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雙剪切梁式稱重傳感器滯后誤差分析

2009年05月16日 16:02:02人氣：1536來(lái)源：煙臺(tái)勾股通信技術(shù)有限公司

摘要：雙剪切梁式稱重傳感器（橋式稱重傳感器）在料斗、料倉(cāng)、料罐吊車、地中衡、軌道衡等稱重系統(tǒng)得到廣泛利用。由于這種傳感器的彈性體與底座之間采用螺栓聯(lián)結(jié)，彈性體與底座以及彈性體與螺母之間的接觸將對(duì)傳感器的滯后特性產(chǎn)生重大影響。本文將通過(guò)有限單元建模的方法對(duì)雙剪切梁式稱重傳感器的滯后特性進(jìn)行研究。研究結(jié)果表明，彈性體的結(jié)構(gòu)參數(shù)以及接觸面的摩擦系數(shù)對(duì)傳感器滯后有明顯的影響。

關(guān)鍵詞：稱重傳感器；滯后特性；有限元分析

中圖分類號(hào)：O212.6 O241.82 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-883X（2006）04-0035-03

一、引言

稱重傳感器的滯后是指載荷從零點(diǎn)以單調(diào)遞增的方式加載時(shí)與載荷從額定載荷以單調(diào)遞減的方式卸載時(shí)，在相同的載荷值條件下，傳感器的輸出值存在差值。滯后通常以這個(gè)差值對(duì)稱重傳感器滿量程輸出的百分比率表示。

對(duì)于大多數(shù)稱重傳感器來(lái)說(shuō)，產(chǎn)生滯后的原因是多方面的。其中除了各種原材料及粘結(jié)劑的滯后、彈性體的局部塑性變形以外，稱重傳感器彈性體與其它構(gòu)件之間接觸面的滑動(dòng)也是造成滯后不可忽視的因素。

雙剪切梁式稱重傳感器的彈性體與底座之間采用螺栓鏈接，在加載和卸載的過(guò)程中彈性體與底座之間的接觸面會(huì)發(fā)生滑動(dòng)，這將引起傳感器的滯后，本文將對(duì)該傳感器的彈性體與底座之間的接觸面發(fā)生滑動(dòng)造成滯后的機(jī)理、接觸面的摩擦系數(shù)以及彈性體結(jié)構(gòu)參數(shù)與滯后的關(guān)系分別進(jìn)行研究。雙剪切梁式傳感器彈性體的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

二、有限單元模型

有限單元法作為一種目前成熟的數(shù)值方法應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣，實(shí)踐已經(jīng)證明其性與實(shí)用性。本文將借助有限元軟件ANSYS 7.0 ，對(duì)雙剪切稱重傳感器進(jìn)行仿真研究。該傳感器有限元模型如圖2所示。

由于雙剪切梁式稱重傳感器是對(duì)稱結(jié)構(gòu)，所以在計(jì)算中也可取其四分之一。模型實(shí)體的單元類型選用SOLID92四面體單元，彈性體與底座以及螺母與彈性體之間的接觸建立四對(duì)接觸單元，其中接觸單元為CONTA174，目標(biāo)單元為TARGE170。螺栓中建立ANSYS7.0提供的專門模擬螺栓聯(lián)結(jié)的PRETENTION179預(yù)緊單元。模型采用智能自由網(wǎng)格劃分方法。

本文主要研究螺栓聯(lián)接結(jié)構(gòu)對(duì)稱重傳感器滯后性能造成的影響，因此忽略力的導(dǎo)入方式對(duì)傳感器滯后的影響，載荷以集中力的方式施加在傳感器的加載墊中心位置上。

傳感器進(jìn)程與回程載荷的施加在模型中通過(guò)不同的載荷步實(shí)現(xiàn)。

三、稱重傳感器接觸面滑動(dòng)造成滯后的機(jī)理

雙剪切梁式稱重傳感器的四片電阻應(yīng)變片分別粘貼在彈性體四個(gè)盲孔的腹板中心處，其柵絲方向與軸線成45°或135°。通過(guò)測(cè)定該方向的正應(yīng)變來(lái)測(cè)定施加在稱重傳感器上的載荷。

稱重傳感器在加載和卸載的過(guò)程中，彈性體相對(duì)于底座的滑動(dòng)方向相反，因此作用在彈性體上摩擦力的方向也相反。這導(dǎo)致傳感器貼片處加載和卸載過(guò)程中同一載荷下剪應(yīng)力的變化。圖3是在傳感器載荷為15kN，預(yù)緊力為160N，摩擦系數(shù)為0.2的情況下，彈性體貼片處剪應(yīng)力的變化情況。

從圖3可以看出，由于加載和卸載時(shí)底座對(duì)彈性體的摩擦力方向不同，造成彈性體貼片處剪應(yīng)力有一定的差異。由材料力學(xué)的原理可知，貼片區(qū)中心45°或135°方向的正應(yīng)變與剪應(yīng)力成正比。因此，在加載和卸載的過(guò)程中，彈性體與底座的滑動(dòng)使得電阻應(yīng)變片測(cè)得的正應(yīng)變不同，從而導(dǎo)致了傳感器輸出信號(hào)的滯后。

四、接觸面摩擦系數(shù)與滯后關(guān)系

本文通過(guò)改變稱重傳感器彈性體與底座之間接觸面摩擦系數(shù)的方法進(jìn)行有限元仿真研究，以觀察接觸面摩擦系數(shù)與傳感器滯后的關(guān)系。圖4表達(dá)了螺栓預(yù)緊力為160N，稱重傳感器的結(jié)構(gòu)參數(shù)一定的條件下，不同的摩擦系數(shù)與不同載荷下的傳感器滯后關(guān)系。

一般鋼材料的摩擦系數(shù)小于0.2，因此本文僅討論在傳感器與底座的摩擦系數(shù)小于0.2的情況下，接觸摩擦與傳感器滯后關(guān)系。從圖4可以看出，在摩擦系數(shù)從0.025到0.175變化的過(guò)程中，傳感器的滯后都為負(fù)值（傳感器滯后的符號(hào)與傳感器的結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)系，本文將在下一節(jié)專門討論）。

圖4中的各條滯后曲線的形狀基本相似，隨著載荷的增大，傳感器滯后值逐漸由小變大，達(dá)到峰值后再逐漸由大變小。

在圖4中，傳感器滯后峰值大小首先隨著接觸摩擦系數(shù)的增大而增大，當(dāng)接觸摩擦系數(shù)增大到0.15之后，滯后峰值隨著摩擦系數(shù)的增大而稍有減小。另外，從圖4可以看到，傳感器滯后峰值發(fā)生時(shí)所對(duì)應(yīng)的載荷值隨著接觸摩擦系數(shù)的增大而減小。

因此，在傳感器彈性體結(jié)構(gòu)參數(shù)一定的前提下，應(yīng)該通過(guò)選定彈性體及底座的材料和制造工藝，盡量減小彈性體與底座之間的摩擦系數(shù)，以減少傳感器的滯后。在可能的條件下，如果將彈性體與底座采用極小間隙的配合或過(guò)盈配合，用底座約束彈性體受載引起的變形，防止二者之間的滑動(dòng)和摩擦，可以消除由于彈性體與底座滑動(dòng)產(chǎn)生的傳感器滯后。

五、接觸摩擦產(chǎn)生的滯后與彈性體結(jié)構(gòu)參數(shù)關(guān)系

在利用有限元滯后模型對(duì)傳感器的接觸摩擦產(chǎn)生的滯后進(jìn)行分析時(shí)，發(fā)現(xiàn)傳感器接觸摩擦滯后隨著彈性體結(jié)構(gòu)參數(shù)的改變而改變。

１、盲孔中心離彈性體端部距離（L₀）與滯后關(guān)系

設(shè)傳感器進(jìn)程與回程載荷的步長(zhǎng)為10kN，滿量程為50kN。當(dāng)其它結(jié)構(gòu)參數(shù)不變時(shí)，改變彈性體的盲孔中心離彈性體端部距離L₀，利用有限元滯后模型可得到該傳感器滯后的變化情況（見表1）。為了更直觀地表示L₀與傳感器滯后的關(guān)系，將傳感器承受20kN 載荷時(shí)L₀與傳感器滯后的關(guān)系用圖5來(lái)表達(dá)。

從表1和圖5可以看出，隨著盲孔中心離彈性體端部距離的增大，傳感器的滯后由正值逐漸減小，減小到零附近時(shí)有一段距離的小幅波動(dòng)，然后再減小并變?yōu)樨?fù)值。當(dāng)L₀在71～77范圍內(nèi)變化時(shí)，傳感器的滯后在正負(fù)0.02%F.S.之內(nèi)；當(dāng)L₀超出這個(gè)范圍變化時(shí)，傳感器滯后的值急劇增大。因此，在確定參數(shù)L₀時(shí)，可用有限元仿真的辦法首先確定出L₀的一個(gè)變化范圍，以使彈性體與底座接觸摩擦所產(chǎn)生的傳感器滯后的值較??；然后，在這個(gè)范圍內(nèi)確定一個(gè)優(yōu)選值，從而使傳感器的滯后滿足設(shè)計(jì)的要求。

2、其它結(jié)構(gòu)參數(shù)與滯后關(guān)系

彈性體的其它結(jié)構(gòu)參數(shù)單獨(dú)變化時(shí)，彈性體與底座接觸摩擦所產(chǎn)生的傳感器滯后也隨著發(fā)生變化。但是，隨著結(jié)構(gòu)參數(shù)的增大，滯后的變化沒有規(guī)律性，即使結(jié)構(gòu)參數(shù)的增量很小，傳感器的滯后可能急劇增大或急劇減小。

下面將以貼片區(qū)盲孔半徑R與傳感器滯后的關(guān)系為例，說(shuō)明其它結(jié)構(gòu)參數(shù)與傳感器滯后關(guān)系。設(shè)傳感器進(jìn)程與回程載荷的步長(zhǎng)為10kN，滿量程為50kN。改變彈性元件的R，其它結(jié)構(gòu)參數(shù)不變時(shí)，利用有限元滯后模型可得到表2中的數(shù)據(jù)。

將表2中傳感器承受20kN載荷時(shí)的R與傳感器滯后的關(guān)系用圖6來(lái)表達(dá)。

從表2可以看出，隨著彈性體盲孔半徑（R）的增大，傳感器在各個(gè)載荷下的滯后值時(shí)而增大時(shí)而減小，沒有規(guī)律地波動(dòng)變化。從圖5可以看出，當(dāng)傳感器承受20kN的載荷時(shí)，R增量很小，傳感器的滯后卻發(fā)生了急劇變化。例如，當(dāng)R從16到16.5，增量為0.5，傳感器的滯后卻從-0.047%F.S.急劇變?yōu)?0.007%F.S.，當(dāng)R從16.5到17，增量為0.5，傳感器的滯后卻從-0.007%F.S.急劇變?yōu)?0.022%F.S.。因此，通過(guò)改變R來(lái)調(diào)整底座接觸摩擦所產(chǎn)生的傳感器滯后是不可行的。同時(shí)，在設(shè)計(jì)時(shí)要對(duì)盲孔半徑R提出較嚴(yán)格的公差，防止在制造彈性元件的過(guò)程中R的加工誤差過(guò)大造成傳感器的滯后值急劇地增大。

六、結(jié)論

雙剪切梁式稱重傳感器彈性體與底座的相對(duì)滑動(dòng)所產(chǎn)生的摩擦力會(huì)導(dǎo)致彈性體貼片區(qū)加載和卸載過(guò)程中同一載荷下剪應(yīng)力的變化，造成稱重傳感器產(chǎn)生滯后。可通過(guò)以下方法減小或消除稱重傳感器的接觸滯后：

（1）設(shè)法減小傳感器彈性體與底座之間的摩擦系數(shù)。

（2）改變傳感器彈性體的結(jié)構(gòu)參數(shù)，以使摩擦力對(duì)貼片區(qū)的剪應(yīng)變的影響降至zui小。

（3）如有可能，彈性體與底座采用極小間隙的配合或過(guò)盈配合，用底座約束彈性體受載引起的變形，消除二者之間的滑動(dòng)摩擦引起的滯后。

參考文獻(xiàn)：

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關(guān)鍵詞：稱重傳感器橋式稱重傳感器稱重系統(tǒng)電阻應(yīng)變片

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