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标题: 测力传感器设计的应力集中原则 [打印本页]

作者: sunefull123 时间: 2009-1-6 15:37
标题: 测力传感器设计的应力集中原则
测力传感器设计的应力集中原则

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一、概述

对于电阻应变片式测力传感器（以下简称“测力传感器”）来说，弹性体的结构形状与相关尺寸对测力传感器性能的影响极大。可以说，测力传感器的性能主要取决于其弹性体的形状及相关尺寸。如果测力传感器的弹性体设计不合理，无论弹性体的加工精度多高、粘贴的电阻应变片的品质多好，测力传感器都难以达到较高的测力性能。因此，在测力传感器的设计过程中，对弹性体进行合理的设计至关重要。

弹性体的设计基本属于机械结构设计的范围，但因测力性能的需要，其结构上与普通的机械零件和构件有所不同。一般说来，普通的机械零件和构件只须满足在足够大的安全系数下的强度和刚度即可，对在受力条件下零件或构件上的应力分布情况不必严格要求。然而，对于弹性体来说，除了需要满足机械强度和刚度要求以外，必须保证弹性体上粘贴电阻应变片部位（以下简称“贴片部位”）的应力（应变）与弹性体承受的载荷（被测力）保持严格的对应关系；同时，为了提高测力传感器测力的灵敏度，还应使贴片部位达到较高的应力（应变）水平。

由此可见，在弹性体的设计过程中必须满足以下两项要求：

（1）贴片部位的应力（应变）应与被测力保持严格的对应关系；

（2）贴片部位应具有较高的应力（应变）水平。

为了满足上述两项要求，在测力传感器的弹性体设计方面，经常应用“应力集中”的设计原则，确保贴片部位的应力（应变）水平较高，并与被测力保持严格的对应关系，以提高所设计测力传感器的测力灵敏度和测力精度。

二、改善应力（应变）不规则分布的“应力集中”原则

在机械零件或构件的设计过程中，通常认为应力（应变）在零件或构件上是规则分布的，如果零件或构件的截面形状不发生变化，不必考虑应力（应变）分布不规则的问题。其实，在机械零件或构件的设计中，对于应力（应变）不规则分布的问题并非不予考虑，而是通过强度计算中的安全系数将其包容在内了。

对于测力传感器来说，它是通过电阻应变片测量弹性体上贴片部位的应变来测量被测力的大小。若要保证贴片部位的应力（应变）与被测力保持严格的对应关系，实际上就是保证在测力传感器受力时，弹性体上贴片部位的应力（应变）要按照某一规律分布。在实际应用中，对于弹性体贴片部位应力（应变）分布影响较大的因素主要是弹性体受力条件的变化。

弹性体受力条件的变化是指当弹性体受力的大小不变时，力的作用点发生变化或弹性体与其相邻的加载构件和承载构件的接触条件发生变化。如果在弹性体结构设计时，未能考虑这一情况，就可能造成弹性体上应力（应变）分布的不规则变化。这方面最典型的实例是筒式测力传感器。为了减小由于弹性体受力条件的变化引起的测力误差，有些传感器设计者采取在筒式测力传感器弹性体上增加贴片数量的方法，尽可能将弹性体上贴片部位圆周上应力（应变）分布不均匀的情况测量出来。这样的处理方法有一定的效果，可以减小弹性体受力条件的变化引起的测力误差。但这种方法毕竟是一种被动的方法，增加的贴片数量总是有限的，还是很难把弹性体上贴片部位圆周上应力（应变）分布不均匀的情况全部测量出来，测力误差减小的程度不够显著。

由于弹性体受力条件的变化引起的测力误差的实质是弹性体贴片部位圆周上的应力（应变）的不规则分布，如果能使弹性体贴片部位圆周上的应力（应变）分布受到一定条件的约束，迫使贴片部位的应力（应变）按照某一规律分布，因而使得弹性体贴片部位的应力（应变）与被测力基本保持严格的对应关系，由此来减小因弹性体受力条件的变化引起的测力误差。

用上述方法对筒式测力传感器进行改进。改进前的普通筒式传感器测力误差大于1% F.S.，改进后（局部挖空）的筒式传感器测力误差为0.1~0.3%F.S.，测力精度明显提高。

三、提高应力（应变）水平的应力集中原则

若要测力传感器达到较高的灵敏度，通常应该使电阻应变片有较高的应变水平，即在弹性体上贴片部位应该有较高的应力（应变）水平。

实现弹性体上贴片部位达到较高应力（应变）水平有两种常用的方法：

（1）整体减小弹性体的尺寸，全面提高弹性体上的应力（应变）水平；

（2）在贴片部位附近对弹性体进行局部削弱，使贴片部位局部应力（应变）水平提高，而弹性体其它部位的应力（应变）水平基本不变。

以上两种方法都可以提高贴片部位的应力（应变）水平，但对弹性体整体性能而言，局部削弱弹性体的效果要远好于整体减小弹性体尺寸。因为局部削弱弹性体既能提高贴片部位的应力（应变）水平，又使得弹性体整体保持较高的强度和刚度，有利于提高传感器的性能和使用效果。

局部削弱弹性体提高贴片部位应力（应变）水平的原理是：通过局部削弱弹性体，造成局部的应力集中，使得应力集中部位的应力（应变）水平明显高于弹性体其它部位的应力水平，将电阻应变片粘贴于应力集中部位，就可以测得较高的应变水平。

局部应力（应变）集中的方法在测力传感器的设计中经常被采用，尤其在梁式测力传感器（如弯曲梁式和剪切梁式测力传感器）的弹性体设计中被广泛应用。局部应力（应变）集中方法应用较为成功的当数剪切梁式测力传感器。剪切梁式测力传感器是通过检测梁式弹性体上的剪应力（剪应变）实现测力的。

对于梁形构件来说，其弯曲强度是主要矛盾。在一个梁满足弯曲强度的情况下，剪切强度一般裕量较大。当在中性层附近挖盲孔后，该截面上腹板上的剪应力（剪应变）明显提高，然而该截面上的弯曲应力提高很小。因此，剪切梁式弹性体应用局部应力集中方案后，被检测的剪应变大大提高，使该测力传感器的灵敏度显著提高，而对整个梁的弯曲强度影响很小，使整个梁保持了良好的强度和刚度。

四、小结

在测力传感器的设计过程中，如能自觉地按照上述两种应力集中的原则，对弹性体进行结构设计，就能够收到提高测力传感器的测力精度和测力灵敏度的良好效果。灵活、恰当地运用应力集中的原则，对于设计和生产高性能的测力传感器具有重要的实用意义

作者: sunefull123 时间: 2010-1-20 10:42
光栅尺、数显表、编码器、长度测量、位移测量、缝隙测量、高度测量、深度测量、角度测量、坐标测量、转角测量。
目前在精密机加工和精密位移测量时常采用光栅尺做为测量传感器，其后面直接接入二次仪表，或数控系统进行位移测量。测量的精度主要有传感器精度决定。
随着电子技术和单片机技术的发展，光栅传感器在位移测量系统将得到更广泛应用，并逐步向智能化方向转化。该测量系统采用光栅移动产生的莫尔条纹与电子电路相结合来完成对位移量的自动测量，它具有判别光栅移动方向、预置初值、实现自动定位控制及过限报警、自检和掉电保护以及误差修正等功能。下面对该系统的工作原理和应用作以介绍。

1、光栅尺定义：
光栅尺通过摩尔条纹原理，通过光电转换，以数字方式表示线性位移量的高精度位移传感器。光栅线位移传感器主要应用于直线移动导轨机构，可实现移动量的精确显示和自动控制，广泛应用于金属切削机床加工量的数字显示和CNC加工中心位置环的控制。该产品已形成系列，供不同规格的各类机床选用，量程从50毫米至30米，覆盖几乎全部金属切削机床的行程。
2、光栅尺分类如下：
5V，12V，15V，24V的方波，细分尺，正弦尺，也有专为火花机提供的抗干扰能力强的正反码信号尺，及与电脑数控机床相连的高功率光栅尺。
结构分宽尺和窄尺两种。窄尺最长可做1米，宽尺30米内任选。
另外可分为敞开式和封闭式两类。其中敞开式为高精度型，输出波型为正弦波，主要用于精密仪器的数字化改造最高分辨率可达０.１um。封闭式则主要用于普通机床、仪器的数字化改造，输出波型为方波。
3、光栅尺主要应用:
1、各类测量机构、仪器的位移测量(弹簧试验机、三坐标机、投影仪等）
2、各类机床的数显系统（车床、铣床、磨床、镗床、电火花、钻床等）
3、各类数控机床的配套使用（数控铣、加工中心、数控磨床等）
4、配接PLC,用于各类自动化机构的位移测量.　
4、电子细分与判向电路
光栅测量位移的实质是以光栅栅距为一把标准尺子对位称量进行测量。目前高分辩率的光栅尺一般造价较贵，且制造困难。为了提高系统分辩率，需要对莫尔条纹进行细分，本系统采用了电子细分方法。当两块光栅以微小倾角重叠时，在与光栅刻线大致垂直的方向上就会产生莫尔条纹，随着光栅的移动，莫尔条纹也随之上下移动。这样就把对光栅栅距的测量转换为对莫尔条纹个数的测量，同量莫尔条纹又具有光学放大作用，其放大倍数为
（1）
式中：W为莫尔条纹宽度；d为光栅栅距（节距）；θ为两块光栅的夹角，rad
在一个莫尔条纹宽度内，按照一定间隔放置4个光电器件就能实现电子细分与羊向功能。本系统采用的光栅尺栅线为50线对/mm，其光栅栅距为0.02mm，若采用四细分后便可得到分辩率为5μm的计数脉冲，这在一般工业测控中已达到了很高精度。由于位移是一个矢量，即要检测其大小，又要检测其方向，因此至少需要两路相位不同的光电信号。为了消除共模干扰、直流分量和偶次谐波，我们采用了由低漂移运放构成的差分放大器。由4个滏电器件获得的4路光电信号分别送到2只差分放大器输入端，从差分放大器输出的两路信号其相位差为π/2，为得到判向和计数脉冲，需对这两路信号进行整形，首先把它们整形为占空比为1：1的方波，经由两个与或非门74LS54芯片组成的四细分判向电路输入可逆计数器，最后送入由8031组成的单片机系统中进行处理。
5、显示仪表
SF-600型位移、角度控制器是一个六位显示、控制的位移、角度控制显示模块，可广泛应用于工业控制领域。该控制器与高分辨率的光栅尺和编码器都可以配套使用，带有倍频功能，同时该仪表可以带有两路继电器输出，在显示的同时可有效的进行控制。
六位数码显示，显示精度可到1U
两路输出，有效进行行程控制和报警
工作电压： 220V AC，输出12V DC、5V DC
可接收编码器、光栅尺、接近开关等多种传感器输入
掉电保存当前值、带有倍频功能、可存储最大峰值
信号最大输入频率：100K
机床改造或多功能机床测量可用多功能表
6、总结
目前，我们研制的光栅传感器分辨率可以到1U，进行长度、角度自动测量的智能仪表已形成系列产品，分辩率可从20μm到1μm，角度从1度-0.01度，具有性能稳定、抗干扰能力强、体积小、结构紧凑、成本低等优点，已成功地应用于机床改造和相关的位置检测系统中。

专业生产编码器光栅电子尺，王13561832937 QQ357435424

作者: sunefull123 时间: 2010-1-20 10:43
试验机采用高精度光电编码器，实现高的位移分辨率。高精度传感器的自动跟踪式大变形测量装置，实现对某些材料大变形的测量。高精度数字交流伺服器，保证传动系统的高效、平稳、宽范围进行，保证速度精度。高精度传感器，配以高稳定性。高精度测量系统，实现全程准确测量。可与PC机相连实现更强的试验功能(结果分析与处理,曲线生成,试验报告等)

在工业控制领域，编码器以其高精度、高分辨率和高可靠性而被广泛用于各种位移测量。
目前，应用最广泛的是利用光电转换原理构成的非接触式光电编码器。光电编码器是一种集光、机、电为一体的数字检测装置。作为一次光电传感检测元件的光电编码器，具有精度高、响应快、抗干扰能力强、性能稳定可靠等显著的优点。按结构形式可分为直线式编码器和旋转式编码器两种类型。

图
图l所示为旋转编码器的基本原理：主轴与两块圆光栅盘相连，光射入并通过该光栅时，分别用两个光栅面感光。由于两个感光面具有90度的相位差。因此将该输出输入数字加减计算器，就能以分度值来表示角度。
旋转编码器主要由光栅、光源、检读器、信号转换电路、机械传动等部分组成。从光电编码器的输出信号种类来划分，可分为增量式和绝对值式两大类，其中绝对值式又分为单圈和多圈两种。

专业生产增量旋转光电编码器及光栅尺，王13561832937 QQ357435424

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