陳雙健

(公主嶺市農(nóng)業(yè)機械化學(xué)校，吉林 公主嶺 136100)

0 引言

農(nóng)業(yè)機械水平是現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要標(biāo)志，是改善農(nóng)戶生活水平和提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率的重要保障，因此，不斷提高我國農(nóng)業(yè)機械化水平，是推動農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展、發(fā)展我國農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)地位及建設(shè)現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的重要內(nèi)容之一。

農(nóng)業(yè)機械是改善農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式的重要保障，農(nóng)業(yè)機械田間運行的穩(wěn)定性、安全性與可靠性直接影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率。隨著農(nóng)業(yè)機械的快速發(fā)展，農(nóng)業(yè)機械的生產(chǎn)、制造正在向智能化方向發(fā)展，在農(nóng)業(yè)機械使用過程中，利用各項傳感器對關(guān)鍵部件的力學(xué)性能、疲勞壽命及工作狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)測是保證農(nóng)業(yè)生產(chǎn)穩(wěn)定開展的必要條件，因此，亟需大規(guī)模發(fā)展與應(yīng)用傳感器技術(shù)。

農(nóng)業(yè)機械生產(chǎn)環(huán)境較為惡劣，且由于農(nóng)業(yè)機械生產(chǎn)水平良莠不齊，因此，農(nóng)業(yè)機械使用安全隱患日益突出。為了提高農(nóng)業(yè)機械使用壽命，需要提高農(nóng)業(yè)機械原材料的耐磨性、耐腐蝕性和耐磨損性等，在農(nóng)業(yè)機械工作過程中需要配備相應(yīng)的檢測元件實現(xiàn)關(guān)鍵工作部件過程參數(shù)的實時控制，為了保證農(nóng)業(yè)機械田間工作的穩(wěn)定性、安全性與可靠性需求，需要使用較高精度的傳感器對農(nóng)業(yè)機械關(guān)鍵部件進(jìn)行受力及疲勞監(jiān)測，避免農(nóng)業(yè)機械生產(chǎn)過程中受力過載或者偏載[1-3]。目前，國際先進(jìn)的傳感器技術(shù)一直為國外所壟斷(國際上主要有兩家公司：①采用電阻應(yīng)變片式原理技術(shù)的加拿大KELK公司；②采用壓磁技術(shù)的瑞典ABB公司)[4]。

為了打破國外企業(yè)對傳感器技術(shù)和制造工藝的壟斷，研制出低成本、高品質(zhì)的自主產(chǎn)品，本研究在長期技術(shù)積累和完善的制造檢測裝備支持下，創(chuàng)新設(shè)計一種“電阻應(yīng)變式測力傳感器”。通過企業(yè)自主立項，成立技術(shù)攻關(guān)小組并投入大量資金，聯(lián)合大連理工大學(xué)、上海交通大學(xué)、鞍鋼設(shè)計院、遼寧科技大學(xué)等科研院所及高校，開展了國產(chǎn)農(nóng)業(yè)機械電阻應(yīng)變式測力傳感器研究，通過田間試驗驗證其使用性能與推廣價值。研究結(jié)果對于完善我國傳感器研發(fā)體系提供參考，對于構(gòu)建農(nóng)業(yè)機械高水平的制造裝備和產(chǎn)品檢測設(shè)備提供基礎(chǔ)條件。

1 電阻應(yīng)變式測力傳感器的設(shè)計

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

電阻應(yīng)變式測力傳感器的外形分為盤形、環(huán)形、矩形三種，高度一般≤100 mm。電阻應(yīng)變式傳感器主要是指在彈性體上貼粘應(yīng)變片，彈性體、應(yīng)變片貼在內(nèi)表面(圖1)。為了提高傳感器性能，本研究設(shè)計的傳感器應(yīng)變片貼在彈性體受力中心處(幾何形心上)，示圖處(非表面)，可以提高傳感器的密封性、抗偏載能力，并且可以減少偏載誤差及端面效應(yīng)，提高傳感器精度。

圖1 傳感器基本結(jié)構(gòu)

傳感器內(nèi)部電路圖如圖2所示，R1、R2、R3、R4分別為應(yīng)變片電阻，E為電源電壓，U為電橋輸出電壓，A、B、C、D分別為線路節(jié)點。

圖2 傳感器應(yīng)變片電路結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 工作原理

傳感器承載方式為上下平面均布受載，通過安裝在傳感器上下面的均壓塊，載荷分布板將壓力均布地加載在傳感器的上下面，使粘貼在彈性體上的補償片板產(chǎn)生變形，應(yīng)變電橋電路阻抗改變，輸出與重量數(shù)值成比例的電信號，經(jīng)與顯示儀表或計算機、打印機連接，儀表可同時把重量信號輸給計算機、打印機等設(shè)備，組成測力監(jiān)控、稱重管理系統(tǒng)，可以對機械部件的軸向力和彎曲角度進(jìn)行電信號采集與傳輸，信號處理示意圖如圖3所示。

圖3 傳感器電信號處理示意圖

1.3 基本參數(shù)及技術(shù)指標(biāo)

基本技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 技術(shù)參數(shù)指標(biāo)

2 電阻應(yīng)變式測力傳感器關(guān)鍵技術(shù)及生產(chǎn)工藝

2.1 關(guān)鍵技術(shù)

2.1.1 組合單體傳感器

電阻應(yīng)變式測力傳感器要求過載強、耐沖擊、使用頻率高等[5]，外形為圓形、盤形、矩形三種。設(shè)計了一種組合單體傳感器，在一個彈性體最多作60個測力敏感點，使傳感器提高精度與可靠性，耐過載。

2.1.2 模具貼片

電阻應(yīng)變式測力傳感器貼片工藝復(fù)雜，本研究設(shè)計一種專用模具進(jìn)行貼片，應(yīng)變片貼在彈性體受力中心上(幾何形心上)。由于國家檢測設(shè)備最大為2 000 t，自行研制了10 000 t檢測設(shè)備，確保傳感器質(zhì)量；采用無應(yīng)力集中的彈性不銹鋼帶和控溫氬弧焊接的密封技術(shù)，確保了傳感器的壽命。

2.1.3 彈性體材料

彈性體的材料選用稀釷高強度合金，強度好，彈性好[6]。彈性體設(shè)有多組應(yīng)變孔，每個應(yīng)變孔內(nèi)粘貼有應(yīng)變片，應(yīng)變片貼在彈性體受力中心上(幾何形心上)，可減少偏載誤差及端面效應(yīng)。應(yīng)用組合方式，將24～112點合為一臺傳感器。傳感器敏感元件均采用自行研制的特種超薄高溫線路板組成，專用設(shè)備粘貼。

2.2 生產(chǎn)工藝

根據(jù)設(shè)計圖紙確定機械加工的工藝路線，編制工藝卡片等技術(shù)文件；生產(chǎn)部門按工藝路線、工藝卡片等文件組織生產(chǎn)；然后組裝、檢查、驗收、使用，主要生產(chǎn)工藝如圖3所示。

圖3 生產(chǎn)工藝流程圖

3 性能測試與試驗研究

該產(chǎn)品于2009年開始研制，制作檢測設(shè)備，2011年制作樣機，在企業(yè)內(nèi)部進(jìn)行全面檢測，對檢查出的缺陷進(jìn)行認(rèn)真處理。經(jīng)一年多的生產(chǎn)驗證，本設(shè)備生產(chǎn)質(zhì)量穩(wěn)定，達(dá)到設(shè)計指標(biāo)要求，成品率為100%。

3.1 測試步驟

對農(nóng)業(yè)機械生產(chǎn)使用鋼材工藝的靜態(tài)特性測試主要包括以下幾個步驟：

1)將傳感器測量范圍劃分為若干個等距點，選擇≥5個以上的測試點。

2)由小到大逐漸增加壓力值，并記錄傳感器輸出的數(shù)值。

3)將壓力值從大到小逐漸降低，同時記錄傳感器輸出數(shù)值。

4)重復(fù)步驟2)和3)。

5)根據(jù)測試數(shù)據(jù)計算本研究設(shè)計的電阻應(yīng)變式測力傳感器的線性度、滯后性、重復(fù)性和蠕變等靜態(tài)指標(biāo)。

3.2 測試指標(biāo)

1)線性度。線性度主要是反映傳感器的實際輸入、輸出曲線與據(jù)此擬合的理想直線之間的偏離程度。

2)重復(fù)性。重復(fù)性主要代表傳感器在輸入量按同一方向做全兩次連續(xù)多變所得的特性曲線的不一致程度；

3)滯后。表明傳感器的正向和反向輸入時，在輸出特性上的不一致程度。

3.3 測試結(jié)果分析

本研究設(shè)計的傳感器量程可以達(dá)到1 700 T，經(jīng)中國計量科學(xué)研究院檢測校準(zhǔn)，主要參數(shù)均符合中華人民共和國國家計量檢定規(guī)程JJG391—2009《力傳感器》的規(guī)定。結(jié)果表明，本研究提出的電阻應(yīng)變式測力傳感器相關(guān)性能指標(biāo)為線性度≤1%FS、重復(fù)性≤0.3%FS、滯后≤0.4%FS，滿足實際使用需求，達(dá)到預(yù)期設(shè)計效果。

3.4 經(jīng)濟(jì)效益及社會效益分析

3.4.1 經(jīng)濟(jì)效益

本研究設(shè)計的變式力傳感器生產(chǎn)效益分析表2、表3所示。結(jié)果表明，本研究設(shè)計的力傳感器具有較好的生產(chǎn)效益與市場應(yīng)用前景。

表2 經(jīng)濟(jì)效益分析

表3 預(yù)期產(chǎn)量及經(jīng)濟(jì)效益

3.4.2 社會效益

電阻應(yīng)變式測力傳感器的創(chuàng)新與研發(fā)可以減少對國外產(chǎn)品的依賴，減少進(jìn)口費用，其次，本研究設(shè)計的產(chǎn)品的國產(chǎn)化，打破了少數(shù)國外公司對該重要產(chǎn)品技術(shù)的壟斷，非常有利于我國制造業(yè)的獨立性發(fā)展，最后，有利于我國農(nóng)業(yè)機械生產(chǎn)企業(yè)對電阻應(yīng)變式測力傳感器的維護(hù)維修。

4 結(jié)論與展望

4.1 結(jié)論

在進(jìn)行農(nóng)業(yè)機械生產(chǎn)中，對農(nóng)業(yè)機械關(guān)鍵部件進(jìn)行力學(xué)監(jiān)測與疲勞診斷是保證農(nóng)業(yè)機械工作可靠性與穩(wěn)定性的重要保證，在使用過程中需要配備相應(yīng)的力學(xué)傳感器實現(xiàn)過程參數(shù)的實時控制。但是目前我國相關(guān)傳感器主要依靠國外進(jìn)口。針對以上問題，本研究提出一種電阻應(yīng)變式測力傳感器，可以實現(xiàn)替代進(jìn)口，填補國內(nèi)空白，隨著電阻應(yīng)變式測力傳感器國產(chǎn)化與批量化制造，可以打破少數(shù)國外公司對該重要產(chǎn)品技術(shù)的壟斷，測試結(jié)果表明本研究提出的電阻應(yīng)變式測力傳感器相關(guān)性能指標(biāo)為線性度≤1%FS、重復(fù)性≤0.3%FS、滯后≤0.4%FS，滿足實際使用需求，達(dá)到預(yù)期設(shè)計效果，對于降低制造業(yè)生產(chǎn)業(yè)成本，提高企業(yè)市場競爭力具有重要意義。

4.2 展望

目前，我國尚未制定電阻應(yīng)變式測力傳感器的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，在制造業(yè)生產(chǎn)的傳統(tǒng)意識中，仍然存在國外產(chǎn)品質(zhì)量最好的觀念，因此，改變產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)觀念還需要一段時間，未來應(yīng)該聘請專業(yè)技術(shù)人員、引進(jìn)人才作為生產(chǎn)技術(shù)顧問，努力提高現(xiàn)有技術(shù)人員的素質(zhì)，盡快建立產(chǎn)品進(jìn)入國外市場的通道，提高本產(chǎn)品的技術(shù)水平，盡快將此技術(shù)推向國際市場。

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