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称重传感器弹性元件的结构设计和材料选择

时间:2019-04-18 22:33   点击数:

1 前言

随着科学技术的进步, 工业生产自动化、智能化水平的提高, 动态称重及应变式称重传感器被广泛应用。动态称重时, 被测物体的质量少数是变化的, 例如电子皮带秤所称量的物料, 多数是恒定的。因此对动态称重系统瞬态特性的要求可以放宽些, 只要在允许的称重时间内能够达到稳态, 准确的测量出重量即可。对于称重传感器而言, 最重要的机械部分是弹性元件, 因此, 弹性元件的结构合理, 材料稳定以及最低限度的滞后, 对称重传感器的准确度起着至关重要的作用。

2 弹性元件的结构设计要求

为了保证线性的载荷关系, 弹性元件应该是一个整体结构, 因为各连接件之间的位移都可以引起非线性和离散性。连接、摩擦接触、紧固或任何非整体状态都成为潜在的问题, 所以最好的设计是没有运动部件的整体结构。弹性元件应有足够的热转换以防止电阻应变计自热, 如果其温度比弹性元件高, 那怕只差0.1℃, 就可能难以达到稳定的性能。在电阻应变计和补偿电阻面积上的任何温度梯度, 都能引起零点温度漂移或标定结果的变化。

在设计弹性元件时, 首先要考虑弹性元件的固有频率

2.1 固有频率

所谓固有频率, 就是能达到弹性元件本身最高的频率。为使振动对灵敏度的影响减至最小, 固有频率应尽量高, 即要求弹性元件结构具有较大的刚度和较小的质量。

圆柱式弹性元件是典型的没有多余部件的整体结构, 其固有振动频率f0

 


式中:L—圆柱式弹性元件的长度 (m) ;

E—弹性元件材料的弹性模量;

A—弹性元件的横向截面积;

m—弹性元件单位长度的质量 (kg/m) 。

用弹性元件的质量和长度表示单位长度的质量, 经进一步变换后, 得m=Aρ

式中ρ为弹性元件材料的密度。将m和π代入上式, 得

 


例如:20t圆柱结构压式称重传感器, 弹性元件的高度L=100mm=0.1m;弹性元件材料40CrNiMoA的弹性模量E=2.1×104kg/mm2=2.1×107t/m2;弹性元件材料的密度ρ=7.85t/m3。固有频率为

 


2.2 在额定载荷下应变区应有合适的应变水平

在额定载荷作用下, 弹性元件应变区的应变水平, 对称重传感器的线性、滞后、蠕变和疲劳寿命都有较大影响。这里说的应变水平, 实际上是保证应变稳定并与载荷成较严格线性关系的应变范围, 它与弹性元件所用的材料密切相关。综合考虑, 一般应变水平在1000με~1700με范围内进行调整, 以1000με~1200με为最佳, 保证称重传感器的灵敏度为2mV/V。

2.3

弹性元件整体结构且最好不要焊接, 因为残余应力影响和焊接后将降低疲劳寿命, 并助长了微塑性性能。

2.4 弹性元件挠度

弹性元件任何几何形状的变化必然地伴随着出现一定程度的非线性响应, 因此, 弹性元件必须是小变形。弹性元件刚度大不仅对提高固有频率有益, 而且也有助于把几何形状变化引起的非线性减至最小。

2.5 温度 (即热效应) 的考虑

粘贴在弹性元件上的电阻应变计是一发热源, 当热传导到弹性元件其它部分时, 不应在其工作区域产生温度梯度, 而影响称重传感器的工作特性。因此设计弹性元件结构时, 电阻应变计粘贴区域应具有热传导对称的性质, 以降低温度梯度。此外, 弹性元件产生轴向应变的同时发生着体积的变化, 在绝热条件下, 这种体积变化会导致温度的变化ΔT, 从热力学定律可导出:

 


式中:E———弹性模量;

T———试件温度;

α———线膨胀系数;

C—比热;

ρ—比重;

Δε—应变的变化量。

载荷的突变同时引起弹性元件应变区温度变化ΔT, 由于温度要向应变小的两头传导, 弹性元件会趋于一个新的热平衡, 因此ΔT随着时间而减小。这种导致与室温发生偏差的应变损耗, 根据弹性元件的应变梯度及其材料的热传导势的不同而要持续数秒至数分钟。绝热温度变化通过热膨胀系数引起弹性元件体积变化。应用上式计算初始弹性元件发热效应ΔT的量值, 并与弹性元件上热敏元件的指示值进行比较, 其ΔT的理论计算值与实际测量值相差不超过7%。

以上几点是进行弹性元件结构设计时需要注意的, 想要保证弹性元件的结构设计合理, 还需要进一步的进行三维建模和仿真, 分析和数据处理, 使得性能波动最小。

3 弹性元件的材料选择

随着称重传感器技术的发展, 对弹性元件金属材料提出了一些新要求, 概括起来就是制造弹性元件的结构材料应尽量具有功能材料的特点。即在性能上, 对称重传感器的特性起举足轻重的作用;在应用上, 制成弹性元件后, 实际上是材料与敏感元件一体化;在对材料的评价上, 是以弹性元件形式对其性能进行评价, 称重传感器性能直接体现材料的优劣;在制造上, 对成分、冶炼、锻造、淬火、回火工艺要求严格, 并尽量少产生残余应力。弹性元件应变稳定性与金属材料的性能密切相关, 从粘贴在弹性元件上电阻应变计电阻的相对变化即可看出。其电阻应变计电阻的相对变化为:

 


式中:εR———电阻应变计电阻的相对变化;

C———应变利用系数;

K———电阻应变计的灵敏系数;

ε———弹性元件的弹性应变。

由式可见, 提高弹性元件应变的稳定性是提高称重传感器整体稳定性的基础和关键。因此, 弹性元件金属材料不仅是结构材料而且还应具有功能材料的特点。兼顾机械性能、热传导性能、工艺性能。目前国内外应用最多的是2A12硬铝合金, 强度高、耐热性好且易于时效处理。

结束语:本文介绍了称重传感器弹性元件的结构设计, 希望对机械设计人员提供一定参考, 也可以帮助读者了解称重传感器的相关设计。