资源描述：
《板环式测力称重传感器的cad_分析与设计_马德毅》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。
1、¹板环式测力称重传感器的CAD—分析与设计马德毅王雅萍朱目成(机械工程系绵阳621002)摘要本文以板环式测力称重传感器敏感元件的特性参数,外形尺寸,应变材料强度的数学建模为目标,以图1结构为例讨论和计算了这种结构形态下的应力场和应变场,并对其进行了优化设计。关键词:测力称重传感器敏感元件建模º中图法分类号:122,TP302.10引言传感器的设计一般是建立在解析计算的基础上,通过其简化模式,得到传感器敏感元件的大致尺寸,这对于传感器的初步设计是很必要的。然而,由于解析计算法忽略了许多因素,无法精确确定应变元件的位置和贴片方向。因此,若要对传感器
2、进行最佳设计,就需要采用更精确的计算模型和计算方法。有限元法是用来分析各种结构问题的强有力工具,无论几何开关和支撑条件多么复杂以及材料性质和外载荷如何多变,使用有限元法均可以获得圆满的答案。本文引入有限元法对图1所示模式的传感器进行优化设计,在此之前我们已对悬臂梁式、平行梁式、柱式等结构进行过优化设计,并取得了较好的检验效果。图1所示用于便携式智能称重秤上拟采用的测力元件。对于这类传感器,宽度W由于实际安装条件确定的,因而内径d和膜厚,变形度是影响传感器性能的关键因素,为此,我们对其在四种边界条件下进行了计算,确定了最优尺寸、最佳参数和最佳贴片位
3、置,取得了较为满弹性体结构应变分布意的结果。图1弹性体结构1参数1.1材料对40Cr、30CrMnSi、60CrMnSi、18NiCrMn、四种合金材料进行计算分析,最终选用60CrMnSi。该合金具有强度高、弹性模量变化小,屈服极限Rs=1090MPa在承受缓慢的静力加载至突然冲击加载时,弹性模量的变化不超过0.32%,弹性模量E=2.1×105MPa。1.2灵敏度、许用应力R灵敏度设定为S=2.5mv/v,应变片灵敏系数k=2.5根据应力状态及应变状态分析可知从一矩形体中分割出一个圆柱体形成的空圆表面上的正应力为R。¹收稿日期:1997-03
4、-25º西南工学院科学基金资助项目18西南工学院学报1997年许用应力R=316.90MPa2基本数学模型及计算方法2.1传感器的输出灵敏度(mv/v)3F(d-h)3S=õ2õK×10(1)46hõE2.2固有频率(HZ)f。=97.343h(E/Q)1/2(2)d22.3传感器贴片区应变(LE):3F(d-h)2E1=E3=3/2õ2(1-)(3)PõbhEP-3F(d-h)E2=E4=2(4)PõbhE由于结构的几何尺寸、材料性质及外载沿旋转方向没有变化,可以简化为轴对称问题,图2为沿A—O—B纵向剖面表示的计算模型,对称轴为Z轴,根据实际
5、承载情况,下部支撑面的边界条件设定为Uz=0,即为简支约束。整个结构划分为215个元素,256个节点。所用元素是八节点的矩形元素。根据解析法获得的敏感元件的大致尺寸范围作为计算初值,设定:b=5.5～6.5mmK=2.0～2.55E=2.1×10MPaF=100N3Q=7.81g/cm[f0]=400Hz～500Hz[S]=2.0mv/v～2.5mv/v3计算结果通过计算可以得到各个节点的弯矩以及应力、应变值。由计算可知,图2有限元网格划分整个敏感元件承受正应力的最大值发生在元素1处,该点承受的是压应力,该计算同时表明,在A-A′断面具有最大弯矩
6、值B-B′断面处与A-A′断面处有方向相反的轴向最大弯矩值。由圆周表面弯矩M分布可以看出近似为对称性,中轴与几何对称轴基本重合,而且,最大正、负弯矩值不相等,靠近加载面的最大正应力值(最大弯矩值)和B-B′断面处为应变片的理想贴片位置,并且对称性好,同时应尽量避免应力集中点。根据有限元的计算结果,AA′、BB′内表面为理想的贴面,在b=6.00mm,h=1.00mm,d=20.3mm时为最优设计,应该注意的是,贴片时需考虑应力集中点对测量准确度会有一定影响。通过计算还可以得到如下关系:膜厚的变化,直径d与宽度W的比值d/W对弯矩M的影响较大,d/
7、W比值为≈0.95时为最优参数,比值增大或减小对各个参数均有较大影响,按上述计算值制作的实验品其线性度≤0.03%F·S,灵敏度系数2.5mv/v,固有频率400Hz。4应变测量电路用应变进行测量时,要知道的只是应变片受应变时的电阻变化。通常采用应变片组成桥式电路(惠斯登电桥),将应变引起的电阻变化转换成电压变化来进行测量。为了改善其性能,特别是改善温度特性,一般要在应变片电路中附加对零点和灵敏度的温度补偿,目的是尽量减小电桥零点随温度的变化。因此,除应变片本身的温度自补偿外,又接入了电阻温度系数和电桥中应变片的温度系数不同的电阻元件(一般为铜电
8、阻或镍电阻),以加强补偿作用。灵敏度补偿的目的是减小输出电压随温度的变化,即补偿弹性体的弹性系数和应变片的灵敏度系数随温度的变化。第3期
