双悬臂梁结构弹性敏感元件的设计与应用.pdf

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1、2010年仪表技术与传感器20lO第l2期InstrumentTechniqueandSensorNo．12双悬臂梁结构弹性敏感元件的设计与应用余伟竞，肖晓天，刘莹，郑华军(1．南昌大学机电工程学院，江西南昌330031；2．江西省交通工程集团公司，江西南昌330038；3．TCL德龙家用电器(中山)有限公司，广东中山528427)摘要：在双叶弹簧基础上设计制作了弹簧钢材料的双悬臂梁弹性敏感元件，并从理论上分析了元件的力学性能。采用有限元分析方法研究了元件受力变形情况，验证了理论分析的准确性和可靠性，最后对元件法向和切向刚度进行了静态标定。结果表明：该元件具有

2、良好的输入输出线性关系；选择性改变悬臂梁的几何参数，可以获得不同灵敏度的弹性敏感元件，可广泛用于各种测微装置。关键词：双悬臂梁；弹性敏感元件；有限元分析；静态标定中图分类号：TH136文献标识码：A文章编号：1002—1841(2010)12—0009—03DesignandApplicationofElastic—sensitiveElementonDoubleCantileverBeamYUWei-jing，XIAOXiao—tian，LIUYing，ZHENGHua~un(1．SchoalofMechanicalandElectricalEngineer

3、ing，NanchangUniversity，Nanchang330o31，China；2．~angxiTrafficEngineeringCorporation，Nanchang33OO3s，China；3．TCLDelonghiHomeAppliance(Zhongshan)Co．，Ltd，Zhongshan528427，China)Abstract：Basedonthedoubleleafspring，aelastic—sensitiveelementofdoublecantileverbeamwasdesignedandmadefromspringst

4、eelmaterials，andthemechanicalpropertiesoftheelementWaSanalyzedintheory．Afterthat，finiteelementanalysismethodWaSusedtostudytheforce—deformationoftheelement．andtoverifytheaccuracyandreliabilityofthetheoreticalanalysis．Thestaticcalibrationwasgivenforthenormalandtangentialstiffnessofthe

5、element．Theresultsshowedthatthedevicehasagoodlinearrelationshipbetweeninputandoutput，andifthegeometricparametersofcantileverbeamarechanged，itcangettheelastic-sensitiveelementwithdifferentsensitivity，SOitcanbewidelyusedinvariousmicrometerdevices．Keywords：doublecantileverbeam；elastic—

6、sensitivelement；finiteelementanalysis；staticcalibration0引言而成，具有良好的力学性能。综合考虑使用环境和加工条件悬臂梁结构作为基本弹性敏感元件，已被广泛应用于制作等因素，在双叶弹簧基础上设计基于双悬臂梁结构的弹性敏感各种应变式传感器。相比之下，双悬臂梁结构在传感器中却很元件，几何结构如图1所示。双悬臂梁与三角块构成测量部少应用“J。单悬臂梁在外力作用下，端部同时产生挠度和转分。元件以弹簧钢60Si：MnA为材料，采用AQ360LSSodick高角，而且其抗扭能力较差。双悬臂梁在外力作用下梁端部近似精度慢走

7、丝线切割机床加工制成，梁长28mm，宽0．3mm，厚平动，并且抗扭刚度显著提高_6J。基于双悬臂梁结构的这些特2mm．性，王建华等“研制出双悬臂梁结构作为弹性敏感元件的应变测量传感器，可广泛用于各种建筑物构件的应变测量。在微纳米摩擦学测试领域中，MSeherge等学者采用光刻玻璃为材料，制作出刚度系数为100N／m和50N／m的双叶弹簧，应用于生物表面微摩擦的测试。S．I．一UAhmed””、A．Toma—lall等学者在双叶弹簧基础上制作出金属材料的弹性敏感元图1弹性敏感元件几何结构件，用于微纳级摩擦力的测量。该文在光刻玻璃双叶弹簧基础2力学特性分析上设计并

8、制作以弹簧钢为材料的双悬臂梁弹性敏感元