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        球頭副結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)柱式力傳感器方位誤差影響

        2018-07-31 08:42:06
        自動(dòng)化與儀表 2018年7期
        關(guān)鍵詞:柱式球頭彈性體

        梁 偉

        (福建省計(jì)量科學(xué)研究院 智能測(cè)量研究所,福州 350100)

        隨著科技和工業(yè)的飛躍發(fā)展,力傳感器越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于電子衡器、高速鐵路、大型橋梁、高層建筑、冶金以及航空航天等領(lǐng)域的力值測(cè)量。應(yīng)變式力傳感器由球頭副、彈性體、應(yīng)變片及惠斯通電橋等組成,球頭副由球頭和球碗組成。力傳感器受載時(shí),與其接觸的上下工作平面不能保證絕對(duì)平行,球頭在加載過(guò)程中將相對(duì)球碗發(fā)生滾動(dòng)或滑動(dòng)調(diào)整,將載荷較均勻地傳遞給彈性體,粘貼在彈性體上的應(yīng)變片受載,其電阻發(fā)生變化,使惠斯通電橋失去平衡,從而輸出一個(gè)與被測(cè)載荷成線性變化的電信號(hào)。如果未采用球頭副,則施加于彈性體上的載荷將出現(xiàn)嚴(yán)重偏載現(xiàn)象,若將傳感器繞其軸線旋轉(zhuǎn)到不同位置,則各位置測(cè)量得到的結(jié)果會(huì)存在較大差異,形成較大“方位誤差”。因此,球頭副對(duì)調(diào)整彈性體的載荷分布,提高傳感器的測(cè)量準(zhǔn)確度具有重要作用。

        球頭副的接觸形式、尺寸、加工水平對(duì)測(cè)量結(jié)果具有顯著影響,國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家對(duì)此開(kāi)展了一些研究。[1-3]但是對(duì)于球頭副如何影響力傳感器計(jì)量性能,例如方位誤差等,國(guó)內(nèi)外未有相關(guān)報(bào)道。本課題組在研究國(guó)家重大科學(xué)儀器設(shè)備開(kāi)發(fā)專(zhuān)項(xiàng)——高精度衡器載荷測(cè)量?jī)x,以及一臺(tái)目前國(guó)際上量程最大的60 MN力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)項(xiàng)目中,對(duì)兩個(gè)項(xiàng)目核心構(gòu)件——高精度應(yīng)變式力傳感器開(kāi)展研究,其中包括探索球頭副對(duì)力傳感器計(jì)量性能的影響。該研究成果已實(shí)現(xiàn)了力傳感器性能的提升,并應(yīng)用于此兩個(gè)項(xiàng)目,衡器載荷測(cè)量?jī)x于2016年實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化推廣應(yīng)用,而60 MN力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)在2017年與德國(guó)聯(lián)邦物理技術(shù)研究院(PTB)的50 MN力標(biāo)準(zhǔn)裝置的力值比對(duì)取得國(guó)際等效的滿(mǎn)意結(jié)果[4]。

        本文對(duì)柱式應(yīng)變式力傳感器進(jìn)行了理論分析,并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,提出了優(yōu)化球頭副結(jié)構(gòu)尺寸以減小傳感器方位誤差的建議。

        1 理論分析

        如圖1所示,為一柱式傳感器及其球頭副結(jié)構(gòu),當(dāng)其在力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)上校準(zhǔn)時(shí),由于力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)上下工作平面的不平行,假設(shè)存在傾斜角α,則球頭在加載過(guò)程中相對(duì)球碗發(fā)生滾動(dòng)或滑動(dòng),當(dāng)球頭副承載狀態(tài)穩(wěn)定后,球頭的中心線與球碗中心線存在夾角α,如圖2所示,由幾何關(guān)系得:

        圖1 力傳感器及其球頭副組合結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Schematic diagram of force transducer and load pad

        圖2 球頭副示意Fig.2 Schematic diagram of load pad

        式中:R1為球頭的曲率半徑;R2為球碗的曲率半徑;θ1為球頭滾動(dòng)前后接觸點(diǎn)與球頭圓心形成的夾角;θ2為球頭滾動(dòng)前后接觸點(diǎn)與球碗圓心形成的夾角。

        由式(1)得到:

        球頭相對(duì)球碗滾動(dòng)后,傳感器的軸向力為FN:

        同時(shí)產(chǎn)生了一個(gè)側(cè)向力Ft:

        以及一個(gè)附件彎矩M:

        式中:e為載荷偏心量。由圖2幾何位置關(guān)系可以得到:

        將上式代入公式,得到:

        圖3 應(yīng)變片排布Fig.3 Strain gauges distribution

        圖4 應(yīng)變片粘貼位置偏差示意Fig.4 Strain gauges attached with angular misalignment

        如圖3和圖4所示,4個(gè)應(yīng)變片粘貼在彈性體上,由于應(yīng)變片粘貼的水平限制,4個(gè)應(yīng)變片無(wú)法決定對(duì)稱(chēng),而相對(duì)之間存在一定的角度偏差,如圖4中β和γ。但是,傳感器一旦制造完成,該角度偏差就固定下來(lái)。

        依據(jù)彈性理論,在軸向力FN、側(cè)向力Ft和附件彎矩M的共同作用下,4個(gè)應(yīng)變片的輸出為

        式中:S為彈性體截面的面積;ω為側(cè)向力和附加彎矩的方位,如圖4所示;R為彈性體的橫截面的半徑;E為彈性體材料的彈性模量;μ為彈性體材料的泊松比;I為彈性體的慣性矩,I=πR4/4。

        由圖5的惠斯登橋路,其輸出為

        式中:X為輸出信號(hào);K為靈敏系數(shù)。

        圖5 惠斯登橋路Fig.5 Wheatstone bridge circuit

        將式(9)代入公式,得到:

        傳感器的方位誤差b由下式計(jì)算得到:

        式中:Xmax和Xmin分別為傳感器在不同測(cè)量位置上信號(hào)的最大值和最小值;Xˉr為各方位測(cè)量的平均值。

        保持傳感器位置不變,將載荷繞傳感器軸線轉(zhuǎn)動(dòng),即可確定Xmax和Xmin,即在 ω∈[0,2π]范圍內(nèi),X的最大值和最小值。將其代入式,并整理得到:

        2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

        為研究驗(yàn)證不同結(jié)構(gòu)尺寸球頭副對(duì)傳感器方位誤差的影響,本文設(shè)計(jì)了6對(duì)球頭副,其具體尺寸如表1所示。所有球頭副材料均為GCr15軸承鋼,采用相同熱處理工藝。

        將6對(duì)球頭副分別安裝在一只300 kN和一只100 kN 柱式力傳感器上, 分別在 0°、0.5°和 1°的楔形墊塊上,采用一臺(tái)300 kN凈重式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)(相對(duì)擴(kuò)展不確定度為0.005%,k=2)進(jìn)行測(cè)試,測(cè)試步驟參照 ISO 376:2011(E)[5]進(jìn)行。

        表1 球頭副尺寸Tab.1 Dimensions of load pad

        3 結(jié)果與討論

        圖6和圖7所示為各球頭副分別在300 kN和100 kN應(yīng)變式柱式力傳感器上測(cè)量得到的方位誤差,從中可以明顯看出,隨著傾斜角度的α增大,由式(4)和式(7),側(cè)向力Ft和附加彎矩M也隨之增大,從而造成方位誤差迅速增大。

        圖6 300 kN力傳感器采用不同結(jié)構(gòu)尺寸球頭實(shí)驗(yàn)以及計(jì)算得到的方位誤差對(duì)比Fig.6 Comparison of the 300 kN transducer’s position errors between the measurement and calculation

        圖7 100 kN力傳感器采用不同結(jié)構(gòu)尺寸球頭實(shí)驗(yàn)以及計(jì)算得到的方位誤差對(duì)比Fig.7 Comparison of the 100 kN transducer’s position errors between the measurement and calculation

        對(duì)比1號(hào)、2號(hào)和3號(hào)球頭副,其均為球面-平面接觸類(lèi)型,球頭球面半徑R1越大,方位誤差隨傾斜角度增長(zhǎng)的速度越快。由式(7)可以得到,當(dāng)球碗為平面時(shí),即R2=∞ 時(shí),M=FR1αcosα,附加彎矩M與R1成正比,因此R1越大,附加彎矩M也越大,方位誤差也越大。

        對(duì)比4號(hào)、5號(hào)和6號(hào)球頭副,其均為球面-球面接觸類(lèi)型,球頭與球碗的球面半徑比Δ,Δ=R1/R2=1/2,球頭球面半徑R2越大,方位誤差隨傾斜角度增長(zhǎng)的速度也越快。 由式(7),M=FR2sin[Δα/(1-Δ)]cos α,當(dāng)Δ相等時(shí),附加彎矩M與R2成正比,R2越大,附加彎矩M也越大,方位誤差也越大。

        對(duì)比由式(12)計(jì)算得到的各球頭的方位誤差以及由實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到的方位誤差,可以看出兩者相差很小,理論推導(dǎo)的方位誤差公式可以準(zhǔn)確地計(jì)算電阻應(yīng)變式柱式力傳感器的方位誤差并預(yù)測(cè)其在不同球頭副結(jié)構(gòu)尺寸影響下的變化規(guī)律。當(dāng)傳感器制造完成,應(yīng)變片角度偏差β和γ即固定不變,式(12)中的sin(β/2)+μsin(γ/2)一項(xiàng)即為常數(shù),R2=∞ 時(shí),方位誤差隨R1增大;同樣,對(duì)于相同的球面半徑比Δ,應(yīng)該嚴(yán)格控制R2尺寸,從而減小傳感器的方位誤差。此外,由該公式可以預(yù)測(cè),如果保持R2不變,則Δ越大,產(chǎn)生的附加彎矩M也越大,其得到的方位誤差也越大。

        4 結(jié)語(yǔ)

        本文對(duì)柱式應(yīng)變式力傳感器的方位誤差進(jìn)行了理論分析,并通過(guò)不同結(jié)構(gòu)尺寸的球頭副實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,得到結(jié)論如下:

        理論推導(dǎo)的方位誤差計(jì)算公式可以準(zhǔn)確地計(jì)算柱式力傳感器的方位誤差并預(yù)測(cè)其在不同球頭副結(jié)構(gòu)尺寸影響下的變化規(guī)律;柱式力傳感器的方位誤差與施加在其上的附加彎矩有關(guān),彎矩越大,產(chǎn)生的方位誤差也越大;對(duì)于球面—平面接觸類(lèi)型球頭副,應(yīng)嚴(yán)格控制球頭半徑R1尺寸,在材料強(qiáng)度允許的調(diào)節(jié)下,R1應(yīng)盡量??;同樣,對(duì)于球面—球面接觸,應(yīng)該盡量控制球碗半徑R2和半徑比Δ,從而減小傳感器的方位誤差。

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