電阻應變式測力傳感器的設計與性能研究

陳雙健

(公主嶺市農業機械化學校，吉林 公主嶺 136100)

0 引言

農業機械水平是現代化農業發展的重要標志，是改善農戶生活水平和提高農業生產效率的重要保障，因此，不斷提高我國農業機械化水平，是推動農業可持續發展、發展我國農業基礎地位及建設現代化農業的重要內容之一。

農業機械是改善農業生產方式的重要保障，農業機械田間運行的穩定性、安全性與可靠性直接影響農業生產效率。隨著農業機械的快速發展，農業機械的生產、制造正在向智能化方向發展，在農業機械使用過程中，利用各項傳感器對關鍵部件的力學性能、疲勞壽命及工作狀態進行實時監測是保證農業生產穩定開展的必要條件，因此，亟需大規模發展與應用傳感器技術。

農業機械生產環境較為惡劣，且由于農業機械生產水平良莠不齊，因此，農業機械使用安全隱患日益突出。為了提高農業機械使用壽命，需要提高農業機械原材料的耐磨性、耐腐蝕性和耐磨損性等，在農業機械工作過程中需要配備相應的檢測元件實現關鍵工作部件過程參數的實時控制，為了保證農業機械田間工作的穩定性、安全性與可靠性需求，需要使用較高精度的傳感器對農業機械關鍵部件進行受力及疲勞監測，避免農業機械生產過程中受力過載或者偏載[1-3]。目前，國際先進的傳感器技術一直為國外所壟斷(國際上主要有兩家公司：①采用電阻應變片式原理技術的加拿大KELK公司；②采用壓磁技術的瑞典ABB公司)[4]。

為了打破國外企業對傳感器技術和制造工藝的壟斷，研制出低成本、高品質的自主產品，本研究在長期技術積累和完善的制造檢測裝備支持下，創新設計一種“電阻應變式測力傳感器”。通過企業自主立項，成立技術攻關小組并投入大量資金，聯合大連理工大學、上海交通大學、鞍鋼設計院、遼寧科技大學等科研院所及高校，開展了國產農業機械電阻應變式測力傳感器研究，通過田間試驗驗證其使用性能與推廣價值。研究結果對于完善我國傳感器研發體系提供參考，對于構建農業機械高水平的制造裝備和產品檢測設備提供基礎條件。

1 電阻應變式測力傳感器的設計

1.1 結構設計

電阻應變式測力傳感器的外形分為盤形、環形、矩形三種，高度一般≤100 mm。電阻應變式傳感器主要是指在彈性體上貼粘應變片，彈性體、應變片貼在內表面(圖1)。為了提高傳感器性能，本研究設計的傳感器應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，提高傳感器精度。

圖1 傳感器基本結構

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

圖2 傳感器應變片電路結構示意圖

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償片板產生變形，應變電橋電路阻抗改變，輸出與重量數值成比例的電信號，經與顯示儀表或計算機、打印機連接，儀表可同時把重量信號輸給計算機、打印機等設備，組成測力監控、稱重管理系統，可以對機械部件的軸向力和彎曲角度進行電信號采集與傳輸，信號處理示意圖如圖3所示。

圖3 傳感器電信號處理示意圖

1.3 基本參數及技術指標

基本技術參數如表1所示。

表1 技術參數指標

2 電阻應變式測力傳感器關鍵技術及生產工藝

2.1 關鍵技術

2.1.1 組合單體傳感器

電阻應變式測力傳感器要求過載強、耐沖擊、使用頻率高等[5]，外形為圓形、盤形、矩形三種。設計了一種組合單體傳感器，在一個彈性體最多作60個測力敏感點，使傳感器提高精度與可靠性，耐過載。

2.1.2 模具貼片

電阻應變式測力傳感器貼片工藝復雜，本研究設計一種專用模具進行貼片，應變片貼在彈性體受力中心上(幾何形心上)。由于國家檢測設備最大為2 000 t，自行研制了10 000 t檢測設備，確保傳感器質量；采用無應力集中的彈性不銹鋼帶和控溫氬弧焊接的密封技術，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度合金，強度好，彈性好[6]。彈性體設有多組應變孔，每個應變孔內粘貼有應變片，應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。應用組合方式，將24～112點合為一臺傳感器。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，專用設備粘貼。

2.2 生產工藝

根據設計圖紙確定機械加工的工藝路線，編制工藝卡片等技術文件；生產部門按工藝路線、工藝卡片等文件組織生產；然后組裝、檢查、驗收、使用，主要生產工藝如圖3所示。

圖3 生產工藝流程圖

3 性能測試與試驗研究

該產品于2009年開始研制，制作檢測設備，2011年制作樣機，在企業內部進行全面檢測，對檢查出的缺陷進行認真處理。經一年多的生產驗證，本設備生產質量穩定，達到設計指標要求，成品率為100%。

3.1 測試步驟

對農業機械生產使用鋼材工藝的靜態特性測試主要包括以下幾個步驟：

1)將傳感器測量范圍劃分為若干個等距點，選擇≥5個以上的測試點。

2)由小到大逐漸增加壓力值，并記錄傳感器輸出的數值。

3)將壓力值從大到小逐漸降低，同時記錄傳感器輸出數值。

4)重復步驟2)和3)。

5)根據測試數據計算本研究設計的電阻應變式測力傳感器的線性度、滯后性、重復性和蠕變等靜態指標。

3.2 測試指標

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

2)重復性。重復性主要代表傳感器在輸入量按同一方向做全兩次連續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，在輸出特性上的不一致程度。

3.3 測試結果分析

本研究設計的傳感器量程可以達到1 700 T，經中國計量科學研究院檢測校準，主要參數均符合中華人民共和國國家計量檢定規程JJG391—2009《力傳感器》的規定。結果表明，本研究提出的電阻應變式測力傳感器相關性能指標為線性度≤1%FS、重復性≤0.3%FS、滯后≤0.4%FS，滿足實際使用需求，達到預期設計效果。

3.4 經濟效益及社會效益分析

3.4.1 經濟效益

本研究設計的變式力傳感器生產效益分析表2、表3所示。結果表明，本研究設計的力傳感器具有較好的生產效益與市場應用前景。

表2 經濟效益分析

表3 預期產量及經濟效益

3.4.2 社會效益

電阻應變式測力傳感器的創新與研發可以減少對國外產品的依賴，減少進口費用，其次，本研究設計的產品的國產化，打破了少數國外公司對該重要產品技術的壟斷，非常有利于我國制造業的獨立性發展，最后，有利于我國農業機械生產企業對電阻應變式測力傳感器的維護維修。

4 結論與展望

4.1 結論

在進行農業機械生產中，對農業機械關鍵部件進行力學監測與疲勞診斷是保證農業機械工作可靠性與穩定性的重要保證，在使用過程中需要配備相應的力學傳感器實現過程參數的實時控制。但是目前我國相關傳感器主要依靠國外進口。針對以上問題，本研究提出一種電阻應變式測力傳感器，可以實現替代進口，填補國內空白，隨著電阻應變式測力傳感器國產化與批量化制造，可以打破少數國外公司對該重要產品技術的壟斷，測試結果表明本研究提出的電阻應變式測力傳感器相關性能指標為線性度≤1%FS、重復性≤0.3%FS、滯后≤0.4%FS，滿足實際使用需求，達到預期設計效果，對于降低制造業生產業成本，提高企業市場競爭力具有重要意義。

4.2 展望

目前，我國尚未制定電阻應變式測力傳感器的產品標準，在制造業生產的傳統意識中，仍然存在國外產品質量最好的觀念，因此，改變產業的生產觀念還需要一段時間，未來應該聘請專業技術人員、引進人才作為生產技術顧問，努力提高現有技術人員的素質，盡快建立產品進入國外市場的通道，提高本產品的技術水平，盡快將此技術推向國際市場。

(05)