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电阻应变式驾驶杆力传感器的研制.pdf电阻应变式驾驶杆力传感器的研制.pdf -- 1 元

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电阻应变式驾驶杆力传感器的研制中航电测仪器股份有限公司杜友民刘鹏【摘要】介绍了采用半导体电阻应变计的驾驶杆力传感器的特殊要求、结构特点和主要性能,重点介绍了其弹性体选材、梁结构、力学模型建立、设计计算以及零位温度补偿、迟滞特性的改善和减少纵横两方向作用力交叉影响等主要的工艺技术措施。【关键词】应变计传感器弹性元件力学模型温度补偿【中图分类号】TH715.1【文献标识码】BDevelopmentofstraingagesjoysticktransducerZhonghangElectronicMeasuringInstrumentsCo.Duyoumin,LiupengAbstractMainlyintroducejoysticktransducerspecialrequirements,configurationrequirementandleadingperformanceafteradoptingsemiconductorresistancestraingages.Putstressonintroducingsomekeytechniqueprocessesinchoosingspringelement,girderconfiguration,mechanicsmodeestablishment,designingandcalculatingtogetherwithzerotemperaturecompensation,hysteresisperformanceimprovementandreducingforceinfluencefromverticaldirectionandhorizontaldirection.Keywordsstraingagestransducerspringelementmechanicsmodetemperaturecompensation.前言飞机驾驶杆是飞机操纵系统中重要的操纵部件。作为其组成部分之一的驾驶杆力传感器,主要用于感受和测量飞机驾驶操纵力,也可用于其它有关驾驶、操纵作用力的检测。在飞机电传操纵系统中,则要利用杆力传感器输出的信号去控制舵机,使飞机的舵面产生所需要的偏转角,从而达到操纵飞机的目的。因此,在航空应用中,杆力传感器不仅是操纵力的测量器件,也是驾驶员发出操纵指令的中央控制器件,其稳定性和可靠性直接关系到飞机的飞行安全。杆力传感器是飞机操纵和飞行控制系统前端重要的信息源。杆力传感器作为机载传感器,应该满足机载传感器的特殊要求,即应有较高的可靠性和稳定性、动态响应快、抗电磁干扰、耐电源波动及突变的能力强、精度要求较高等。还要有适应机载严酷环境的能力,即工作环境温度范围宽、气压变化范围大、耐振动、冲击、过载、耐湿热、盐雾、霉菌等1。随着测试技术的迅速发展,电阻应变式传感器也有了长足的进步。该种传感器与其它类型传感器相比,具有测量范围广、精度高、输出特性的线性好、性能稳定工作可靠、能在恶劣的环境条件下工作等特点2。应变式传感器由于具有以上优点,得到了日益广泛的应用,如拉压力、称重、压力、扭矩、位移、加速度测量等。尤其在力的高精度测试中,大多数情况下都使用了应变式测力传感器。现有的杆力传感器产品,几乎均采用了电阻应变式的变换原理。一、杆力传感器的特点和主要性能指标1.杆力传感器的特点(1)为提高杆力传感器的可靠性,采用冗余设计技术。即纵或横的同一应力方向上设计有三到四个传感器桥路,同时感受应变并转换成电信号,实现二到三组余度输出。(2)通过合理的弹性元件结构设计和组桥方式,基本消除纵向和横向作用力之间的交叉干扰。(3)通过合理的弹性元件结构设计和优化的贴片位置,消除握点位置对测量精度的影响,使得飞行员的握杆位置不会影响到纵向、横向作用力的测量精度。(4)对零位温度漂移采取补偿措施,使杆力传感器适应于较宽的工作温度范围,确保检测的准确度。(5)纵、横两个受力方向上设计有过载保护装置,以达到传感器过载时予以有效保护的目的,提高杆力传感器的安全性。2.杆力传感器主要性能指标(1)额定量程纵向推/拉各250N横向右压/左压各100N。(2)输出梯度(灵敏度)40mv/每9.8N。(3)零位数出≤±20mV(55℃60℃温度范围内)。(4)滞后输出≤8mV。(5)外形尺寸¢73227(mm)。(6)重量≤1.5kg。(7)系统精度≤±2.5最大输出(55℃60℃温度范围内)。二、杆力传感器的设计1.弹性体材料选择弹性元件是负荷传感器的主体,它将负荷变换成表面应变,再通过应变计测试应变,由应变计组成惠斯通桥路转换成电信号输出。弹性元件是传感器的一次敏感元件,其性能好坏直接影响传感器的性能。因而作为弹性元件的材料,其性能应有较全面的要求强度极限高,使得在高载荷下有足够的强度储备弹性极限高,屈强比大,使得在较大的应力范围内载荷与应变呈严格的线性关系弹性模量具有良好的长期稳定性且温度系数小弹性滞后小、蠕变小组织均匀,各向同性,加工后残余应力小冲击韧性好,使得传感器具有较好的抗冲击、振动和抗疲劳能力热膨胀系数小锻造、机械加工和热处理工艺性好具有较好的抗腐蚀能力等。对于高精度电阻应变式传感器,其弹性元件材料主要常用铬镍钼钢、铬锰硅钢等,如40CrNiMo、50CrMnA、35CrMnSiA等合金钢。我们选取优质合金钢40CrNiMoA材料作为弹性元件材料。2.电阻应变计的选用目前常用的应变计按敏感材料的不同,分为金属电阻应变计和半导体电阻应变计两大类。金属电阻应变计基于金属的电阻应变效应,即金属导体的电阻随着它所受机械变形(伸长或缩短)的大小而发生变化的物理原理。半导体电阻应变计基于半导体晶体的压阻效应和晶向异性特性,即半导体晶体材料在某一晶轴方向受应力作用时其电阻率发生一定变化的物理原理。半导体电阻应变计是用硅或锗等半导体作为敏感栅材料的应变计。其最突出的优点是体积小而灵敏度高,它的灵敏系数要比金属应变计大50100倍,输出信号不必放大即可直接进行测量或记录此外半导体应变计横向效应非常小,蠕变和机械滞后也极小半导体应变计对动态应变响应极快,测量应变的频率响应范围很宽,从静态应变至高频动态应变都能测量。半导体应变计的使用,会使应变计测量系统大大简化,为应变计的发展开辟了宽阔的途径3。鉴于以上叙述的半导体电阻应变计的优点,我们选取半导体电阻应变计作为核心敏感元件。3.弹性体梁结构拟定测力传感器的弹性元件一般有筒形、柱形、环形及梁式等。筒形、柱形弹性元件一般用于较大载荷的测量环形及梁式弹性元件一般用于较小载荷的测量,灵敏度较高。杆力传感器弹性体采用平行梁形式,由互相交叉90°的两对关联平行梁组成一个测力悬杆,其中一组感受纵向作用力,另一组感受横向作用力4,上下部分连为一体,增加了梁的刚度,提高了梁的固有频率并具有良好的散热条件。对其中每一方向作用力,由于其侧向刚度大,于是侧向负载能力强。作用力偏离中心所产生的附加力矩可由梁的上下部分轴向力组成一对平衡力偶相互抵消,提高了其偏载能力。图1弹性体梁结构简图Fig1Structureofspringelement图2方框平行梁结构示意图Fig2Structureofpaneparallelgirder4.弹性元件计算杆力传感器弹性元件为方框平行梁结构。其结构示意图如图2。2.4.1力学模型的建立为便于分析和简化计算,将方框平行梁简化为一超静定刚架,力学模型如图3所示。因为刚架计算通常忽略轴力对变形的影响,力学模型又可进一步简化为一个反对称载荷作用的刚架,简化后的力学模型如图4所示。将受反对称载荷作用的刚架沿水平对称轴切开,这时有三对多余未知力,即一对剪力X1、一对轴力X2、一对弯矩X3。多余未知力如图5所示。Fig3modelofmechanics根据结构力学反对称结构对称的外力为零的理论,因轴力X2、弯矩X3都是对称的,所以应为零。只有反对称的未知力X1存在。基本体系在载荷P及单位未知力X1作用下的弯矩图如6、图7所示。利用图乘位移法求位移Δ1P2{1/2(PL)/2L(a/2)l/(EJ1)}(PL2a)/(4EJ1)
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