应变式称重传感器设计应变式称重传感器设计一、在应变式称重传感器发展使中，有哪些技术创新在结构设计、制造工艺、性能评一、在应变式称重传感器发展使中，有哪些技术创新在结构设计、制造工艺、性能评 定上引起过重大变革？如何理解称重传感器的竞争主要是制造技术、制造工艺的竞争、是定上引起过重大变革？如何理解称重传感器的竞争主要是制造技术、制造工艺的竞争、是 纳入高新技术开发产品和自主知识产权产品的竞争。纳入高新技术开发产品和自主知识产权产品的竞争。 （10 分）分） 答：1、1952 年英国学者 PJackson(杰克逊)首先研制出金属箔式电阻应变计。该应变 计以环氧树脂为基底，采用全新的制造工艺，使其各项性能指标均有较大提高，是电阻应 变计制造技术的突破性进展。应用于负荷传感器较大地提高了准确度和稳定度，促进了负 荷传感器技术的发展。 2、1954 年 SSmYth(史密斯)发现硅和锗半导体效应，其灵敏度系数比金属箔电阻应 变计大 50 陪。1957 年贝尔电话公司在此基础上研制出半导体电阻应变计，并被用于变换 量程结构的负荷传感器和柱式负荷传感器的线性补偿，丰富了负荷传感器的品种，提高了 制造工艺水平。 3、1973 年美国学者 Hollistem(霍格斯特姆)为了克服测量拉伸、压缩、弯曲应力的正 应力负荷传感器的固有缺点，提出了不利用弹性元件的正应力，而利用与弯矩无关的切应 力理论，设计出悬臂梁结构圆截工字形截面切应力负荷传感器，打破了传统的正应力负荷 传感器的一统天下。并以其输出对加载点变化不敏感，同时进行拉、压向加载时灵敏度对 称性好，抗侧向和偏心负荷能力强，结构简单紧凑，尺寸小，重量轻等特点形成了一个新 的发展潮流。 4、1974 年美国学者 Stein(斯坦因)提出用数学模型计算分析负荷传感器弹性元件，推 动了设计技术的发展。德国学者 Edom（埃多姆）利用有限单元法计算分析弹性元件的应力 场，位移场求得最佳化设计，为利用现代科学技术手段计算与设计负荷传感器开辟了新途 径。 5、1978 年我国航天科研部门首先研制成功并实际应用了拉压两用的 S 形切应力负荷 传感器，取得了较为理想的结果。 6、1975 年前后，为满足商业领域零售商品称重计量用电子计价秤的需要，美日等国 研制出测量弯曲应力的平行梁结构负荷传感器。 7、1979 年美国国家标准协会发布了“应变式力传感器的性能指标和试验标准” （ANSI/ISA-S378） ，英国标准化协会（BSI）制定“应变式力传感器的检定规程”,我国机 械和航天工业部分别定制了“应变式力负荷传感器标准” 。 8、20 世纪 80 年代初由美国负责起草了“称重传感器量规程” 。 9、20 世纪 80 年代中期，美国 TOLEDO、STS 和 CARDINAL 公司，德国 HBM 公司等先后 研制出整体和分离型数字智能称重传感器。 10、20 世纪 90 年代以来称重传感器的结构与工艺设计中的拟实技术和虚拟技术；多 品种、大批量生产中的柔性制造技术；生产工艺的实时控制与自动测试的计算机网络技术 等。 制造工艺是称重传感器生产过程中最活跃最积极的因素是研究成果转化为商品的桥梁；制造工艺不公是基础的工艺技术，而是称重传感器生产过程中起核心作用的专业技术；秒重传感器的竞争，主要是制造技术，制造工艺的竞争，因此它是企业的核心竞争技 术。 二、简述应变式称重传感器的主要设计原则。确定额定量程二、简述应变式称重传感器的主要设计原则。确定额定量程 P=30t，许用应变，许用应变=100010-6的的 40CrNiMoA 钢（钢（E=2.1104kg/mm2，=0.3）制圆柱形弹性元件的外径）制圆柱形弹性元件的外径 D，并计算电阻应变计，并计算电阻应变计 K=2、供桥电压、供桥电压 Ui=10V 时的灵敏度。时的灵敏度。 （10 分）分）答：传感器弹性体设计时应遵守以下几原则（1） 、弹性元件应变区受力单一，应力分布均匀；（2） 、支承区尽量形成刚性固定，安装力远离应变区，必要时采取柔性隔离技术； （3） 、加载、承载的压头、压垫设计，应使加载线与弹性元件中心线重合，保证加 载点稳定不变； （4） 、弹性元件的结构和外壳设计应尽量消除或减少力学干扰因素（横向力、弯矩、 扭矩）的影响，把性能波动减至最小； （5） 、若结构条件允许，尽量采取过载保护措施，提高工作的安全可靠性； （6） 、弹性元件应变区贴片处应开敞便于贴片作业,贴片表面尽量为平面并容易安装加 压固化夹具； （7） 、弹性元件粘贴电阻应变计处便于防护密封作业，焊接膜片的钢度及焊接坡口设 计合理，保证密封质量； （8） 、在结构设计的同时应考虑制造工艺，作到设计为可制造服务； （9） 、在结构设计时还应考虑可靠性，即称重传感器的可靠性设计就是考虑可靠性的 称重传感器设计； （10） 、工艺设计应有利于大批量生产和工艺流程网络化的统计制程管理。解：弹性元件的截面积计算 由 =P/A 得 A=P/ 在许用应变下的应力为 =E，则A=P/ E=30000/(2.1104100010-6)=1428.57mm2 由 A=D2/4 得弹性元件的直径为D=(4A/)1/2=(41428.57/3.1416) 1/2=42.65mm 其轴向应力为= P/A=4P/D2=430000/3.141642.652=20.999kg/ mm2 轴向应变 L为L= / E=20.999/2.1104=999.9510-6 将应变计组成电桥，则电桥的指示应变为=2（1+）L=2（1+0.3）999.9510-6=260010-6电桥的输出电压为UO=KUi/4=2260010-610/4=1310-3=13mV灵敏度S= UO/Ui=13/10=1.3 mV/V 三、分析双孔平行梁结构弹性元件的力学特性和非直面方向受力（端面力、横向力、三、分析双孔平行梁结构弹性元件的力学特性和非直面方向受力（端面力、横向力、 扭矩力）的影响。简述平行梁弹性元件偏载误差产生原因和修正方法。扭矩力）的影响。简述平行梁弹性元件偏载误差产生原因和修正方法。 （10 分）分） 答：1、M2-M1=（L+L1）P-L1P=LP 说明了弯矩差与加载点到应变截面的距离 L1无关， 而与两个应变截面之间扔距离 L 有关。证明了不变弯矩原理，得出下列结论：（1）输出 对加载点变化不敏感；（2）两应变截面距离 L 是输出的放大系数；（3）改变应变截面的 面积可调整输出的大小；（4）承受拉、压向载荷时，输出一致性好。 2、平行梁式称重传感器组装的电子称，在称量时物体的重量过称盘传递给称重传感器， 由于每次称量物体的放置位置彼此不同，因此产生偏载并在应变区粘贴电阻应变计处引起 附加应变，使称重传感器的输出产生误差，通常称为偏载误差。 3PL 修正方法：平行梁弹性元件应变区的应变为：= 2bh2E根据上式，我们可以将不管什么因素引起的偏载误差，都归结为应变区每片电阻应变 计处截面尺寸 b、h 的不一致造成的。只要对截面尺寸 b、h 进行微量调整，即可修正偏载 误差。 四、分析切应力称重传感器的力学特性。推导额定量程为四、分析切应力称重传感器的力学特性。推导额定量程为 P 的工字形载面（高度的工字形载面（高度 H、 宽度宽度 B、盲孔直径、盲孔直径 h、腹板厚度、腹板厚度 b）悬臂剪切梁型称重传感器的剪切应力、剪应变，主应力、）悬臂剪切梁型称重传感器的剪切应力、剪应变，主应力、 主应变和灵敏度计算公式。主应变和灵敏度计算公式。 （10 分）分） 答：1、剪切式称重传感器弹性元件的应变区，是受纯剪切的平面应力状态，在平面应 力状态下，主应力平面（剪应力为零的平面）与最大主剪应力平面（反向应力为零的平面） 互相呈 45夹角。从而才能确认在与中性轴呈 45方向粘贴电阻应变计时，可以测量出由 剪应力产生的拉、压成双的两个主应变，并以此完成称重任务。 2、剪力Q= + P 剪切截面对中性轴的静矩B（H2-h2）+bh2SY= 8剪切截面对中性轴的惯性矩B（H3-h3）+bh3JY= 12 利用茹拉夫斯基公式，截面的剪应力、剪彩应变为QS 3P B（H2-h2）+bh2max= JY b = 2 b B（H3-h3）+bh3max 3（1+）P B（H2-h2）+bh2 max = 2 = bE B（H3-h3）+bh3 与中性轴成 45方向 的主应力、主应变为+45= +max= + 3P B（H2-h2）+bh22 b B（H3-h3）+bh3maxmax = + 2 = + 3（1+）P B（H2-h2）+bh22bE B（H3-h3）+bh3电桥输出电压为UO=K+45Ui 灵敏度为S= UO/Ui= K+45= 3（1+）KP B（H2-h2）+bh22bE B（H3-h3）+bh3五、说明应变式称重传感器灵敏度温度误差产生的原因、误差性质和补偿原理。为什五、说明应变式称重传感器灵敏度温度误差产生的原因、误差性质和补偿原理。为什 么必须对灵敏度温度补偿电阻么必须对灵敏度温度补偿电阻 RMt进行线性化调整？如何调整？（进行线性化调整？如何调整？（10 分）分） 答：1、温度升高，弹性模量降低，使输出灵敏度增加而产生误差；2、称重传感器灵敏度温度误差是系统误差；3、补偿原理：在温度升高弹性模量降低，输出增大的同时使 UAC也与之成比例 的减小，操持 Ui与 UAC比值不变，则 S 不变； 4、在对称重重传感器进行灵敏度温度补偿时，会出现在电桥供桥回路串入电阻 RMt 后， 输出特性曲线发生很大变化，给精确补偿造成很大困难，甚至无法补偿与调整。所以必须对灵敏度温度补偿电阻 RMt进行线性化调整； 5、给 RMt并联一个高精度、低温度系数的金属膜电阻 RP，来改善 RMt的非线性。