1 前言

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步, 工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化、智能化水平的提高, 動(dòng)態(tài)稱重及應(yīng)變式稱重傳感器被廣泛應(yīng)用。動(dòng)態(tài)稱重時(shí), 被測(cè)物體的質(zhì)量少數(shù)是變化的, 例如電子皮帶秤所稱量的物料, 多數(shù)是恒定的。因此對(duì)動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)瞬態(tài)特性的要求可以放寬些, 只要在允許的稱重時(shí)間內(nèi)能夠達(dá)到穩(wěn)態(tài), 準(zhǔn)確的測(cè)量出重量即可。對(duì)于稱重傳感器而言, 最重要的機(jī)械部分是彈性元件, 因此, 彈性元件的結(jié)構(gòu)合理, 材料穩(wěn)定以及最低限度的滯后, 對(duì)稱重傳感器的準(zhǔn)確度起著至關(guān)重要的作用。

2 彈性元件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求

為了保證線性的載荷關(guān)系, 彈性元件應(yīng)該是一個(gè)整體結(jié)構(gòu), 因?yàn)楦鬟B接件之間的位移都可以引起非線性和離散性。連接、摩擦接觸、緊固或任何非整體狀態(tài)都成為潛在的問(wèn)題, 所以最好的設(shè)計(jì)是沒(méi)有運(yùn)動(dòng)部件的整體結(jié)構(gòu)。彈性元件應(yīng)有足夠的熱轉(zhuǎn)換以防止電阻應(yīng)變計(jì)自熱, 如果其溫度比彈性元件高, 那怕只差0.1℃, 就可能難以達(dá)到穩(wěn)定的性能。在電阻應(yīng)變計(jì)和補(bǔ)償電阻面積上的任何溫度梯度, 都能引起零點(diǎn)溫度漂移或標(biāo)定結(jié)果的變化。

在設(shè)計(jì)彈性元件時(shí), 首先要考慮彈性元件的固有頻率

2.1 固有頻率

所謂固有頻率, 就是能達(dá)到彈性元件本身最高的頻率。為使振動(dòng)對(duì)靈敏度的影響減至最小, 固有頻率應(yīng)盡量高, 即要求彈性元件結(jié)構(gòu)具有較大的剛度和較小的質(zhì)量。

圓柱式彈性元件是典型的沒(méi)有多余部件的整體結(jié)構(gòu), 其固有振動(dòng)頻率f0為

式中:L—圓柱式彈性元件的長(zhǎng)度 (m) ;

E—彈性元件材料的彈性模量;

A—彈性元件的橫向截面積;

m—彈性元件單位長(zhǎng)度的質(zhì)量 (kg/m) 。

用彈性元件的質(zhì)量和長(zhǎng)度表示單位長(zhǎng)度的質(zhì)量, 經(jīng)進(jìn)一步變換后, 得m=Aρ

式中ρ為彈性元件材料的密度。將m和π代入上式, 得

例如:20t圓柱結(jié)構(gòu)壓式稱重傳感器, 彈性元件的高度L=100mm=0.1m;彈性元件材料40CrNiMoA的彈性模量E=2.1×104kg/mm2=2.1×107t/m2;彈性元件材料的密度ρ=7.85t/m3。固有頻率為

2.2 在額定載荷下應(yīng)變區(qū)應(yīng)有合適的應(yīng)變水平

在額定載荷作用下, 彈性元件應(yīng)變區(qū)的應(yīng)變水平, 對(duì)稱重傳感器的線性、滯后、蠕變和疲勞壽命都有較大影響。這里說(shuō)的應(yīng)變水平, 實(shí)際上是保證應(yīng)變穩(wěn)定并與載荷成較嚴(yán)格線性關(guān)系的應(yīng)變范圍, 它與彈性元件所用的材料密切相關(guān)。綜合考慮, 一般應(yīng)變水平在1000με～1700με范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整, 以1000με～1200με為最佳, 保證稱重傳感器的靈敏度為2mV/V。

2.3

彈性元件整體結(jié)構(gòu)且最好不要焊接, 因?yàn)闅堄鄳?yīng)力影響和焊接后將降低疲勞壽命, 并助長(zhǎng)了微塑性性能。

2.4 彈性元件撓度

彈性元件任何幾何形狀的變化必然地伴隨著出現(xiàn)一定程度的非線性響應(yīng), 因此, 彈性元件必須是小變形。彈性元件剛度大不僅對(duì)提高固有頻率有益, 而且也有助于把幾何形狀變化引起的非線性減至最小。

2.5 溫度 (即熱效應(yīng)) 的考慮

粘貼在彈性元件上的電阻應(yīng)變計(jì)是一發(fā)熱源, 當(dāng)熱傳導(dǎo)到彈性元件其它部分時(shí), 不應(yīng)在其工作區(qū)域產(chǎn)生溫度梯度, 而影響稱重傳感器的工作特性。因此設(shè)計(jì)彈性元件結(jié)構(gòu)時(shí), 電阻應(yīng)變計(jì)粘貼區(qū)域應(yīng)具有熱傳導(dǎo)對(duì)稱的性質(zhì), 以降低溫度梯度。此外, 彈性元件產(chǎn)生軸向應(yīng)變的同時(shí)發(fā)生著體積的變化, 在絕熱條件下, 這種體積變化會(huì)導(dǎo)致溫度的變化ΔT, 從熱力學(xué)定律可導(dǎo)出:

式中:E———彈性模量;

T———試件溫度;

α———線膨脹系數(shù);

C—比熱;

ρ—比重;

Δε—應(yīng)變的變化量。

載荷的突變同時(shí)引起彈性元件應(yīng)變區(qū)溫度變化ΔT, 由于溫度要向應(yīng)變小的兩頭傳導(dǎo), 彈性元件會(huì)趨于一個(gè)新的熱平衡, 因此ΔT隨著時(shí)間而減小。這種導(dǎo)致與室溫發(fā)生偏差的應(yīng)變損耗, 根據(jù)彈性元件的應(yīng)變梯度及其材料的熱傳導(dǎo)勢(shì)的不同而要持續(xù)數(shù)秒至數(shù)分鐘。絕熱溫度變化通過(guò)熱膨脹系數(shù)引起彈性元件體積變化。應(yīng)用上式計(jì)算初始彈性元件發(fā)熱效應(yīng)ΔT的量值, 并與彈性元件上熱敏元件的指示值進(jìn)行比較, 其ΔT的理論計(jì)算值與實(shí)際測(cè)量值相差不超過(guò)7%。

以上幾點(diǎn)是進(jìn)行彈性元件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需要注意的, 想要保證彈性元件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理, 還需要進(jìn)一步的進(jìn)行三維建模和仿真, 分析和數(shù)據(jù)處理, 使得性能波動(dòng)最小。

3 彈性元件的材料選擇

隨著稱重傳感器技術(shù)的發(fā)展, 對(duì)彈性元件金屬材料提出了一些新要求, 概括起來(lái)就是制造彈性元件的結(jié)構(gòu)材料應(yīng)盡量具有功能材料的特點(diǎn)。即在性能上, 對(duì)稱重傳感器的特性起舉足輕重的作用;在應(yīng)用上, 制成彈性元件后, 實(shí)際上是材料與敏感元件一體化;在對(duì)材料的評(píng)價(jià)上, 是以彈性元件形式對(duì)其性能進(jìn)行評(píng)價(jià), 稱重傳感器性能直接體現(xiàn)材料的優(yōu)劣;在制造上, 對(duì)成分、冶煉、鍛造、淬火、回火工藝要求嚴(yán)格, 并盡量少產(chǎn)生殘余應(yīng)力。彈性元件應(yīng)變穩(wěn)定性與金屬材料的性能密切相關(guān), 從粘貼在彈性元件上電阻應(yīng)變計(jì)電阻的相對(duì)變化即可看出。其電阻應(yīng)變計(jì)電阻的相對(duì)變化為:

式中:εR———電阻應(yīng)變計(jì)電阻的相對(duì)變化;

C———應(yīng)變利用系數(shù);

K———電阻應(yīng)變計(jì)的靈敏系數(shù);

ε———彈性元件的彈性應(yīng)變。

由式可見(jiàn), 提高彈性元件應(yīng)變的穩(wěn)定性是提高稱重傳感器整體穩(wěn)定性的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。因此, 彈性元件金屬材料不僅是結(jié)構(gòu)材料而且還應(yīng)具有功能材料的特點(diǎn)。兼顧機(jī)械性能、熱傳導(dǎo)性能、工藝性能。目前國(guó)內(nèi)外應(yīng)用最多的是2A12硬鋁合金, 強(qiáng)度高、耐熱性好且易于時(shí)效處理。

結(jié)束語(yǔ):本文介紹了稱重傳感器彈性元件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì), 希望對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)人員提供一定參考, 也可以幫助讀者了解稱重傳感器的相關(guān)設(shè)計(jì)。