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一种二分力传感器设计与计算_论文

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维普资讯 http://www.cqvip.com 第 2 6卷 第 5期  20 06年 1 月  0 农 业 与 技 术  A dc l r&T c n l ̄  g u t e e h oo u vf 2   N .   d. 6 o5 O t ()  c .2 x6 ?7  14 一 种 二分 力传 感 器设 计 与计 算  王树珊 徐庆坤 陈洪涛  吕兴武  102 ) 30 5  ( 吉林大学实*工厂 。吉林 长春 【 要】 据实 测 程 需 提出 种 悬 应 式 分 传 嚣 设 方 。 传感 具 灵 度高 稳 性   摘  根 际 试工 的 要, 一 双 臂粱 变 二 力 感 的 计 案 谊 器 有 敏 、 定 好、 结构l凑等优点。本文介绍它的结构彤式、工作原理和设计计算方法  特 【 关键词】 传 嚣 设 计   力 感 ; 计; 算 中图分类号 :T I3 H 1  文献标识码:C   1 前 言  *来 本课 题组 承接 了一 项 研 制 任务 。设 计‘ 任  务书明确规定要求测量纵向 ( Y方向)和横向 (   x 方向)两个分力并且能独立测量。目前市场上尚   没有二分力传感器商品。如果选用两个普通力传  感器 , 不仅结构复杂 、占据很大空间,而且其中   总要有一个传感器 承受 弯矩,造成很 大的干扰,   难 以保证 测量 精 度 。 为此项 目组 提 出一个 二 分 力  图 I   传感器设计方案 ,并进行了样品研制 以及性能测  ‘ 试。试验结果证 明了该传感器设计方案的可行性  和实用性 。在机械测试工程领域需要对同一构件  进行二 分力 同步 测 量 的情 况 并不 少 见 。本文 提 出  图 2 传感器 测量 电路原 理 图  臂 ,R 、R 接 成 另 一 个 桥 路 的 对 臂 。 当 只 有 Y 3 4   的设计方案和设计方法有一定参考价值。   轴方向的作用力 F 时,若为压力则弹性元件的变  y 2 结 构 形 式 及 工 作原 理  形情 况 如 图 3 () 所 示 。此 时 R 、R 、R 、R  a 1 2 3 4 电阻均增大,增量 △ R相等。因此第 1 桥路没有  该传感器的结 构形式如 图 1 所示,弹性元件  采 取双悬 臂 梁对称 结构 。A点 为结构刘‘ 中心 ,B 称   点为施 力作 用 点 。为 便 于封 装 保 护 ,应 变 片 粘贴  在悬 臂梁 的 内壁 上 。4只 主 应 变 片 R 、R 、 R 、 l 2 3  输出 ,第 2 桥路有输出。当只有 x轴方向的受力  F 时 ,可将 F 等效地从 B x x 点*移到 A点。用 主  矢 R 主矩 M 等 效 替代 。在 主 矩 M 作 用 下 弹  x和 z z 性元件 的 变 形 情 况 如 图 3 ( )所 示 。此 时 R 、 b 1  R 4的粘 贴位 置如 图所示 。 图 2 它 的测 量 电路原  是 R 3电阻 增 大 ,R 、R 2 4电 阻减 小 。 基 于 结构 上 的  理图。4 只应变片中的 R 、R 接成一个桥路的邻  I 2 对称性 ,电阻增量绝对值相等。因此第 1 桥路有  维普资讯 http://www.cqvip.com ? 5 2O 年 1 月 1 - 06 0   7 农 业 与 技 术  输出,第 2 桥路没有输出。在主矢 R 作用下弹性  x 元件 的变形情况如图 3( )所示。此时 R 、R  c 1 4 电阻减小 ,R 、R 2 3电阻增大。因此第 2 桥路仍没  有输 出。第 1 桥路有输 出但与主矩作用下 的输 出   符号相反。因为弯曲应变 比拉压应变大得多 ,第  1 桥路的输 出不会被抵消。   _.. Rx   图 3 弹 性元 件变 形示意 图  由以上理论分析可知,该传感器能够将被测  力的两个分量确切地分离从而实现同步独立测量。   抗 弯模 量 :W =b26 d/   应变片中点应力应变分别为 :   ( =MI W   3 1 / 3 弹性元件 的设计与计算  £= 'E ( lO 1 / E为材料弹性模量 )   32 主矩 M 作用下工作应力的计算  . z () 1   设计计算要解决的关键问题是寻求一组结构  为简化计算 ,将弹性元件视 为一个 中部受纯  弯矩作用 的等截面连续梁如图 5 所示。应变片 中   心所在截面承受的力矩为… :   尺寸使传感器在两个方向的力转换灵敏度基本一  致。同时在两个分力均达到满量程的工况下 工作  应力在允许值范围内。   3 1 Y方 向受力 时工作应 变的计 算  .  传感器仅受 Y方向作用力 F 的工况下可简化  y 为 一个两 端 固 定 的矩 形 梁 承 受 两个 集 中 力如 图 4   所示。应变片中心所在截面承受的力矩为…:   图 5 Mz 用下 的等 效结构    作 M = z6L 一 I I —1/  2 M E(2 L) . ]4 /0 于是 :0 =M / ' 2   2W  33 主矢 R 作用下工作应力的计算  . x 仍将 弹性元件视为两端 固定 的矩形梁。以左  图4 y  F 作用下的等效结构  M =F ( 2 I 一L) l lL  _ 1 /0   力等 于右段 拉应 力 ,于是 :唧 =R / A   x2   右两段变形量相等为协调条件。所 以,左段压应  其 中 ,F =F/  I y2 34 负载 F 作用下工作应力的计 算  . x 负载 F 的作 用 与 M 、 x x z R 的共 同作 用 等 效 ,   设截面宽度为 b ,厚度为 d ,则截面面积 A=   维普资讯 http://www.cqvip.com V 1 6 N .  0.   o5 2 农  与 技 术  52 3



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