王一凡,湯建華,徐修祝

(1.常州紡織服裝職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電學(xué)院,江蘇 常州 213164；2.江蘇大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

0 引 言

基于雙孔平行梁結(jié)構(gòu)的力傳感器具有良好的線性、滯后、重復(fù)性和抗偏載特性[1～3],在小量程的稱重和測力領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。近年來,隨著精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)與智能裝備技術(shù)的發(fā)展,這類傳感器在谷物測產(chǎn)以及經(jīng)濟(jì)作物測產(chǎn)等新領(lǐng)域也逐漸開辟了新的應(yīng)用,通過檢測谷物進(jìn)倉時的沖量變化換算成單位面積的谷物產(chǎn)量,因此又稱為沖量式谷物流量傳感器。國外商業(yè)化的農(nóng)機(jī)裝備,如Micro Track公司、CASE IH公司和Ag Leader公司的聯(lián)合收割機(jī)產(chǎn)量監(jiān)測系統(tǒng)中的傳感器均采用沖量式谷物流量傳感器[4,5]。

沖量式谷物流量傳感器測量的是一個動態(tài)的過程,因此要求傳感器能夠準(zhǔn)確再現(xiàn)流量變化的過程。目前,國內(nèi)外進(jìn)行的相關(guān)研究主要集中在整體測量系統(tǒng)層面[6～9]。對傳感器中彈性敏感元件結(jié)構(gòu)的優(yōu)化分析不多[10,11],還未見到對應(yīng)變梁結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計研究。另外,在實(shí)際使用中這類傳感器較多存在零點(diǎn)漂移的現(xiàn)象,Shoji K等人[12]研究了傳感器的零漂補(bǔ)償算法,使得測量的相對誤差從補(bǔ)償前的19 %,減小到補(bǔ)償后的1.5 %,但沒有分析零漂產(chǎn)生的原因。

本文主要對雙孔平行梁式谷物流量傳感器進(jìn)行了動靜態(tài)特性比較與分析,研究適合于動態(tài)沖擊使用環(huán)境的傳感器敏感梁結(jié)構(gòu),提高傳感器在這種特殊應(yīng)用環(huán)境下的測量精度和零點(diǎn)穩(wěn)定性。

1 谷物流量傳感器的設(shè)計與制作

雙孔平行梁式傳感器主要由雙孔平行梁結(jié)構(gòu)的彈性元件,粘貼在彈性元件上的應(yīng)變片,以及由應(yīng)變片及各種補(bǔ)償電阻連接而成的惠斯頓電橋共同組成。如圖1所示是兩種不同結(jié)構(gòu)的雙孔平行梁傳感器簡圖,設(shè)計量程都是8 kg,其主要差異在于雙孔間距不同：結(jié)構(gòu)A的中間雙孔間距(17.3 mm)相對結(jié)構(gòu)B(42 mm)更小；并且結(jié)構(gòu)A中孔的最小壁厚為1.02 mm,結(jié)構(gòu)B為1.56 mm。兩種傳感器的結(jié)構(gòu)尺寸除上述敏感梁結(jié)構(gòu)不同之外,其他外形尺寸和安裝尺寸都完全一致。此外,在本文研究中,彈性元件的材料(硬鋁2024—T4),Vishay公司350 Ω姆應(yīng)變片以及其他導(dǎo)線、補(bǔ)償電阻等零部件和惠斯頓電橋電路設(shè)計都保持相同,以方便后續(xù)試驗(yàn)比較時,減少其他干擾因素的影響。

圖1 兩種傳感器的結(jié)構(gòu)外形

此外,利用CreoSimulate有限元分析軟件對這兩種結(jié)構(gòu)傳感器進(jìn)行了靜態(tài)應(yīng)力分析和模態(tài)分析,方便與后續(xù)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比分析。圖2為結(jié)構(gòu)A和結(jié)構(gòu)B傳感器在8 kg滿載時的應(yīng)力分布情況。表1列出了兩種結(jié)構(gòu)空載時的一階響應(yīng)頻率和滿載時的傳感器撓度情況。

圖2 二種結(jié)構(gòu)傳感器滿載時的應(yīng)力分布

表1 傳感器一階響應(yīng)頻率和撓度仿真結(jié)果

2 試驗(yàn)與分析

試驗(yàn)中,每種結(jié)構(gòu)方案的傳感器測試數(shù)量各為3只。

2.1 計量性能試驗(yàn)

在常溫環(huán)境下,對結(jié)構(gòu)A和結(jié)構(gòu)B兩種傳感器進(jìn)行了常溫標(biāo)定測試,測試方法按照OIML R60標(biāo)準(zhǔn)的測試方法執(zhí)行。表2列出了兩種結(jié)構(gòu)的測試結(jié)果,結(jié)果表明兩種傳感器在靜態(tài)的計量性能測試中都表現(xiàn)出極好的性能指標(biāo),而且在這些性能指標(biāo)上,兩種結(jié)構(gòu)傳感器的表現(xiàn)基本一致,沒有顯著差異。

表2 傳感器計量性能測試結(jié)果 %FS

2.2 安裝敏感性試驗(yàn)

在收割機(jī)械工作時,振動和沖擊是不可避免的,因此，如果傳感器對從安裝基座傳遞而來的這類附加應(yīng)力敏感,就會對傳感器的輸出信號產(chǎn)生影響,從而影響測量精度。為此本文設(shè)計了一種檢測傳感器的輸出與安裝力矩的相關(guān)性的測試方法來驗(yàn)證兩種不同結(jié)構(gòu)傳感器的安裝敏感性。具體試驗(yàn)方案如下：利用可調(diào)扭矩扳手,將M4安裝螺釘連同待測傳感器固定到上下測試板上,螺釘旋入傳感器螺紋孔中的旋合長度大約是9 mm。依次設(shè)定扭矩扳手的力矩為0.5,2,3.5,5 N·m,然后將螺釘旋緊,每一次按照設(shè)定的扭矩擰緊后,將安裝好上下板的傳感器水平放置,記錄傳感器的空載輸出。圖3為不同擰緊力矩作用下傳感器空載輸出相對0.5 N·m擰緊時傳感器空載輸出的平均變化量。

圖3 二種結(jié)構(gòu)傳感器空載輸出對擰緊力矩的敏感性

在擰緊傳感器上測試板的螺釘或是下測試板的螺釘過程中,這兩種結(jié)構(gòu)傳感器的零點(diǎn)輸出都是逐漸減小的。從0.5 N·m擰緊到5 N·m的過程中,結(jié)構(gòu)A和結(jié)構(gòu)B分別產(chǎn)生了約-0.015 %FS和-0.045 %FS的零點(diǎn)漂移。從表3可以看出,結(jié)構(gòu)B的應(yīng)變片比結(jié)構(gòu)A更靠近安裝螺孔(約近10 mm),因此，安裝敏感性大約增加了3倍。不過由于漂移量較小,這一零點(diǎn)漂移的影響因素還不足以影響測量精度。

表3 安裝扭矩與輸出敏感性

2.3 彎曲剛度試驗(yàn)

使用5 N·m安裝扭矩,將傳感器安裝好上下測試板后,水平放置,然后依次在上頂板的中心位置加載1,3,8 kg的砝碼,同時用千分表測試上測試板產(chǎn)生的垂直變形量,結(jié)果如表4所示。

表4 撓度試驗(yàn)結(jié)果

采用式(1)計算線性相關(guān)的決定系數(shù)R2,結(jié)果表明:傳感器的垂直位移變形量與所加載荷之間是線性關(guān)系(如圖4所示)

圖4 二種結(jié)構(gòu)傳感器的撓度vs載荷

(1)

二種結(jié)構(gòu)的彎曲剛度計算結(jié)果如下

結(jié)構(gòu) A:k=F/y=1/0.022 3 N/mm=44.84 N/mm；

結(jié)構(gòu) B:k=F/y=1/0.036 4 N/mm=27.47 N/mm。

計算結(jié)果表明,結(jié)構(gòu)A的剛性比結(jié)構(gòu)B要高63 %。

2.4 沖擊動態(tài)響應(yīng)試驗(yàn)

本文采用了一種類沖量式的測試方法來比較兩種結(jié)構(gòu)傳感器的動態(tài)相關(guān)性能：首先將傳感器安裝到秤架中,然后將大約3 kg的沙袋作為重物從秤臺正上方1 m處自由下落。試驗(yàn)過程中盡量保證重物落在秤臺的中間位置,以避免附加的扭轉(zhuǎn)變形與研究所關(guān)注的彎曲模態(tài)耦合。

圖5為其中一只結(jié)構(gòu)B傳感器在3 kg沙袋掉落前后的數(shù)據(jù)變化情況：其空載輸出在-0.3 V,大約在采樣開始1.53 s左右,重物掉落到秤盤上,由于沖擊產(chǎn)生的傳感器輸出信號過大,已經(jīng)超出了采集儀的最高采集范圍,采集儀輸出了0.2 V的飽和電壓,出現(xiàn)圖中的第一個峰值A(chǔ)。在1.6～1.7 s時,由于重物被彈起,出現(xiàn)約0.1 s的空載區(qū)間,此時,可以看出傳感器和秤臺的振動波形,后續(xù)根據(jù)這個波形計算傳感器空載時的響應(yīng)頻率。同時可以看出,由于沖擊載荷過大,傳感器此時的控制輸出已經(jīng)產(chǎn)生了一定的正向漂移。在1.7～1.8 s時,重物又落回到秤臺上,所以，在1.8～1.9 s的區(qū)間,可以看到3 kg載荷作用在秤盤上時,傳感器的振動波形。

圖5 結(jié)構(gòu)B傳感器樣品對沖擊載荷的響應(yīng)情況

根據(jù)圖5中1.6～1.7 s區(qū)間的傳感器空載振動波形數(shù)據(jù)和1.8～1.9 s區(qū)間的3 kg載荷作用下的傳感器的振動波形,計算出傳感器測量的響應(yīng)頻率,如表5所示。

表5 傳感器響應(yīng)頻率測試數(shù)據(jù) Hz

將傳感器、秤盤和載荷簡化為一個質(zhì)量彈簧系統(tǒng),然后根據(jù)式(2)計算得出試驗(yàn)中傳感器系統(tǒng)的響應(yīng)頻率

(2)

式中m為包含傳感器、秤盤和重物的系統(tǒng)總質(zhì)量，k為前次試驗(yàn)中得到的彎矩剛度。根據(jù)式(2),計算得到的傳感器系統(tǒng)響應(yīng)頻率和加載質(zhì)量的關(guān)系如圖6所示。

圖6 二種結(jié)構(gòu)傳感器計算的響應(yīng)頻率

從圖6可以看出,若在沒有載荷和秤盤的情況下,結(jié)構(gòu)A傳感器的響應(yīng)頻率約在355 Hz,結(jié)構(gòu)B傳感器的響應(yīng)頻率約在291 Hz,與之前有限元分析結(jié)果(表1)基本一致。已知秤盤的質(zhì)量約為600 g。相對應(yīng)地,傳感器在安裝好秤盤后,結(jié)構(gòu)A傳感器的響應(yīng)頻率下降到128 Hz,結(jié)構(gòu)B傳感器的響應(yīng)頻率下降到101 Hz。并且隨著載荷的不斷加大,二種結(jié)構(gòu)傳感器的響應(yīng)頻率的降低趨勢是一致的：在空載階段,結(jié)構(gòu)A的響應(yīng)頻率比結(jié)構(gòu)B高約27 Hz；當(dāng)滿載到8 kg時,結(jié)構(gòu)A的響應(yīng)頻率比結(jié)構(gòu)B高約8 Hz。而從圖7可以看出,表1計算的理論響應(yīng)頻率和表5中測量的響應(yīng)頻率之間基本體現(xiàn)了良好的一致性,尤其是結(jié)構(gòu)B傳感器其計算和測試響應(yīng)頻率基本一致。

圖7 二種結(jié)構(gòu)計算的響應(yīng)頻率和測量的響應(yīng)頻率差異

本文采用了將上升曲線和下降曲線延伸相交的方法來評估傳感器可能的最大輸出峰值,并使用如下定義：信號放大系數(shù)=傳感器最大輸出(3 kg傳感器從1 m高處掉落)/傳感器靜態(tài)輸出(3 kg載荷),由此得到表6數(shù)據(jù)。

表6 傳感器信號放大系數(shù)比較

根據(jù)表6可知,一個3 kg的重物從1 m高處掉落到結(jié)構(gòu)A傳感器秤盤上,產(chǎn)生的信號相當(dāng)于34.8 kg的重物靜態(tài)加載在傳感器上；同理,若同樣情況掉落到結(jié)構(gòu)B傳感器秤盤上,產(chǎn)生的信號相當(dāng)于31.2 kg的靜態(tài)載荷作用在傳感器上。結(jié)構(gòu)A傳感器對動態(tài)加載的信號放大系數(shù)比結(jié)構(gòu)B高約10 %。

而圖6中測試曲線后半部分表明,由于沖擊載荷的作用,傳感器的零點(diǎn)輸出發(fā)生了正向漂移,統(tǒng)計結(jié)果如表7所示,說明結(jié)構(gòu)A傳感器受沖擊產(chǎn)生的零點(diǎn)漂移比結(jié)構(gòu)B高約35 %。

表7 傳感器沖擊載荷與零點(diǎn)漂移量 %FS

3 試驗(yàn)結(jié)果討論

從計量性能試驗(yàn)結(jié)果,可以看出兩種結(jié)構(gòu)的傳感器的靜態(tài)性能基本一致,相關(guān)指標(biāo)都可以滿足計量要求,靜態(tài)精度可以達(dá)到0.01 %FS左右,因此,在非動態(tài)測量場合,兩者之間具有互換性。

在動態(tài)特性方面,在安裝敏感性試驗(yàn)中，結(jié)構(gòu)B傳感器變化是結(jié)構(gòu)A的3倍，文中認(rèn)為,主要是因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)A的應(yīng)變片相對結(jié)構(gòu)B距離安裝區(qū)域更遠(yuǎn),按照圣維南定理,安裝區(qū)域產(chǎn)生的局部應(yīng)力就不容易影響到更遠(yuǎn)的目標(biāo),故結(jié)構(gòu)A可以更好地減少安裝基座振動扭曲帶來的附加應(yīng)力影響。在彎曲剛度試驗(yàn)中,結(jié)構(gòu)A傳感器的剛度比結(jié)構(gòu)B高約63 %,同時,在任意載荷下計算的響應(yīng)頻率都比結(jié)構(gòu)B要高,試驗(yàn)中在只有臺面重量(600 g)和3 kg加載情況下測量得到響應(yīng)頻率與上述計算結(jié)果基本一致。有限元計算顯示,保持傳感器容量不變的情況下,減小雙孔間距,傳感器的剛度和響應(yīng)頻率都相應(yīng)提高。因此,主要是由于結(jié)構(gòu)A的雙孔間距更小,故其剛度和響應(yīng)頻率都更好。而在沖擊動態(tài)響應(yīng)試驗(yàn)中,結(jié)構(gòu)A傳感器得益于更好的剛度,試驗(yàn)結(jié)果顯示其對沖擊信號的放大效果要比結(jié)構(gòu)B高約10 %,這一點(diǎn)對于測量非常有益,可以幫助提高傳感器輸出信號的信噪比。但試驗(yàn)數(shù)據(jù)也表明結(jié)構(gòu)A傳感器更容易受沖擊載荷作用發(fā)生零點(diǎn)漂移。

4 結(jié) 論

雙孔平行梁式谷物流量傳感器的孔間距尺寸是影響傳感器動態(tài)性能的一個關(guān)鍵參數(shù)：隨著孔間距的減小,傳感器的動態(tài)響應(yīng)提高,同時傳感器信噪比也更好。實(shí)驗(yàn)中,二種結(jié)構(gòu)傳感器的靜態(tài)性能基本相同,但是結(jié)構(gòu)A由于孔間距更小,其相對結(jié)構(gòu)B具有較好的動態(tài)特性,因此，被認(rèn)為更適合作為沖量式谷物流量測量傳感器使用,但需要考慮谷物的最大沖量大小與傳感器的動態(tài)放大系數(shù)和容量相匹配,有待進(jìn)一步試驗(yàn)研究。