力学变换过程。由重力 产生的变 ａ． ＝Ｅ Ｘ ｅ，是轴向应力应变虎克定律，即弹性体的 形￡是与材料的弹性模量Ｅ和弹性体的几何尺寸Ａ有关， 弹性模量Ｅ决定了轴向应力 和轴向应变ｅ间的线性关系。 即 ｂ．￡ｌ＝ Ｘ￡，弹性体在上述轴向力作用下，除了产生 ：Ａ×Ｅ 轴向应变ｅ外，还伴随着横向应变ｅ，。两者间的比值泊松比 ｂ．由粘贴在弹性体上的应变计实现的非电量转换为 为常数。 ｃ．ｒ＝Ｇ Ｘ ７，是纯剪切虎克定律。弹性体受到剪切力 电参数的过程。电阻变化△Ｒ／Ｒ与他所感受到的应变￡成 作用时，受剪切面上的剪应力ｒ与截面间产生的相对角应 正比，即 ＺＸＲ变７呈线性关系，并取决于弹性材料的弹性剪切模量Ｇ。 百Ｒ 一：“ Ｋ×￡ 。 收稿日期：２００２—０１—０７ 作者简介：朱晔（１９７３一），女，上海人，华东船舶学院助理工程师，学士，主要研究领域为电阻应变式传感器的制造、设计及质 量控制。 维普资讯 http://www.cqvip.com ２００２年７月ｃ：在电桥电路中，在外接电源电压Ｕ 的激励下，组成 电桥桥臂的应变计电阻变化 化ＡＵ，从而被传输和测量，即 ：机械设计与制造工程第３１卷第４期 传感器的结构要保证轮毂和轮箍的刚度足够大，可以 将每对轮辐看成是一根两端固定的粱，每根轮辐上承受的 ／Ｒ，才能转换为电压的变 剪力为所受的载荷的１／＇８，对于矩形截面的轮辐，剪应力呈 抛物线形分布，在中性面上剪应力最大，为平均剪应力的 １．５倍。由材料力学平面应力状态下的主应力公式可知：与 中性面成４５。方向的正应力 应等于最大剪应力Ｚ＇ｍａｘ，其计 算公式为ｌ２，３ Ｊ 上 上一翌８ Ｋ×￡ ＵＩ“ 综合以上各式，可得表征电阻应变式称重传感器基本 特征的关系式： Ｕ． ＝Ａ × Ｅ×一ｗ ” ． ’ ，．一一一 。一‘ｒｌｍｘ一２ ｂｈ一１６ｂｈ 式中：ｂ为轮辐截面的宽；ｈ为截面的高；Ｐ为载荷。设计时 ３轮辐式传感器结构设计的主要原则 要求ｒ一≤［ｒ］＝０．７５［ ］，［ ］：１／３ａ。。其中［ｒ］为许用 ａ．要有很好的刚性。为了使传感器工作状态保持稳 剪应力；［ ］为许用应力， 是材料的屈服极限。 定，减轻外界振动干扰的影响，应尽量使弹性体在负荷作用 下的弹性位移减少，使之具有较高的固有频率。 ｂ．要有简单合理的整体性结构。弹性体应尽量为一个 整体，避免组合式结构。减少诸如紧固松动、焊接变形等带 来的影响，并有利于简化加工工艺，降低成本。 ｃ．对作用力位置的变化和干扰力的影响不敏感。弹性 体应变敏感区的应力分布，希望只随作用力的大小而变化。 ｄ．弹性体有效工作区应有良好的线性和最大应变值。 ｅ．弹性体工作区的工艺性能好，包括机械加工、粘贴和 密封安装工艺好。 ｆ．具有低外形结构，安装方便，互换性好。低外形结构 可以增强抗侧向力的能力，使工作状态稳定。 ４轮辐式传感器设计要点及相关计算 ４．１结构型式的设计 轮辐式传感器如图１所示，他好象一个车轮，其弹性元 件由轮毂、８个轮辐和轮箍组成，其中轮辐由用１６个孔的交 接边组成。这种结构加工比较方便，容易形成合理的截面 形状。外加载荷作用于轮毂的顶部和轮箍的底部，在轮箍 和轮毂间的轮辐上受到纯剪切力，通过测量该力来间接测 量载荷。 一 图１ 外形结构示意图 ４．２应变片布片方案的确定及电桥组成 ４ Ｊ 将电阻应变片分别粘贴在各轮辐侧面中间与中性轴线 成４５。的方向上，由材料力学可知：在正负４５。方向上，分别 受拉压应力，一面的应变片贴在受拉方向，另一面的应变片 贴在受压方向，图２表示了传感器中应变片的布置和电桥 接线情况。为了消除偏心载荷对输出的影响，每对轮辐的２ 个受拉应变片串联成一个桥臂，２个受压应变片串联成相邻 桥臂，图中Ｔ （ ：１，２，３，４）表示受拉应变片，Ｃ，（ ＝１，２， ３，４）表示受压应变片。对于加在轮毂和轮箍上的侧向力， 他使一根轮辐受拉伸，相对的另一根轮辐则受压缩，其应变 片上阻值变化幅度相等，方向相反，每个臂的总阻值无变 化，对输出无影响。 出 图２应变片的布置及电桥组成 ４．３应变片的选用 根据设计要求选择了ＢＦ３５０－４ＡＢ（１１）型电阻应变片， 其敏感栅与轴线成４５。，满足了应变片粘贴在最大应变处的 维普资讯 http://www.cqvip.com ・检测技术・ 朱哗周伯伟顾荣等关于轮辐式剪切力传感器的研制与设计 ８９ 要求。 ４．４专用加载工具的设计 （Ｒａｔｅｄ ｃａｐａｃｉｔｙ）为２ｍｖ／、厂±０．２５％；（２）非线性（Ｎｏｎ—ｌｉｎ— ｅａｒｉｔｙ）≤０．０５％Ｒ．０；（３）滞后（Ｈｙｓｔｅｒｅｓｉｓ）≤０．１％Ｒ．０；（４） 最高供桥电压（Ｍａｘ．ｉｎｐｕｔ ｖｏｌｔａｇｅ）１８Ｖ；（５）重复性（Ｒｅ— ｐｅａｔａｂｉｌｉｔｙ）≤０．０３％Ｒ．Ｏ；（６）输入／出电阻（Ｉｎ—Ｏｕｔｐｕｔ Ｒｅ— 电阻应变片粘贴采用了４组８根插销对贴片部位的圆 柱表面进行加压。 ４．５轮辐截面尺寸计算 ｓｉｓｔａｎｃｅ）７０００±１％；（７）绝缘电阻（Ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ） ＝ ２ ０００Ｍ￣以上；（８）允许的温度范围（Ｓａｆｅ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｒａｎｇｅ）一２０℃～１００＂（２；（９）允许的过负荷（Ｓａｆｅ Ｏｖｅｒｌｏａｄ Ｒａｔｉｎｇ）１５０％Ｒ．Ｏ。 ｕｉｎ 依据应变电桥的输入与输出特性公式： （；ｇｅｅ Ｋ为应变片的灵敏系数； 为材 料的泊松系数； 为轮辐的对数；Ｅ为材料的弹性模量；Ｐ为 所受压力；Ｕ＿ｎ、△【，为电桥的输入、输出电压）＿ｌ Ｊ。当实际测 量到的额定输出不符合规定的技术指标时，由该公式可知， 在额定输入电压一定，所选用的弹性体的材料和应变片不 变的情况下，电桥的输出与轮辐截面尺寸成反比。可固定截 ６结束语 轮辐式传感器额定容量为５ｔ、２ｔ及３ｔ规格的产品已投 入市场使用，获得了成功。其技术指标已接近或达到同类 进口产品的质量标准。目前正着手开发这一结构型式的其 他规格的相关产品，包括额定容量为２０ｔ、１０ｔ等。以期取得 面的高度ｈ，增大或减小该截面的宽度ｂ来调整额定输出的 大小。 更大的社会效益和经济效益。 参考文献： ［１］马良理．应变电测与传感技术［Ｍ］．北京：中国计量出版社， １９９３． 当然，上述计算公式只是在应力／应变场接近纯剪状态 下得到的，实际上梁的边界条件（即梁的长度以及轮毂、轮 箍的刚性等）对均匀应力场是有影响的。因此精确的计算 还应通过光弹实验或有限元计算方法，对影响边界条件的 有关几何尺寸加以合理选择和修正，这样才能最终得到理 想的工作状态。 ５技术指标的测定结果 经测试，该产品可达到的性能指标有：（１）额定输出 ［２］陶宝祺．王妮．电阻应变式传感器［Ｍ］．北京：国防工业出 版社。１９９３． ［３］沈观林，马良瑶．电阻应变计及其应用［Ｍ］．北京：清华大学 出版社。１９８３． ［４］刘迎春，叶湘滨．传感器原理科技大学出版社，１９９７． 设计与应用［Ｍ］．长沙：国防 （上接第８４页） １０ｃｍ处测量。 轮不用仪器测，用铁棒敲击就能感觉到其发声明显地要比 原来的小。 （ａ）腺设计 （ｂ）改进设计 图２过渡齿轮 １一传动籀体；２一螺母Ｍ１０；３一螺栓； 其次，改进了过渡齿轮的支承结构（如图３所示）。将 ４一轴承盖；５一过渡齿轮；６一孔用弹性挡圈； ７一轴承７００５ＡＣ／ＤＢ；８一过渡轴：９—０型密封圈 原普通深沟球轴承改为角轴承，同时增加了轴向间隙调整 结构，以最大限度地减少过渡齿轮的摆动。 改进后，采用了抽３台原结构拖拉机用声级器测定后， 再在同台机上换成新结构比较试验的方法。经比较．新结构 可比原来降低噪声２～２．５ （Ａ），基本上消除了异常响声。 图３改进后的过渡齿轮传动结构示意图 改进后的拖拉机投放市场后收到了良好的效果。２００１ 年上半年该机型的产销量超过了２０００年全年的产销量。 据调查，还未发生一起因传动异常响声导致用户要求返修 或退机的，与改进前发生了根本性的改变。目前该项改进 我们的噪声测试方法是：用电机（噪声较小）带动拖拉 机离合器，拖拉机放在空档上，声级器测头放在距传动箱 设计我厂已申报国家专利。