電阻應(yīng)變式測(cè)力傳感器的設(shè)計(jì)與性能研究

陳雙健

(公主嶺市農(nóng)業(yè)機(jī)械化學(xué)校，吉林 公主嶺 136100)

0 引言

農(nóng)業(yè)機(jī)械水平是現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要標(biāo)志，是改善農(nóng)戶生活水平和提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率的重要保障，因此，不斷提高我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平，是推動(dòng)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展、發(fā)展我國(guó)農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)地位及建設(shè)現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的重要內(nèi)容之一。

農(nóng)業(yè)機(jī)械是改善農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式的重要保障，農(nóng)業(yè)機(jī)械田間運(yùn)行的穩(wěn)定性、安全性與可靠性直接影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率。隨著農(nóng)業(yè)機(jī)械的快速發(fā)展，農(nóng)業(yè)機(jī)械的生產(chǎn)、制造正在向智能化方向發(fā)展，在農(nóng)業(yè)機(jī)械使用過程中，利用各項(xiàng)傳感器對(duì)關(guān)鍵部件的力學(xué)性能、疲勞壽命及工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)是保證農(nóng)業(yè)生產(chǎn)穩(wěn)定開展的必要條件，因此，亟需大規(guī)模發(fā)展與應(yīng)用傳感器技術(shù)。

農(nóng)業(yè)機(jī)械生產(chǎn)環(huán)境較為惡劣，且由于農(nóng)業(yè)機(jī)械生產(chǎn)水平良莠不齊，因此，農(nóng)業(yè)機(jī)械使用安全隱患日益突出。為了提高農(nóng)業(yè)機(jī)械使用壽命，需要提高農(nóng)業(yè)機(jī)械原材料的耐磨性、耐腐蝕性和耐磨損性等，在農(nóng)業(yè)機(jī)械工作過程中需要配備相應(yīng)的檢測(cè)元件實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵工作部件過程參數(shù)的實(shí)時(shí)控制，為了保證農(nóng)業(yè)機(jī)械田間工作的穩(wěn)定性、安全性與可靠性需求，需要使用較高精度的傳感器對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械關(guān)鍵部件進(jìn)行受力及疲勞監(jiān)測(cè)，避免農(nóng)業(yè)機(jī)械生產(chǎn)過程中受力過載或者偏載[1-3]。目前，國(guó)際先進(jìn)的傳感器技術(shù)一直為國(guó)外所壟斷(國(guó)際上主要有兩家公司：①采用電阻應(yīng)變片式原理技術(shù)的加拿大KELK公司；②采用壓磁技術(shù)的瑞典ABB公司)[4]。

為了打破國(guó)外企業(yè)對(duì)傳感器技術(shù)和制造工藝的壟斷，研制出低成本、高品質(zhì)的自主產(chǎn)品，本研究在長(zhǎng)期技術(shù)積累和完善的制造檢測(cè)裝備支持下，創(chuàng)新設(shè)計(jì)一種“電阻應(yīng)變式測(cè)力傳感器”。通過企業(yè)自主立項(xiàng)，成立技術(shù)攻關(guān)小組并投入大量資金，聯(lián)合大連理工大學(xué)、上海交通大學(xué)、鞍鋼設(shè)計(jì)院、遼寧科技大學(xué)等科研院所及高校，開展了國(guó)產(chǎn)農(nóng)業(yè)機(jī)械電阻應(yīng)變式測(cè)力傳感器研究，通過田間試驗(yàn)驗(yàn)證其使用性能與推廣價(jià)值。研究結(jié)果對(duì)于完善我國(guó)傳感器研發(fā)體系提供參考，對(duì)于構(gòu)建農(nóng)業(yè)機(jī)械高水平的制造裝備和產(chǎn)品檢測(cè)設(shè)備提供基礎(chǔ)條件。

1 電阻應(yīng)變式測(cè)力傳感器的設(shè)計(jì)

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

電阻應(yīng)變式測(cè)力傳感器的外形分為盤形、環(huán)形、矩形三種，高度一般≤100 mm。電阻應(yīng)變式傳感器主要是指在彈性體上貼粘應(yīng)變片，彈性體、應(yīng)變片貼在內(nèi)表面(圖1)。為了提高傳感器性能，本研究設(shè)計(jì)的傳感器應(yīng)變片貼在彈性體受力中心處(幾何形心上)，示圖處(非表面)，可以提高傳感器的密封性、抗偏載能力，并且可以減少偏載誤差及端面效應(yīng)，提高傳感器精度。

圖1 傳感器基本結(jié)構(gòu)

傳感器內(nèi)部電路圖如圖2所示，R1、R2、R3、R4分別為應(yīng)變片電阻，E為電源電壓，U為電橋輸出電壓，A、B、C、D分別為線路節(jié)點(diǎn)。

圖2 傳感器應(yīng)變片電路結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 工作原理

傳感器承載方式為上下平面均布受載，通過安裝在傳感器上下面的均壓塊，載荷分布板將壓力均布地加載在傳感器的上下面，使粘貼在彈性體上的補(bǔ)償片板產(chǎn)生變形，應(yīng)變電橋電路阻抗改變，輸出與重量數(shù)值成比例的電信號(hào)，經(jīng)與顯示儀表或計(jì)算機(jī)、打印機(jī)連接，儀表可同時(shí)把重量信號(hào)輸給計(jì)算機(jī)、打印機(jī)等設(shè)備，組成測(cè)力監(jiān)控、稱重管理系統(tǒng)，可以對(duì)機(jī)械部件的軸向力和彎曲角度進(jìn)行電信號(hào)采集與傳輸，信號(hào)處理示意圖如圖3所示。

圖3 傳感器電信號(hào)處理示意圖

1.3 基本參數(shù)及技術(shù)指標(biāo)

基本技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 技術(shù)參數(shù)指標(biāo)

2 電阻應(yīng)變式測(cè)力傳感器關(guān)鍵技術(shù)及生產(chǎn)工藝

2.1 關(guān)鍵技術(shù)

2.1.1 組合單體傳感器

電阻應(yīng)變式測(cè)力傳感器要求過載強(qiáng)、耐沖擊、使用頻率高等[5]，外形為圓形、盤形、矩形三種。設(shè)計(jì)了一種組合單體傳感器，在一個(gè)彈性體最多作60個(gè)測(cè)力敏感點(diǎn)，使傳感器提高精度與可靠性，耐過載。

2.1.2 模具貼片

電阻應(yīng)變式測(cè)力傳感器貼片工藝復(fù)雜，本研究設(shè)計(jì)一種專用模具進(jìn)行貼片，應(yīng)變片貼在彈性體受力中心上(幾何形心上)。由于國(guó)家檢測(cè)設(shè)備最大為2 000 t，自行研制了10 000 t檢測(cè)設(shè)備，確保傳感器質(zhì)量；采用無(wú)應(yīng)力集中的彈性不銹鋼帶和控溫氬弧焊接的密封技術(shù)，確保了傳感器的壽命。

2.1.3 彈性體材料

彈性體的材料選用稀釷高強(qiáng)度合金，強(qiáng)度好，彈性好[6]。彈性體設(shè)有多組應(yīng)變孔，每個(gè)應(yīng)變孔內(nèi)粘貼有應(yīng)變片，應(yīng)變片貼在彈性體受力中心上(幾何形心上)，可減少偏載誤差及端面效應(yīng)。應(yīng)用組合方式，將24～112點(diǎn)合為一臺(tái)傳感器。傳感器敏感元件均采用自行研制的特種超薄高溫線路板組成，專用設(shè)備粘貼。

2.2 生產(chǎn)工藝

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙確定機(jī)械加工的工藝路線，編制工藝卡片等技術(shù)文件；生產(chǎn)部門按工藝路線、工藝卡片等文件組織生產(chǎn)；然后組裝、檢查、驗(yàn)收、使用，主要生產(chǎn)工藝如圖3所示。

圖3 生產(chǎn)工藝流程圖

3 性能測(cè)試與試驗(yàn)研究

該產(chǎn)品于2009年開始研制，制作檢測(cè)設(shè)備，2011年制作樣機(jī)，在企業(yè)內(nèi)部進(jìn)行全面檢測(cè)，對(duì)檢查出的缺陷進(jìn)行認(rèn)真處理。經(jīng)一年多的生產(chǎn)驗(yàn)證，本設(shè)備生產(chǎn)質(zhì)量穩(wěn)定，達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，成品率為100%。

3.1 測(cè)試步驟

對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械生產(chǎn)使用鋼材工藝的靜態(tài)特性測(cè)試主要包括以下幾個(gè)步驟：

1)將傳感器測(cè)量范圍劃分為若干個(gè)等距點(diǎn)，選擇≥5個(gè)以上的測(cè)試點(diǎn)。

2)由小到大逐漸增加壓力值，并記錄傳感器輸出的數(shù)值。

3)將壓力值從大到小逐漸降低，同時(shí)記錄傳感器輸出數(shù)值。

4)重復(fù)步驟2)和3)。

5)根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)計(jì)算本研究設(shè)計(jì)的電阻應(yīng)變式測(cè)力傳感器的線性度、滯后性、重復(fù)性和蠕變等靜態(tài)指標(biāo)。

3.2 測(cè)試指標(biāo)

1)線性度。線性度主要是反映傳感器的實(shí)際輸入、輸出曲線與據(jù)此擬合的理想直線之間的偏離程度。

2)重復(fù)性。重復(fù)性主要代表傳感器在輸入量按同一方向做全兩次連續(xù)多變所得的特性曲線的不一致程度；

3)滯后。表明傳感器的正向和反向輸入時(shí)，在輸出特性上的不一致程度。

3.3 測(cè)試結(jié)果分析

本研究設(shè)計(jì)的傳感器量程可以達(dá)到1 700 T，經(jīng)中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院檢測(cè)校準(zhǔn)，主要參數(shù)均符合中華人民共和國(guó)國(guó)家計(jì)量檢定規(guī)程JJG391—2009《力傳感器》的規(guī)定。結(jié)果表明，本研究提出的電阻應(yīng)變式測(cè)力傳感器相關(guān)性能指標(biāo)為線性度≤1%FS、重復(fù)性≤0.3%FS、滯后≤0.4%FS，滿足實(shí)際使用需求，達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)效果。

3.4 經(jīng)濟(jì)效益及社會(huì)效益分析

3.4.1 經(jīng)濟(jì)效益

本研究設(shè)計(jì)的變式力傳感器生產(chǎn)效益分析表2、表3所示。結(jié)果表明，本研究設(shè)計(jì)的力傳感器具有較好的生產(chǎn)效益與市場(chǎng)應(yīng)用前景。

表2 經(jīng)濟(jì)效益分析

表3 預(yù)期產(chǎn)量及經(jīng)濟(jì)效益

3.4.2 社會(huì)效益

電阻應(yīng)變式測(cè)力傳感器的創(chuàng)新與研發(fā)可以減少對(duì)國(guó)外產(chǎn)品的依賴，減少進(jìn)口費(fèi)用，其次，本研究設(shè)計(jì)的產(chǎn)品的國(guó)產(chǎn)化，打破了少數(shù)國(guó)外公司對(duì)該重要產(chǎn)品技術(shù)的壟斷，非常有利于我國(guó)制造業(yè)的獨(dú)立性發(fā)展，最后，有利于我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械生產(chǎn)企業(yè)對(duì)電阻應(yīng)變式測(cè)力傳感器的維護(hù)維修。

4 結(jié)論與展望

4.1 結(jié)論

在進(jìn)行農(nóng)業(yè)機(jī)械生產(chǎn)中，對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械關(guān)鍵部件進(jìn)行力學(xué)監(jiān)測(cè)與疲勞診斷是保證農(nóng)業(yè)機(jī)械工作可靠性與穩(wěn)定性的重要保證，在使用過程中需要配備相應(yīng)的力學(xué)傳感器實(shí)現(xiàn)過程參數(shù)的實(shí)時(shí)控制。但是目前我國(guó)相關(guān)傳感器主要依靠國(guó)外進(jìn)口。針對(duì)以上問題，本研究提出一種電阻應(yīng)變式測(cè)力傳感器，可以實(shí)現(xiàn)替代進(jìn)口，填補(bǔ)國(guó)內(nèi)空白，隨著電阻應(yīng)變式測(cè)力傳感器國(guó)產(chǎn)化與批量化制造，可以打破少數(shù)國(guó)外公司對(duì)該重要產(chǎn)品技術(shù)的壟斷，測(cè)試結(jié)果表明本研究提出的電阻應(yīng)變式測(cè)力傳感器相關(guān)性能指標(biāo)為線性度≤1%FS、重復(fù)性≤0.3%FS、滯后≤0.4%FS，滿足實(shí)際使用需求，達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)效果，對(duì)于降低制造業(yè)生產(chǎn)業(yè)成本，提高企業(yè)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力具有重要意義。

4.2 展望

目前，我國(guó)尚未制定電阻應(yīng)變式測(cè)力傳感器的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，在制造業(yè)生產(chǎn)的傳統(tǒng)意識(shí)中，仍然存在國(guó)外產(chǎn)品質(zhì)量最好的觀念，因此，改變產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)觀念還需要一段時(shí)間，未來(lái)應(yīng)該聘請(qǐng)專業(yè)技術(shù)人員、引進(jìn)人才作為生產(chǎn)技術(shù)顧問，努力提高現(xiàn)有技術(shù)人員的素質(zhì)，盡快建立產(chǎn)品進(jìn)入國(guó)外市場(chǎng)的通道，提高本產(chǎn)品的技術(shù)水平，盡快將此技術(shù)推向國(guó)際市場(chǎng)。

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