作者/陳芳芳，江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院南京分院，南京高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校

基于大型人造板壓機(jī)的新型位移傳感器的研制

作者/陳芳芳，江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院南京分院，南京高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校

本文以人造板壓機(jī)壓板的變形檢測為工程背景，在成功對人造板壓機(jī)壓板實(shí)現(xiàn)應(yīng)變電測及研究分析的基礎(chǔ)上，研制出一款新型位移傳感器。對新型位移傳感器標(biāo)定的結(jié)果表明，該器件不僅體積小，而且性能強(qiáng)，性價比高。

人造板壓機(jī)；應(yīng)變；位移傳感器

隨著科技的發(fā)展和社會的進(jìn)步，人們對木材的需求也在不斷增長?？紤]到對天然原木的保護(hù)，越來越多地科學(xué)家正致力于新產(chǎn)品、新工藝的開發(fā)來提高原料的利用率。人造板就是高效利用木材資源的主要方式[1]，產(chǎn)品主要包括，刨花板、纖維板、膠合板等[2]。目前，已被廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，需求量達(dá)萬億立方米。生產(chǎn)這些人造板的重要設(shè)備之一就是人造板壓機(jī)。

本文主要針對國內(nèi)單層人造板壓機(jī)壓制小幅面薄板材時，會出現(xiàn)板面塑性變形的現(xiàn)象進(jìn)行研究，從而自行設(shè)計(jì)出一款新型位移傳感器，為進(jìn)一步研究提升人造板壓機(jī)的生產(chǎn)質(zhì)量而奠定重要基礎(chǔ)。

1. 研究背景

借助電阻應(yīng)變式傳感器對人造板壓機(jī)壓板變形的測試中，發(fā)現(xiàn)測試結(jié)果非常貼近實(shí)際生產(chǎn)中受壓板材的變形情況，即復(fù)雜應(yīng)力引起壓板發(fā)生彈性變形，整個形變呈波浪狀且各個方向起伏不盡一致，但均是邊緣部分幅變較大。這些都將影響壓板作業(yè)時的穩(wěn)定性，造成壓機(jī)在壓制小幅面、薄板材時，板材會發(fā)生塑性形變。所以，應(yīng)積極避免壓機(jī)在此控制方法下工作，設(shè)計(jì)合理的油缸壓力控制值，使壓板變形趨勢減小或趨于一致。

為了能在以后的測試分析中，進(jìn)行更加迅速、完美的分析，甚至可以給出精確的砂光量，通過總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，針對該類型的人造板壓機(jī)研制了一款新型的位移傳感器，它可以從根本上改善模型等效得不到精確位移變化量的情形，從而可以通過有機(jī)會的再次現(xiàn)場測試及相應(yīng)的數(shù)據(jù)分析，得到更加精美的控制方法。

2. 新型位移傳感器的制作

2.1 位移的測量

本次測試是針對壓機(jī)壓板的接觸式非電量的測量，因而選用了電氣式位移測量法。它的基本原理是：將應(yīng)變計(jì)粘貼在彈性元件表面上構(gòu)成傳感器，彈性元件受壓變形，應(yīng)變計(jì)即將應(yīng)變轉(zhuǎn)換成相應(yīng)電阻值的變化，通過連接適當(dāng)電路測得應(yīng)變，最后根據(jù)傳感器的輸入/輸出特性求出位移的大小。

2.2 彈性元件材料的選擇

由于本次是在高壓下對高強(qiáng)度的鋼板進(jìn)行測試，故選取了鈹青銅（QBe2）作為彈性元件。QBe2（Be1.8～2.1%；Ni0.2～0.5；其他雜質(zhì)<0.455），號稱有色金屬彈性之王，具有高強(qiáng)度、高彈性、無磁性、恢復(fù)性強(qiáng)等特點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于精密儀器和儀表的制造[3]。

鈹青銅在有色合金系列中屬熱處理敏感材料。它的性能強(qiáng)化手段有兩種：一般的扎制強(qiáng)化以及特殊的熱處理強(qiáng)化手段。從理論機(jī)理上講，就是通過合金微觀晶體中的相組織發(fā)生變化來達(dá)到性能強(qiáng)化的目的。由于本次研究的測試條件是在常溫高壓下進(jìn)行，所以采用一般扎制強(qiáng)化的手段就可以了。

2.3 位移傳感器機(jī)械圖

如圖1所示，彈性元件一端粘結(jié)在鋼尺上，另一端懸空為自由端。自由端為直角，測試時直角邊直接接觸壓板的板面為感受應(yīng)變端。

彈性元件通過粘結(jié)劑牢固粘結(jié)在鋼尺上后，會被安裝在固定支架上，支架的剛度會遠(yuǎn)大于彈性元件的剛度，因此，可把彈性元件的工作段看作是懸臂梁。把固定端至受力端的長度稱作彈性元件的理論長度。相當(dāng)于懸臂梁的端點(diǎn)受力端，可以等效成等截面懸臂梁滿足Lbh[4]。這種彈性元件的特點(diǎn)是：橫截面處處相等。懸臂梁式結(jié)構(gòu)彈性元件所用電阻應(yīng)變計(jì)為單軸應(yīng)變計(jì)。兩枚電阻應(yīng)變計(jì)對稱的粘貼在距固定端三分之一長度的表面上，呈對稱分布在彈性元件相同位置的上、下表面處，實(shí)現(xiàn)溫度的差動補(bǔ)償，同時進(jìn)一步提高測量的靈敏度和精確度。

圖1 電阻應(yīng)變計(jì)位置示意圖

懸臂梁式位移傳感器梁的自由端的最大即位移為：

可見，該傳感器最大不失真所測位移值比較小。

圖2 新型位移傳感器機(jī)械圖

2.4 應(yīng)變計(jì)粘貼位置的選擇

我們選擇將應(yīng)變計(jì)粘貼在彈性元件上制成傳感器，此時的應(yīng)變計(jì)的傳感部分基本上可以和彈性元件一起變形。只要通過受載分析就可以建立位移與電阻變化間的函數(shù)關(guān)系，即進(jìn)行傳感器的標(biāo)定，然后通過這種預(yù)先確定的位移標(biāo)定曲線去獲得測量的位移值，這種方法測得的測量結(jié)果很精確。

應(yīng)變計(jì)粘貼的位置應(yīng)盡可能靠近懸壁梁的固定端，這樣可以提高傳感器的靈敏度。如圖1所示，R1(R2)均貼近傳感器水平構(gòu)件部位即其固定端。

2.5 電阻應(yīng)變計(jì)的粘貼方法

2.5.1 構(gòu)件表面處理

粘貼前，需對構(gòu)件表面進(jìn)行必要的處理，使之平整光潔。首先在測點(diǎn)處進(jìn)行打磨處理，除去其電鍍層。為了提高平潔度，增強(qiáng)應(yīng)變計(jì)的粘貼性能，打磨時需先用砂紙進(jìn)行圓形打磨產(chǎn)生多向痕跡，而后用細(xì)砂紙沿主應(yīng)力方向進(jìn)行45°角交叉打磨，接著用丙酮棉球進(jìn)行擦拭，擦拭時需保持恒力單向，直至棉球上沒有污物為止。

2.5.2 定位標(biāo)志線

為了使應(yīng)變計(jì)精確對準(zhǔn)測點(diǎn)中心位置的應(yīng)變區(qū)域，需要在彈性元件的表面進(jìn)行精確定位。我們用直尺和有色筆在貼片位置處輕輕畫上垂直線，并注意不使應(yīng)變區(qū)的表面劃傷，以避免產(chǎn)生毛刺，影響貼片效果，從而引起測試的不準(zhǔn)確性。接著用乙醇棉球擦拭貼片位置，處理后的區(qū)域不再觸碰。

2.5.3 選片

選擇同型號、同阻值的應(yīng)變計(jì)（并做必要的外觀和電阻值檢查），正確區(qū)分其正反面后，將工作片貼在彈性元件測點(diǎn)處，其軸線應(yīng)順著應(yīng)變的方向。再取與壓板相同材料的小鋼塊，將其置于壓機(jī)附近。

2.5.4 貼片

用乙醇棉球輕拭應(yīng)變計(jì)的粘貼面（反面），在彈性元件定位處滴上502膠水，然后迅速將應(yīng)變計(jì)放在該處。調(diào)整應(yīng)變計(jì)，使應(yīng)變計(jì)上的定位標(biāo)志與先前所畫的垂直線中心相重合。再在應(yīng)變計(jì)上覆蓋一片聚乙烯塑料薄膜，用拇指在薄膜上做一次無滑動的滾壓，保持壓力一會以去除氣泡和多余膠液。最后，將薄膜揭去，檢查應(yīng)變計(jì)引出線是否被粘，以保證其與彈性元件完全脫離。

2.5.5 固化

固化是一個復(fù)雜的過程，它需將整個部件置于一個恒溫的條件下，持續(xù)一段時間，其主要目的是為了保證傳感器長期使用的穩(wěn)定性。

2.5.6 貼片質(zhì)量檢查

檢查貼片的位置是否準(zhǔn)確，膠層是否均勻，無氣泡。

2.5.7 焊接導(dǎo)線

首先，將導(dǎo)線一端的漆包線剝?nèi)?mm，并固定在彈性元件上，引出線的端點(diǎn)與應(yīng)變計(jì)的邊緣相距5～10mm，焊接在焊盤上，隨后剪去多余的引線。用電烙鐵把引出線鍍上焊錫以方便現(xiàn)場的焊接；為了實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場迅速良好的接線，需將另一端接上小接線叉以方便連接后面的儀器。

2.5.8 傳感器整體質(zhì)量檢查

檢查焊點(diǎn)是否小而光亮；用惠斯登電橋測量此時應(yīng)變計(jì)的電阻值，看是否合格；用萬用表檢查應(yīng)變計(jì)是否斷路；用兆歐表檢測應(yīng)變片與壓板之間是否絕緣。

2.6 位移傳感器防潮處理

應(yīng)變計(jì)粘固化后，為免降低絕緣電阻和粘合強(qiáng)度，影響傳感器測試的可靠性，我們進(jìn)行了防潮處理。具體方法是用南大704硅橡膠涂于應(yīng)變計(jì)及連接線路處，在室溫下固化24小時，充分保證應(yīng)變計(jì)工作性能穩(wěn)定可靠。

2.7 溫度補(bǔ)償

將兩片相同的BE120—5AA（11）型電阻應(yīng)變計(jì)分別粘貼在彈性元件相同位置的上、下表面處實(shí)現(xiàn)溫度的差動補(bǔ)償，以進(jìn)一步提高測量的靈敏度和精確度。

3. 小結(jié)

本次研究第一次將應(yīng)變電測技術(shù)應(yīng)用于人造板壓機(jī)壓板的變形檢測，并由此制作出一款新型位移傳感器，它可以從根本上改善模型等效得不到精確位移變化量的情形，從而可以通過有機(jī)會的再次現(xiàn)場測試及相應(yīng)的數(shù)據(jù)分析，得到更加精美的控制方法。

＊ [1]龐慶海等著.人造板機(jī)械設(shè)備[M].東北林業(yè)大學(xué)出版社，1997.09

＊ [2]梅長彤等著.人造板[M].北京：中國林業(yè)出版社，2005.12

＊ [3]狄平著.鈹青銅QBe2合金形變時效工藝的研究[J].上海：東華大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2001(2):81—83.

＊ [4]樊尚春等著.新型傳感器技術(shù)及應(yīng)用[M].北京：中國電力出版社，2005.08

＊ [5]張洪潤等著.傳感技術(shù)與實(shí)驗(yàn)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005.07

＊ [6]謝雙雄等著.傳感器技術(shù)[M].北京：中國計(jì)量出版社，2005.08

＊ [7]劉則毅等著.科學(xué)計(jì)算技術(shù)與MATLAB[M].北京：科學(xué)出版社，2001