1 前言

隨著科學(xué)技術(shù)的進步, 工業(yè)生產(chǎn)自動化、智能化水平的提高, 動態(tài)稱重及應(yīng)變式稱重傳感器被廣泛應(yīng)用。動態(tài)稱重時, 被測物體的質(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。因此對動態(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間內(nèi)能夠達到穩(wěn)態(tài), 準(zhǔn)確的測量出重量即可。對于稱重傳感器而言, 最重要的機械部分是彈性元件, 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)計要求

為了保證線性的載荷關(guān)系, 彈性元件應(yīng)該是一個整體結(jié)構(gòu), 因為各連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)都成為潛在的問題, 所以最好的設(shè)計是沒有運動部件的整體結(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℃, 就可能難以達到穩(wěn)定的性能。在電阻應(yīng)變計和補償電阻面積上的任何溫度梯度, 都能引起零點溫度漂移或標(biāo)定結(jié)果的變化。

在設(shè)計彈性元件時, 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, 就是能達到彈性元件本身最高的頻率。為使振動對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有多余部件的整體結(jié)構(gòu), 其固有振動頻率f0為

式中:L—圓柱式彈性元件的長度 (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—彈性元件單位長度的質(zhì)量 (kg/m) 。

用彈性元件的質(zhì)量和長度表示單位長度的質(zhì)量, 經(jīng)進一步變換后, 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。這里說的應(yīng)變水平, 實際上是保證應(yīng)變穩(wěn)定并與載荷成較嚴格線性關(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, 因為殘余應(yīng)力影響和焊接后將降低疲勞壽命, 并助長了微塑性性能。

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)變計是一發(fā)熱源, 當(dāng)熱傳導(dǎo)到彈性元件其它部分時, 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)計彈性元件結(jié)構(gòu)時, 電阻應(yīng)變計粘貼區(qū)域應(yīng)具有熱傳導(dǎo)對稱的性質(zhì), 以降低溫度梯度。此外, 彈性元件產(chǎn)生軸向應(yīng)變的同時發(fā)生著體積的變化, 在絕熱條件下, 這種體積變化會導(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), 彈性元件會趨于一個新的熱平衡, 因此ΔT隨著時間而減小。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)勢的不同而要持續(xù)數(shù)秒至數(shù)分鐘。絕熱溫度變化通過熱膨脹系數(shù)引起彈性元件體積變化。應(yīng)用上式計算初始彈性元件發(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行比較, 其ΔT的理論計算值與實際測量值相差不超過7%。

以上幾點是進行彈性元件結(jié)構(gòu)設(shè)計時需要注意的, 想要保證彈性元件的結(jié)構(gòu)設(shè)計合理, 還需要進一步的進行三維建模和仿真, 分析和數(shù)據(jù)處理, 使得性能波動最小。

3 彈性元件的材料選擇

隨著稱重傳感器技術(shù)的發(fā)展, 對彈性元件金屬材料提出了一些新要求, 概括起來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。即在性能上, 對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, 實際上是材料與敏感元件一體化;在對材料的評價上, 是以彈性元件形式對其性能進行評價, 稱重傳感器性能直接體現(xiàn)材料的優(yōu)劣;在制造上, 對成分、冶煉、鍛造、淬火、回火工藝要求嚴格, 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)變計電阻的相對變化即可看出。其電阻應(yīng)變計電阻的相對變化為:

式中:εR———電阻應(yīng)變計電阻的相對變化;

C———應(yīng)變利用系數(shù);

K———電阻應(yīng)變計的靈敏系數(shù);

ε———彈性元件的彈性應(yīng)變。

由式可見, 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。兼顧機械性能、熱傳導(dǎo)性能、工藝性能。目前國內(nèi)外應(yīng)用最多的是2A12硬鋁合金, 強度高、耐熱性好且易于時效處理。

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