測力傳感器演示實驗系統設計

摘要：開展測力傳感器演示實驗系統設計，對學生充分了解和掌握測試系統的基本結構、工作原理及其維護修理技術具有重要的意義，并在教學實踐和科學研究等方面發揮了重要作用，為提高機械工程專業課程和課程實驗等實踐性教學環節的教學質量奠定重要基礎，對促進教學改革有示范性。學生在系統的設計分析過程中能力得到了顯著提高。

關鍵詞：力傳感器；彈性體；應變片；有限元分析；EWB；演示實驗

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2013）03-0257-02

為提高課程實驗的綜合性、創新性，根據機械類課程和實踐教學的特點和需求，以提高教學質量、改進教學方法為宗旨，緊密結合這些專業基礎課實驗進行了精心規劃和建設。本文選定具有典型代表性的機械測試系統為設計對象開展設計工作，讓學生在綜合方面得到鍛煉。

一、設計內容

應變式測力傳感器主要由兩大部分組成，一是機械部分，二是電子電路部分即信號處理電路。機械部分由彈性體和應變片組成。其基本工作原理就是彈性體發生彈性變形，由應變片將應變量以電阻變化量的形式輸出。在這里采用惠斯通電橋，這種輸出形式可放大人們想得到輸出信號，提高靈敏度。合適的布片位置可消除一些因素的影響。機械結構設計部分動態性能分析由有限元分析軟件輔助進行，電路仿真由EWB實現。

二、彈性體設計

彈性體結構形式的選擇要依據測量的各種條件進行。待測量轉子的轉速為6000r/min，徑向力大約也以轉速6000r/min的速度在圓周方向上變化，直接測量出徑向力的大小非常困難。將徑向力分解為X、Y兩個方向的分力，由傳感器測量電路兩個通道分別輸出。這樣便將復雜交變的合力轉變為單方向變化的力。應變式測力傳感器既要具有測量功能，還要起到軸承支承作用，因此采用十字梁式的結構。十字梁結構可以實現二維力的測量，相對的兩個梁，它的受力狀態正好相反，即一個梁受拉力作用時另一個梁受壓力作用，基于這種特點，利用電橋的和差特性就可以提高電橋的應變輸出水平。它和外架是分開的，并且梁的截面統一為方形的這樣便于加工。貼片位置仍然不變。

圖1為所設計的十字梁式傳感器裝配圖。圖中：1為傳感器外架，2為擋塊，3、4為螺釘，5是彈性體，6為箔式應變片，7為端蓋。從圖中可以看到應變片7的布片位置，這種布片方式的優勢在于它可以消除橫力的影響。同一根梁上的應變片接到全橋的相對橋臂上，則拉伸或壓縮應變相疊加，而橫力產生大小相同，方向相反的應變，疊加之后為零，從而消除了橫力的影響。初步設計之后，必須進行結構動靜強度分析校核（篇幅所限過程從略）。通過強度分析校核，所設計的應變式測力傳感器無論在靜力學特性方面，還是在動力學特性方面，都滿足強度要求。已知轉子轉速為6000r/min，則頻率為100Hz，二次諧波頻率為200Hz。測試系統要實現不失真測量，那么測試系統的每一個環節都應盡量實現不失真測量。為此，首先使用SolidWorks進行測力傳感器實體建模，然后導入到有限元軟件ANSYS中去，最后進行動態特性分析。模態分析結果表明，系統一階固有頻率為790.693Hz，第二階固有頻率為1955Hz，而激勵的二次諧波頻率為200Hz，一階固有頻率是二次諧波頻率的3倍以上。由測試技術理論可知，待測信號的頻率小于系統固有頻率的0.3倍，系統是一種比較理想的不失真測量系統。

三、電橋及后續電路設計分析

本部分包含電橋設計計算、動態應變儀各環節如振蕩源、放大電路、相敏檢波電路、濾波電路等的設計分析。各個部分的測量電路設計完成之后，最重要的是把他們組合起來，進行整體仿真分析，以確定整體的測量性能。為了說明此電路可以測量高達200Hz的信號，由EWB中的函數發生器模擬電橋輸入信號，調制過程由乘法器進行模擬，乘法器的系數K=1。函數發生器輸出信號的幅值為32μV，頻率為200Hz。圖2為放大500倍后的調幅波，圖中幅值基數為200mV/DIV。可見設計的放大電路符合理論要求，經測量，調幅波最大幅值為64μV，放大后為32mV，動態范圍達500。圖3為檢波輸出，圖中的幅值基數為200mV/DIV。

圖4為濾波后的輸出，圖中的幅值基數為50mV/DIV。電路誤差分析計算：原始信號到濾波后輸出主要經歷了調制、基本放大、檢波、濾波等過程。經測量，濾波后信號幅值約為71.703mV，這個值是在取一系列平均值及考慮調制、基本放大、檢波、濾波的影響下得到的估算值。這樣，就可以將前面的電路的參數按照理論計算值對待。振蕩源幅值為10V，放大電路增益為500，檢波電路增益為1，濾波電路增益為0.4455。那么反推輸入信號值為32.1899（μV），輸入信號真值為32（μV），相對誤差為=0.6%綜上所述，所設計的測量電路原理上可行，測量誤差也在要求范圍之內。

本文中所設計的應變式測力傳感器，可以起到支承和測量的雙重作用。機械結構方面，傳感器可以產生可測量的應變，并且由于采用了十字梁結構，使得徑向力的測量轉變為二維力的測量，方便了測量。測量電路方面，可以在允許的誤差范圍內，完成0～32.5μV的微弱信號的測量。對于200Hz的信號，放大電路具有500倍的放大能力，并且不失真。通過測力傳感器演示實驗系統設計，對學生充分了解和掌握機械的基本結構、工作原理及其維護修理技術具有重要的意義，并在教學實踐和科學研究等方面發揮了重要作用，為提高機械工程專業課程和課程實驗等實踐性教學環節的教學質量奠定重要基礎，對促進教學改革有示范性。此外，學生在系統的設計分析過程中，能力得到了顯著提高。

參考文獻：

[1]郭明，陳宗農.一種新型傳感器——測力軸承的研究[J].機械科學與技術，1994，（2）.

[2]Gab-Soon Kim.Development of a 6-axis robot's finger force/moment sensor for stable grasping of an unknown objectJ].International Journal of Precision Engineering and Manufacturing，2002，5（3）.

[3]干方建，劉正士，任傳勝，張平.一種應變式六維力傳感器的動態設計[J].中國機械工程，2007，18（8）.

[4]Ahmed A.S.Mohammed，Walied A.Moussa，Edmond Lou.High Sensitivity MENS Strain Sensor：Design and Simulation[J].Sensors，2008，（8）：2642-2661.

[5]袁希光.傳感器技術手冊[M].北京：國防工業出版社，1989.

[6]應變片電測技術[M].北京：機械工業出版社，1984.

基金項目：濟南大學教學研究項目（項目代號為JX J200602）；山東省研究生教育創新計劃資助項目（項目代號為SDYY09028）

作者簡介：宋波，高級實驗師。