应力分布改善在制作高性能桥式传感器实践中的应用

应力分布改善在制作高性能桥式传感器实践中的应用

济南金钟电子衡器股份有限公司传感器事业部 李文刚 杨继红 谈卉

    [摘要] 通过改善小量程桥式传感器剪切应力在贴片区域的分布，开发制作与理论计算值相差较大的传感器产品。
    关键词：应力分布 应力集中 桥式传感器
引言
    在我国称重传感器制造业生产的各种结构传感器中，钢制桥式传感器以其独特的两端支撑，中间受力的结构形式，使大吨位传感器进入了高准确度、高可靠性的计量领域。同时，传力组件采用球面压头，充分发挥了钢球可自动复位和调心的优势，良好的抗侧向力和抗冲击性能，安装方便，互换性好等优势在我国的汽车衡称重领域发挥着独领风骚的作用。但是，传感器的量程绝大部分局限于10吨以上，而10吨以下量程的寥寥无几。为满足用户需求，我们进行了小量程3吨传感器的开发工作。
    1.桥式3吨传感器的设计
    为了保持安装使用的简单化和通用性，3t传感器采用10t传感器的安装尺寸，同时要求传感器除弹性体外其余的零部件通用，这就要求我们在传感器的设计过程中只能改动应变区的尺寸且不能影响传感器安装尺寸。
    1.1小量程桥式传感器结构设计缺陷
    桥式传感器的结构是两端固定，剪切力施加在工字型断面上（图1），

图1	图2

    因此：贴片部位受到的剪切力为：½ F ；
    由弹性体应变部位断面受力分析图（图2）得剪切应力：

		F		c		t		h2
τ	=		{		(d2-h2)+		(		-	y2)}	…………………………………(1)
		2tlz		8		2		4

		1
而且  lz	=		{cd3-(c-t)h3}	…………………………………………(2)
		12

    根据公式(1)，当y = 0 时τ最大：

		F
τmax	=		{c(d2-h2)+th2)}	………………………………………(3)
		16tlz

		1+ν			1+ν		F
又微应变	ε =		τ	得：ε =		·		{c(d2-h2)+th2)}	……………(4)
		E			E		16tlz

    其中：泊松比：ν；材料的弹性模量：E 。
    根据公式(2)和(4)，得出传感器应变梁t的一元二次方程：

	12(1+ν)Fh2		12(1+ν)Fc(d2-h2)
t2h3+{c(d3-h3)-		}t-		= 0	……(5)
	16εE		16εE

    已知灵敏度2mV/V时
    ε=1200με，设ν=0.3，E=2.1×104kg/mm2；
    把10t传感器弹性体尺寸(c × d × h=56mm × 52mm × 35mm)代入公式，求得：
    t1=1.78mm，t2=-25.81mm（舍去）。
    同时½(d-h)=½(52-35)=8.5mm 》1.78mm，图2中工字梁中的上下横梁的尺寸远大于竖梁（应变梁）的尺寸。在传感器加载应变梁应变过程中，上下横梁的强度相对于应变梁的强度高过许多，加载产生的剪切应力没有起到应有的作用，使应变梁未能产生相似的变形，也就不能发生足够的微应变，使传感器的输出灵敏度远低于设计要求的2mV/V。
    1.2、改进方案
    方案一：
    为使剪切应力起到足够的作用，调整A、d和h，使图2中的上下横梁尺寸与应变梁的尺寸尽量相近。由设计要求知道，尺寸c和A不能做出改变，改变d很难达到我们的要求，减小h才能增加t，由于c的关系，太小的h会给传感器的制作等增加很多困难，因此采用缩小弹性体的应变区域的局部尺寸，改变d和h的大小，但保持安装尺寸不变的方案进行（见图3）。

图3

    按图3方案弹性体尺寸方案，我们投入5只BM-LS-3传感器试验，以验证传感器的灵敏度指标。传感器的一次测试指标如表1：

表1

传感器编号	灵敏度(mV/V)	线性(%F.S.)	滞后(%F.S.)	备注
0001	1.2234	-0.013	0.012
0002	1.3987	-0.008	0.010
0003	1.2418	-0,012	0.005
0004	1.2843	-0.016	0.001
0005	1.2108	-0.002	0.010
平均值	1.2718	-0.0102	0.0076

    从表中5只传感器的测试结果来看，平均灵敏度1.2718mV/V，一致性比较好，但与设计计算要求的2mV/V的灵敏度相差甚远；而且线性和滞后指标都具有良好的一致性。
    方案二：
    在方案一的基础上，参照传感器应变部位的受力图2，弹性体受到的剪切力在应变梁上并没有产生足够的微应变是灵敏度低的主要原因，因此我们可以通过减小应变梁t的尺寸来提高产生微应变的能力，应力分部同方案一的分布，通过我们试验，该方案的效果并不明显。
    方案三：
    从图(2)的分析中得知，在y接近“0”的地方，产生的剪切应力τ越接近其最大值τmax，我们是否可以只要产生剪切应力峰值的局部区域，而去除其余的部分。考虑到应变计贴片所需的尺寸和弹性体加工的方便，沿着传感器的载荷方向钻通孔2-ΦB（图4），经过简单的应力分布分析（图4，其中虚线为方案二中应力曲线），应力不但最大应力值τ2max比τ1max也有了大幅度增加，而且对于更加集中。

图4

    1.3试验结果
    从表1中的5只传感器取3只传感器进行钻2-ΦB通孔试验，灵敏度的测试结果见表2，线性和滞后指标没有发生太大的变化，和表1中的数值相接近。

表2

传感器编号	0.001	0.002	0.003	备注
灵敏度(mV/V)	2.47264	2.60156	2.43521

    对照表1和表2，同一只传感器的灵敏度变化很大，全部增加了约1.2mV/V左右，我们在此基础上继续调整应变梁的厚度，使灵敏度更加接近目标值2mV/V。调整后小批量传感器试验的灵敏度结果见表3。

表3

序号	传感器编号	灵敏度(mV/V)	序号	传感器编号	灵敏度(mV/V)
1	0004	2.09840	15	0021	2.07470
2	0006	2.02760	16	0022	2.05110
3	0007	2.01724	17	0023	2.13047
4	0008	2.00243	18	0025	2.17728
5	0010	2.04905	19	0026	2.11810
6	0011	2.06373	20	0027	2.07050
7	0012	2.12220	21	0028	2.25100
8	0013	2.04250	22	0029	2.12450
9	0015	2.13065	23	0030	2.08850
10	0016	2.12700	24	0031	2.13540
11	0017	2.03989	25	0032	2.16417
12	0018	2.09524	26	0033	2.10630
13	0019	2.10715	27	0034	2.10760
14	0020	2.07570

    其中传感器灵敏度最大为2.251mV/V，最小为2.00243 mV/V，分散比较大，造成这种现象的原因是传感器弹性体加工钻通孔2-ΦB时，采用人工划线钻孔，两个孔的中心位置，对称性及大小的一致性的影响。只要我们在以后弹性体的加工制作过程中采用高精度的钻孔工装来保证两个通孔的加工精度，传感器灵敏度一致性会得到良好的保证。
2、结论
    此次制作的3t传感器测试结果全部符合GB/T7551-1997《称重传感器》中C3级的要求。总结此次的设计制作过程，就是充分利用弹性体所受到的剪切应力分布的集中区域，在理论设计计算基础上，通过调整弹性体应变梁的结构形式，使弹性体的剪切应力尽可能的集中到应变计的贴片区域，对调整传感器的灵敏度起很大的作用，这对我们以后设计制作量程较小的传感器起到很大的帮助。