应变式测力传感器设计

1前言

1.1研究课题背景及意义

应变式测力传感器早已在众多测控领域中得到了广泛的应用，尤其在测量重量方面，其技术已非常成熟。所以，国内外众多科技人员努力争取更大的突破。得到更优良的弹性体结构，非常合适的弹性体材料，合乎测量要求的应变片，完善的测量电路及补偿电路是需要努力的。当然，非常好的外观质量也是一大竞争力。现已有的应变式测力传感器大致有这么几种：桥式、剪切梁式、单点式、柱式、轮辐式、板式、平行梁式、S型。它们主要用于称重领域。国外企业在以下几个方面进行了许多研究和实验工作，如结构设计、制造工艺、电路补偿及调整、稳定性方面。并取得了一定的进展。这些进展主要包括在设计和计算过程中引入了先进的分析方法，如用计算机拟实技术进行动态仿真和动力学分析及工艺设计过程里运用虚拟技术，对生产工艺进行仿真检验。在弹性体加工方面，使用先进制造技术，将刚性制造转为柔性制造，加工中心、柔性制造系统和柔性制造单元得到普遍采用。在生产过程中尽量采用半自动和自动控制、自动检验程序和计算机网络技术。改进了工艺装备也是主要成就之一。最终提高了应变式测力传感器的稳定性和可靠性。

转子在高速运转过程中，由于种种原因，诸如转子的偏心问题，会产生不容忽视的径向力，使转轴的径向误差加大。在自动控制系统中，便需要得到径向力这个信号，然后对执行机构才能进行控制。要得到理想的控制刚度，不仅需要控制系统的稳定可行，测试系统的重要性同样不可忽视。所以，传感器性能的好坏和选取的是否恰当是个非常关键的问题。在现有的径向力测量中，人们并不是直接去测径向力的值，而是将其转化为其它量，比如位移量。然后使用位移传感器进行测量，控制径向位移量便使得径向力引起的问题得到解决。在高速运转的系统中，如磁悬浮系统，人们便广泛采用这样一些位移传感器：电容式传感器、电涡流式传感器、电感式传感器。并都取得了不错的测量控制效果。但是，还不能忽视他们的缺点。电容式传感器，其电容小，容易受到外界诸多因素的影响，在高速旋转的转子系统中其可靠性大大降低。电涡流式传感器相对来讲比较合适，但是当附近存在高频磁场和工作的高频开关器件，它的可靠性也将变得不理想。电感式传感器由于自身的频率响应特性不适合于快速动态测量。

其实在转子系统中，转子肯定要有轴承支承。前面所讲都是将传感器作为一个附属测量器件，纯粹起测量作用。考虑轴承的刚度问题和受力问题，一个新的测量方向便产生了，何不设计一个既能其支撑作用，就像轴承一样，又起测量作用个，就像传感器一样。如果要同时具有这两种作用，那么前面所说的电容式传感器、电涡流式传

感器及电感式传感器将不再适用。因为它们和支承这个概念相差太远，也可以说，在开始的设计目的里就压根不存在。那么在前面的系统里除掉这些不适用的传感器，就会只剩下控制系统、轴承及轴承座。很明显，这肯定完不成测控的任务。因为没有测量信号。但是，肯定不许加入传统的传感器产品。不然就违背了这次的设计目的。那只好在轴承或轴承座上做些文章了。

测力轴承这一概念也早已有了，国内也有针对性的一些研究。如浙江工学院浙西分校郑家锦写的测力轴承的原理和应用、浙江大学郭明等人编写的测力轴承的研究、湖南大学郭力写出的智能测力轴承的基本原理及应用。测力轴承的基本原理就是将普通的轴承进行结构上一定的改造，粘贴上应变片，接到后续测量电路中去，完成在线测控。后来经过研究，陶瓷球轴承用来做测力轴承功能上比较理想，它属于一种低温升、刚度高、转速高、寿命长的一类高速轴承。但是成本高，影响应变的因素比较多，测量复杂。

武汉理工大学王晓光等写过一篇名为力控制磁悬浮硬盘驱动器的研究，在这篇文章里提到了一种新结构，即十字梁结构。这种结构在机器人腕力传感器中比较常用。中国科学技术大学干方建等人也写过关于这种结构的文章，如一种应变式多维力传感器的优化设计、一种应变式六维力传感器的动态设计。在文中，作者进行了深入的分析研究。将这种结构运用到轴承座中便是此次设计的切入点。

1.2设计任务及要求

这次的设计任务是基于实验室转子试验台设计出可以测量径向力的应变式测力传感器。设计工作主要包括传感器弹性体的设计、应变片的选择、粘贴方法、电桥的设计、后续测量电路的设计及测试系统误差分析。最大径向力为11.7N，测量转速6000r/min，测量误差小于1%。要能测量被测信号的二次谐波。

1.3设计内容

应变式测力传感器主要由两大部分组成，一是机械部分，二是电子电路部分，即信号处理电路。机械部分由弹性体和应变片组成。其基本工作原理就是弹性体发生弹性变形，由应变片将应变量以电阻变化量的形式输出。测量电路可识别的信号一般为电压或电流量。由于设计的是应变式测力传感器，一般为电压输出。在这里采用惠斯通电桥，这种输出形式可以放大人们想得到输出信号，提高灵敏度。合适的布片位置可以消除一些因素的影响，如弯矩、横力、温度等因素。测量电路考虑使用集成运放元件，因为它的综合性能比分立放大元件优良并且设计简便。机械结构设计部分动态性能分析由有限元分析软件辅助进行，电路仿真由EWB实现。

对应变式测力传感器的设计主要围绕以下几个方面：弹性体材料的选择、弹性体的结构设计、弹性体的加工工艺、应变片的选择、粘结剂的选择、应变片的粘贴、测量电路的设计。

1.3.1 设计内容详述

弹性体的变形与载荷的关系应该是线性的，或者说线性度非常高，并且每次的载荷变形曲线重复性要好，材料的弹性滞后和蠕变应该比较小才好。作为弹性体材料应该还要具有高强度，高的弹性极限，高的冲击韧性，低并且稳定的弹性模量温度系数，热处理后应该要具有均匀的稳定组织，从而具有各向同性，弹性体的灵敏度便比较稳定。抗氧化、抗腐蚀也要考虑在内，这也关系到传感器工作的稳定性和可靠性。高弹性合金及恒弹性合金是常用的弹性合金。其中铜基合金较早开始使用，但它不能耐高温，耐腐蚀，所以后来逐渐被取代。高弹性合金的弹性模量受温度影响比较大，从而会产生较大的温度误差。于是，恒弹性合金作为弹性元件材料比较理想，在一定的温度范围中，它的弹性模量温度系数比较小。

其实弹性体的材料不可能同时满足所有的要求，只能具体情况下综合测量因素进行考虑选择。目前国内常用的弹性体材料是合金结构钢，像40Cr。在测量精度要求不高的地方也有使用45钢的。

弹性体的结构设计也要根据测量条件进行，确定载荷的分布形式，仔细分析，确定可以得到合适灵敏度，合适刚度，合适动态特性的结构。关键是在确定了弹性体的材料、结构之后怎么制造出来合乎使用要求的实物。对弹性体材料进行必要的热处理可以得到比较理想的弹性体，像40Cr具有良好的淬透性，可以得到良好的机械性能。为得到具有长久稳定性和高精度的传感器，消除机加工和热处理产生的残余内应力也很重要。主要有以下几种方法可以消除弹性体的残余内应力：时效、退火、反复加载、和机械振动、冷处理。时效包括长期自然时效和人工时效。退火温度高于回火温度，有较长的保温时间，会得到比较好的效果。在应变式传感器贴片后进行加载，可以完善传感器的特性。

应变片也称电阻应变计。应变片一般由敏感栅、引线和基底组成。应变片分为金属应变片和半导体应变片。金属应变片又分为体型和薄膜型。体型进一步分为丝式和箔式。应变片主要有以下优点：电阻变化率R

/R和应变量有很好的线性关系，即非线性占得比重非常小，有很小的几何尺寸，有很大的测量范围，动态响应特性也很好，非常小的测量误差，可以将测量信号相加或抵消，测量范围广，可以在恶劣的环境下工作使用，有好的稳定性和可靠性，成本低。当然也具有一些缺点：在测量大的应变量时会有明显的非线性误差影响，不能如实反映应力场得分布状况。半导体应变片和前面提及的常规应变片相比，具有相当高的灵敏度，但稳定性不如前者。

应变片需要有粘结剂才能固定在弹性体上。就是说应变片并不是直接和弹性体相接触的，两者中间还有一层胶层。应变传递顺序应该是先弹性体到胶层，最后到应变片。所以说粘结剂非常重要，因为它关系到应变能否正确地传递到应变片上去。粘结剂分为天然的和人工合成的两类。合成的又分为有机的和无机的。有机粘结剂最为常用。