電阻應(yīng)變式高大同度筒式拉壓傳感器

0電阻應(yīng)變式筒式拉壓傳感器在生產(chǎn)和實(shí)驗(yàn)中，測(cè)量機(jī)械力是非常重要的。電子顯微鏡是將電子顯微電子應(yīng)用程序結(jié)果固結(jié)在彈性敏感元件上，并在外力作用下觀察到機(jī)械變形。該電阻值改變了這一物理性能，并將其轉(zhuǎn)換為動(dòng)態(tài)輸出傳感器。由于該傳感器具有靈敏度高、性能好、結(jié)構(gòu)簡單、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，因此應(yīng)用非常廣泛。電阻應(yīng)變式筒式拉壓傳感器是電阻應(yīng)變式拉壓傳感器的一種,它具有結(jié)構(gòu)對(duì)稱性容易保證,抗偏載能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。目前通用的電阻應(yīng)變式筒式拉壓傳感器在結(jié)構(gòu)上存在2個(gè)方面的問題,其一是傳感器的兩端采用螺紋連接,不能滿足一些應(yīng)用場(chǎng)合的連接部位高同軸度要求;其二是彈性元件應(yīng)變敏感部位直接承受兩端傳來的扭矩,對(duì)于小量程傳感器,由于其應(yīng)變敏感部位比較薄弱,不能承受較大的扭矩,從而限制了其應(yīng)用場(chǎng)合。為了自行研制的四柱式一體化拉壓加載和轉(zhuǎn)動(dòng)裝置(用于材料拉壓加載試驗(yàn)實(shí)時(shí)同步輻射CT分析系統(tǒng))的需要,研制了一種電阻應(yīng)變式高同軸度筒式拉壓傳感器,該傳感器與相連元件的連接方式采用光桿(或光孔)與螺紋雙重結(jié)構(gòu)形式,并用磨床加工保證了光桿和光孔的同軸度,從而保證了兩端連接部位高的同軸度;外殼和彈性元件之間安裝了導(dǎo)向銷,彈性元件只能在外殼中發(fā)生軸向相對(duì)滑動(dòng),不發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng),避免了彈性元件的應(yīng)變敏感部位承受扭矩。1應(yīng)變敏感部位不受扭矩根據(jù)四柱式一體化拉壓加載和轉(zhuǎn)動(dòng)裝置的要求,并考慮到配套的應(yīng)變儀的性能,該傳感器要求上下連接部位同軸度優(yōu)于5μm,同時(shí)要求應(yīng)變敏感部位不受扭矩。1.1筒式高同軸度筒式傳感器的結(jié)構(gòu)圖1為目前通用的電阻應(yīng)變式筒式拉壓傳感器結(jié)構(gòu)圖,其中,應(yīng)變計(jì)固結(jié)在應(yīng)變敏感部位。本文引言中已提到這種結(jié)構(gòu)上的2個(gè)缺陷。圖2為在通用傳感器的基礎(chǔ)上改進(jìn)的電阻應(yīng)變式高同軸度筒式傳感器的結(jié)構(gòu)圖。該傳感器的基本結(jié)構(gòu)和通用的筒式拉壓傳感器相同,不同之處在于以下2個(gè)方面,其一是上下連接方式采用光桿(或光孔)和螺紋雙重結(jié)構(gòu)形式,螺紋只起緊固作用,光桿和光孔通過磨床加工保證同軸度優(yōu)于5μm,從而保證了兩端連接部位的同軸度要求;其二是在彈性元件上配置了導(dǎo)向銷,避免應(yīng)變敏感部位受扭矩作用。1.2應(yīng)變計(jì)橋臂結(jié)構(gòu)用于該傳感器的應(yīng)變計(jì)選用BH350—0.5AA箔式環(huán)氧基底應(yīng)變計(jì),在彈性元件的應(yīng)變敏感部位的縱向和橫向各對(duì)稱貼有4只應(yīng)變計(jì),每2只同方向應(yīng)變計(jì)串聯(lián)組成一個(gè)橋臂,8只應(yīng)變計(jì)組成全橋如圖3所示,其中,R1,R2,R7,R8貼片方向?yàn)榭v向,R3,R4,R5,R6貼片方向?yàn)闄M向,A,B端為供橋電壓輸入端,C,D端為待測(cè)電壓輸出端。1.3參數(shù)校正1傳感器的載荷彈性元件的材料為40Cr,其彈性模量E=200GPa,屈服強(qiáng)度σs=800MPa,取安全系數(shù)為2,則許用應(yīng)力[σ]=400MPa,應(yīng)變敏感部位的橫截面積A=2.22×10-5m2,則Nmax=A[σ]=2.22×10-5×400×106=8.88×103N,(1)式中Nmax為最大許用載荷,從結(jié)果中可以看出:傳感器的額定載荷和極限過載都小于彈性元件的最大許用載荷。2u干部u干部u3000g如圖3所示,僅分析R1,R2,R3,R4電流支路,應(yīng)變計(jì)的允許電流為Imax,則Umax=Imax(R1+R2+R3+R4)=0.025×1400=35V,(2)式中Umax為允許最大供橋電壓,滿足技術(shù)參數(shù)要求。3材料彈性模量的計(jì)算如圖3所示,設(shè)供橋電壓為U,傳感器的待測(cè)電壓為ΔE,根據(jù)橋路電壓特性可得ΔE=U4(ΔR1+ΔR2R1+R2?ΔR3+ΔR4R3+R4+ΔR7+ΔR8R7+R8?ΔR5+ΔR6R5+R6).(3)ΔE=U4(ΔR1+ΔR2R1+R2-ΔR3+ΔR4R3+R4+ΔR7+ΔR8R7+R8-ΔR5+ΔR6R5+R6).(3)設(shè)R1=R,ΔR1=ΔR,又設(shè)材料的泊松比ν為0.3,則ΔR8=ΔR7=ΔR2=ΔR1=ΔR,(4)ΔR6=ΔR5=ΔR4=ΔR3=0.3ΔR.(5)又由應(yīng)變計(jì)的敏感系數(shù)K定義K=ΔRRεΚ=ΔRRε得ΔRR=KεΔRR=Κε.(6)將式(4),式(5),式(6)代入式(3)得ΔE=UK×2.6ε4,(7)ΔE=UΚ×2.6ε4,(7)式中ε為應(yīng)變敏感部位軸向應(yīng)變。又有ε=FA?E=500×9.82.22×10?5×2009=1103×10?6,(8)ε=FA?E=500×9.82.22×10-5×2009=1103×10-6,(8)式中F為傳感器的額定載荷;A為應(yīng)變敏感部位的橫截面積;E為材料的彈性模量。將ε=1103×10-6和U=1V代入式(7)中,得到ΔE=1.55mV,所以,傳感器的靈敏度為1.55mV/V,滿足技術(shù)參數(shù)要求。2測(cè)力環(huán)同方差分辨力傳感器的標(biāo)定是在島津材料試驗(yàn)機(jī)上完成的,標(biāo)定方案如圖4所示。與傳感器配套的為改型的YE4869T01應(yīng)變儀,該應(yīng)變儀的供橋電壓為10V,能讀取傳感器的最大輸出電壓為25mV(傳感器在額定載荷下的輸出電壓為15mV);該應(yīng)變儀有一個(gè)方便之處是,在標(biāo)定傳感器時(shí),應(yīng)變儀讀取一個(gè)電壓值后,可以設(shè)置應(yīng)變儀的顯示數(shù)為傳感器的實(shí)際承載值,以后應(yīng)變儀讀取一個(gè)電壓后,顯示的讀數(shù)就是傳感器實(shí)際承受的載荷大小。該應(yīng)變儀的測(cè)量分辨力為設(shè)置量程的0.01%,測(cè)量精度小于設(shè)置量程的0.1%。所用的測(cè)力環(huán)為1—LD型,額定載荷為10000N。首先,對(duì)圖示系統(tǒng)進(jìn)行加載直到測(cè)力環(huán)顯示讀數(shù)為5000N;然后,設(shè)置應(yīng)變儀的讀數(shù)為5000N;最后,再進(jìn)行3次加卸載試驗(yàn),每次加卸載都以測(cè)力環(huán)的讀數(shù)為依據(jù),每間隔100N記錄應(yīng)變儀的讀數(shù)并進(jìn)行對(duì)比,檢測(cè)應(yīng)變儀的讀數(shù)和測(cè)力環(huán)讀數(shù)的差別。標(biāo)定結(jié)果表明:傳感器的最大測(cè)量偏差不超過10N,滿足傳感器的綜合誤差不大于額定輸出0.2%的技術(shù)要求。3傳感器的安裝1)研制了一種電阻應(yīng)變式高同心度筒式拉壓傳感器,該傳感器與相連元件的連接方式采用光桿(或光孔)與螺紋雙重結(jié)構(gòu)形式,并用磨削保證了光桿和光孔的同軸度,從而保證了兩端連接部位高的同軸度;外殼和彈性元件之間安