一種微應(yīng)變測(cè)量裝置設(shè)計(jì)及分析

石獻(xiàn)金，劉紅旗，張敬彩，趙澤波，王瑞欣

（1.機(jī)械科學(xué)研究總院 中機(jī)生產(chǎn)力促進(jìn)中心 制造工程研究所，北京 100044；2.煙臺(tái)冰輪股份有限公司研發(fā)設(shè)計(jì)部，山東 煙臺(tái) 264000）

0 引言

目前，常用的應(yīng)變測(cè)量裝置，主要是采用電路補(bǔ)償方式以實(shí)現(xiàn)對(duì)所采集的應(yīng)變的放大，從而獲得高精度測(cè)量結(jié)果。然而當(dāng)被測(cè)應(yīng)變非常微小時(shí)，受到測(cè)量裝置的精度制約，一般的應(yīng)變測(cè)量裝置并不能滿足高精度測(cè)量微小應(yīng)變，而可以實(shí)現(xiàn)應(yīng)變的高精度測(cè)量的儀器價(jià)格昂貴。因此，急需提出一種既能實(shí)現(xiàn)對(duì)微小應(yīng)變的精確測(cè)量且成本較低的測(cè)量裝置。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該應(yīng)變測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了在測(cè)量微小應(yīng)變的情況下的優(yōu)勢(shì)，適用于拉伸、壓縮、扭轉(zhuǎn)工況下的應(yīng)變測(cè)量。

1.1 總體設(shè)計(jì)

圖1 微應(yīng)變測(cè)量裝置Fig.1 Micro-strain measuring equipment

如圖1所示，該結(jié)構(gòu)采用兩頭粗、中間細(xì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其在拉壓載荷作用下發(fā)生的應(yīng)變都集中在中間薄弱區(qū)域，因此可以起到傳遞應(yīng)變和放大信號(hào)的作用。兩端向中間過渡區(qū)域采取逐漸減小的趨勢(shì)和圓角設(shè)計(jì)，由此可避免由于尖銳邊角導(dǎo)致的應(yīng)力集中，進(jìn)而保證測(cè)量精度。應(yīng)變片粘貼于應(yīng)變放大傳感器中間區(qū)域上下表面，粘貼有應(yīng)變片2的應(yīng)變放大傳感器1底面兩側(cè)設(shè)計(jì)有底腳，通過焊接方法就可以安裝在測(cè)量基體3上，可以很容易將應(yīng)變放大傳感器1中間載荷敏感區(qū)域的應(yīng)變測(cè)量出來，應(yīng)變片測(cè)量應(yīng)變信號(hào)可以認(rèn)為是應(yīng)變放大傳感器所產(chǎn)生的應(yīng)變，進(jìn)而將測(cè)量基體3在載荷作用下發(fā)生的微小應(yīng)變進(jìn)行放大，從而提高了測(cè)量精度。測(cè)量基體3為金屬可焊接材質(zhì)，與應(yīng)變放大傳感器通過焊接方式連接，既可以測(cè)量承受拉壓載荷的應(yīng)變，也可以測(cè)量承受彎曲、扭轉(zhuǎn)應(yīng)變。

該應(yīng)變測(cè)量裝置是一種新型的應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)，特別適用于微弱應(yīng)變[1]的高精度測(cè)量，但在使用方法上，可以實(shí)現(xiàn)應(yīng)變片的各種組橋方式[2]，例如全橋、半橋、1/4橋，簡(jiǎn)便易行。

1.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

借助有限元仿真軟件ANSYS[3]，對(duì)該應(yīng)變測(cè)量裝置進(jìn)行了結(jié)構(gòu)模擬分析。采用對(duì)稱結(jié)構(gòu)模型，進(jìn)行網(wǎng)格劃分，施加邊界約束條件和載荷，有限元仿真模型如圖2所示。得到如圖3所示仿真結(jié)果，由此在拉伸載荷作用下產(chǎn)生的等效應(yīng)力云圖可見該結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力都集中在中間區(qū)域，且中間區(qū)域的應(yīng)力值顯然是被測(cè)基體應(yīng)力值的數(shù)倍，切實(shí)起到將被測(cè)件在載荷（拉伸、壓縮、扭轉(zhuǎn)等）作用下所發(fā)生的應(yīng)變值放大的作用，通過放大倍數(shù)即可獲知被測(cè)件在載荷作用下的微應(yīng)變值，進(jìn)而可以提高測(cè)量精度。

圖2 試驗(yàn)載荷模擬（1/2模型）Fig.2 Load boundary simulation（1/2 model）

圖3 整體應(yīng)力分布云圖Fig.3 Stress distribution

該應(yīng)變測(cè)量裝置的優(yōu)勢(shì)在于其可以高精度測(cè)量微小應(yīng)變，而決定測(cè)量精度的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)在于應(yīng)力最高點(diǎn)的中間區(qū)域。為了增大中間應(yīng)力應(yīng)變的放大幅度，提高測(cè)量精度，將該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成中間區(qū)域與兩端區(qū)域厚度差的形狀，在寬度上也呈凹進(jìn)去的形狀，寬度的最小值取決于所需粘貼的應(yīng)變片尺寸。而厚度直接影響的應(yīng)變測(cè)量放大倍數(shù)，為了既能保證測(cè)量精度，又不至于在高應(yīng)力下發(fā)生破壞，經(jīng)仿真分析，厚度取1mm最合適。此外，影響測(cè)量精度的一個(gè)重要因素就是中間最薄區(qū)域的高度位置，在厚度一定的情況下，即是中間區(qū)域底面與兩端區(qū)域底面的距離，用符號(hào)H表示。H越大，就會(huì)使中間區(qū)域向上凸起，反之，則向下凹陷，沿縱向長(zhǎng)度方向上應(yīng)力分布不均，進(jìn)而導(dǎo)致應(yīng)變片測(cè)量應(yīng)變值不準(zhǔn)確，對(duì)測(cè)量結(jié)果影響最大。而H值的優(yōu)化，同樣受結(jié)構(gòu)中底腳設(shè)計(jì)高度影響，在綜合考慮焊接材料和焊接效果情況下，底腳支撐高度設(shè)計(jì)為4mm，底腳有一個(gè)細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)，就是保留4mm的焊縫坡口。

因此，借助有限元仿真軟件，在底腳支撐高度一定的前提下，對(duì)H進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)而找到其最優(yōu)值，保證測(cè)量精度。由圖4和圖6所示，正如預(yù)期結(jié)果，隨著高度H的增加或減小，都會(huì)使得中間區(qū)域發(fā)生翹曲。通過多次改變高度H，模擬分析得到優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果，當(dāng)H=4mm時(shí)，由圖5可以直觀看出中間區(qū)域在長(zhǎng)度方向上變形均勻，應(yīng)力應(yīng)變?cè)谕粚用嫔媳３忠恢拢@樣就保證了應(yīng)變片測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖4 H=5mm豎直方向變形分布云圖Fig.4 Vertical deformation （H=5mm）

圖5 H=4mm豎直方向變形分布云圖Fig.5 Vertical deformation （H=4mm）

圖6 H=2mm豎直方向變形分布云圖Fig.6 Vertical deformation （H=2mm）

在此優(yōu)化的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，通過理論計(jì)算和仿真模擬得到系統(tǒng)的放大倍數(shù)。仿真邊界條件為：以上仿真模擬計(jì)算得到應(yīng)變放大倍數(shù)為5.6。理論計(jì)算如下：

經(jīng)分析，理論計(jì)算值稍大于仿真結(jié)果的原因在于理論計(jì)算前提條件是將基體變形全部假設(shè)等效到中間區(qū)域，而實(shí)際兩端區(qū)域同樣會(huì)承擔(dān)一部分變形，因此仿真結(jié)果應(yīng)該更接近于實(shí)際情況。

2 標(biāo)定試驗(yàn)

設(shè)計(jì)如圖7所示標(biāo)定裝置，用于對(duì)應(yīng)變測(cè)量裝置進(jìn)行標(biāo)定，觀察其線性關(guān)系及數(shù)據(jù)的重復(fù)性。標(biāo)定裝置由嵌塊、夾板、吊塊組成，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便。將被試件應(yīng)變測(cè)量裝置一端嵌入槽內(nèi)形狀一樣的嵌塊內(nèi)，另外一端通過吊塊卡住，懸掛不同質(zhì)量的砝碼。如表1所示，被試件中間區(qū)域粘貼有MM品牌的高靈敏度應(yīng)變片，連接信號(hào)輸出裝置，輸出信號(hào)為電流。

圖7 標(biāo)定裝置Fig.7 Calibration equipment

表1 基本尺寸參數(shù)Tab.1 Basic parameters

得到表2～3和圖8所示標(biāo)定結(jié)果，可見被試件應(yīng)變測(cè)量裝置隨著載荷的增加呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，且重復(fù)性很好。

表2 應(yīng)變片粘貼Tab.2 Strain gauges installation

表3 標(biāo)定數(shù)據(jù)記錄Tab.3 Calibration results

表4 標(biāo)定試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)Tab.4 Calibration data analysis

圖8 載荷與輸出線性關(guān)系Fig.8 Relationship between load and output

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種微應(yīng)變測(cè)量裝置，并借助仿真軟件，對(duì)新型微應(yīng)變測(cè)量裝置進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，找到了該應(yīng)變測(cè)量裝置中間區(qū)域最優(yōu)厚度和高度，通過自行設(shè)計(jì)的標(biāo)定加載裝置對(duì)該應(yīng)變測(cè)量裝置進(jìn)行了標(biāo)定試驗(yàn)，驗(yàn)證了其具有良好的線性關(guān)系和穩(wěn)定的可重復(fù)性，以及該裝置用于高精度測(cè)量微應(yīng)變的可行性，授權(quán)實(shí)用新型專利一項(xiàng)[4]。

[1]郭敏強(qiáng)，李揚(yáng)，劉曉娜，等.一種微弱應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)：中國(guó)，2013207 635603[P].2013.

[2]夏祁寒.應(yīng)變片測(cè)試原理及在實(shí)際工程中的應(yīng)用[J].山西建筑，2008，28.

[3]劉浩，等.ANSYS 15.0有限元分析從入門到精通[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2014.

[4]劉紅旗.一種應(yīng)變測(cè)量裝置：中國(guó)，ZL201621273004.8[P].2016.