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称重传感器设计中采用应变放大功能

发布时间:2022-01-07 15:09:57 |来源:网络转载

在日常生产中,有时会碰到客户投诉,说某某称重传感器断掉了。究其原因,除了客户本身使用不当外,还有一个重要因素是称重传感器本身的安全容量不够。我们知道,称重传感器的灵敏度取决于弹性体的应变量,而应变量又取决于弹性体受力后产生的应力和材料的弹性模量。以正应力钢制传感器为例,一个有2mV/V输出的称重传感器在贴片区的应力就有350MPa左右,即使采用高强度的40CrNiMoA合金钢,安全极限也不会超过4倍。在某些特殊场合,尤其是有着经常性冲击的情况下,就极易使传感器被破坏,造成一定困扰。为了解决安全性问题,通常的做法是降低称重传感器的灵敏度,或者增加过载保护装置来解决,但是这样就有可能增加成本。即使这样,仍旧难免造成称重传感器被破坏。有的场合对称重传感器的精度要求不高,但对称重传感器的过载能力却有着极其苛刻的要求。通过在生产中的观察和思考,发现一个应变放大的现象,也许对解决这一问题有所帮助。

一、应变放大的推测

当A-A左侧受到载荷力P时,L1部分将产生变形△L,根据胡克定律有:

△L=L1×ε1

如果A-A右侧部分(除L2部分外)的刚度足够的话,那么,L1部分产生的变形量将完全传递给L2的部分,也就是说有:

△L=L1×ε1=L2×ε2

整理得:

ε2=L1/L2×ε1

L1/L2即为放大系数。

为了验证上述的设想是否正确,我们先采用有限元分析软件进行分析。

在此之前,为便于讨论,我们作以下定义。

L1部分称之为集变区;L2部分称之为放大区;A-A右侧部分除L2部分外称之为传递区。尺寸定义:

集变区L1=110mm,截面尺寸为50mm×50mm;放大区L2=20mm,截面尺寸为16mm×1mm。

施加载荷为50000kg,则有:理论放大系数L1/L2=5.5。

纵向应变分析结果。

ε1=894μεε2=2600με

ε2/ε1=2.9

改变放大区的截面尺寸为16mm×0.4mm,同样施加载荷为50000kg。

ε1=896μεε2=3850με

ε2/ε1=4.3

从上面的理论分析数据可知,放大区(L2部分)的应变的确大于集变区(L1部分)的应变,但是由于应变在传递区的损耗,实际放大系数小于理论放大系数,放大区的刚性越大,应变损耗就越大。

为了更进一步验证结果,考虑到可加工性,我们采用集变区L1=110mm,截面尺寸为50mm×50mm;放大区L2=20mm,截面尺寸为16mm×1mm进行试生产一样件,测试结果如表1所示。

满量程时的放大系数为2.24368

0.75947=2.95,与有限元分析结果吻合。

二、利用应变放大设计时应注意的事项

(1)合理分配放大区与集变区的尺寸,以获得相应的安全系数和灵敏度,集变区不能无限长,否则传感器作为部件的稳定性和安全性都将受到影响。

(2)放大区的结构应能够迅速反应出集变区的应变量,即很小的变形量产生较大的应变量。

(3)放大区的刚性不可过大,以可加工、可操作和不明显影响集变区的变形为原则。

(4)为了提高放大区数据的一致性,根据圣维南定理,承载接触面应尽可能远离放大区。

(5)传递区的刚性要足够,以降低变形在该部位的损耗,能够使集变区的变形尽可能多的传递给放大区。

(6)为提高称重传感器的性能,集变区与放大区之间可以考虑采用柔性隔离技术,以消除部分因集变区变形(如弯曲等)产生的干扰。三、应变放大的应用领域

由于采用应变放大技术,使得称重传感器具有很高的安全性和灵敏性,因此,该类称重传感器特别适合有冲击载荷或者检测微小变形量的使用情况,比如电子元器件的封装,大型冲压设备的控制与保护,起重机的过载报警和桥梁的安全监测等。

从推论和试验数据看,通过机械结构的改变对被测的微小应变量进行放大是可行的,同时也为生产高安全系数的过载器开辟了一种新的思路,但是我们也发现被放大后的各项指标都不尽人意,如何提高传感器的性能,还需要我们进一步的思考和实验。

 

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