（机械电子工程专业论文）酒罐液位测控系统设计.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 随着微电子技术的不断发展，人们对液位的测量精度和自动化程度要求越 来越高，特别是高温、高压、强酸、强碱等环境下的液位检测提出了更高的要 求，不但要保证足够的精度，更注重测量的安全可靠。本课题酒罐液位测 控系统设计就是基于此而提出来的。 论文首先阐述了当前酒罐液位几种检测方法，针对其测量精度不高、可靠 性低、可维护性和实时性差等缺点，提出了可行性方案。然后就整个酒罐液位 测控系统划分为四个模块，分章节对各个模块进行了阐述。 称重传感器的设计是本文研究的重点。在一个现代自动检测系统中，如果 没有传感器，就无法监测与控制生产过程中各个环节的各种参量，也就无法实 现自动控制，因此传感器的设计尤为重要。文中详细论述了称重传感器设计过 程。 酒罐液位仪硬件电路设计包括o p 0 7 差动放大电路、i c l 7 1 3 5 四位半a d 转换电路、i s p 下载电路以及单片机外围扩展电路，每个电路都采用模块化设 计，可靠性高，便于维护。 稳压电源设计部分，由于传感器电桥、放大电路、a d 转换电路中的各种 芯片都需要稳定的电源供电，而且它们选用的电压不同，还要尽量避免干扰， 部分芯片需要正负两组电源供电。针对上述要求，设计了实用的稳压电源。 应用软件部分采用模块化设计，共分为八个模块进行设计。如a d 转换程 序、i 0 转换程序、人机接口程序、报警液位设置程序、酒罐重量设置程序、 清零复位程序、串口通讯程序和主程序。 该系统电路的设计具有通用性，能适用于其他液位或者非液位检测系统。 关键词：酒罐液位；轮辐式；称重传感器；单片机 西南交通大学硕士研究生学位论文第页 a b s t r a c t w i n lt h ec o n t i n u o u sd e v e l o p m e n to fm i c r o e l e c t r o n i ct e c h n o l o g y ，t h ed e m a n d o fm e a s u r e m e n ta c c u r a c ya n da u t o m a t i o nd e g r e eo fl i q u i dl e v e l , e s p e c i a l l yt h e m e a s u r e m e n to fl i q u i dl e v e li nt h ee n v i r o n m e n to fh i g h - t e m p e r a t u r e ，h i g hp r e s s u r e ， s t r o n ga c i do rs t r o n ga l k a l i ，n o to n l yt h es u f f i c i e n ta c c u r a c ym u s tb ea s s u r e d , b u tt h e s a f e t ya n dr e l i a b i l i t ym u s tb ep a i dm o r ea t t e n t i o n t h i st h e s i s t h ed e s i g no ft a n k s l i q u i dl e v e lm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e mi sp u tf o r w a r do nt h eb a s i so ft h i s b a c k g r o u n d p f i r s t ，m e t h o d so fm e a s u r i n gt h et a n kl i q u i di nc u r r e n td a y sa r ei n t r o d u c e d a i m i n ga tt h ef a u l t ss u c ha st h el o wm e a s u r e m e n ta c c u r a c y ，l o wr e l i a b i l i t y ，p o o r m a i n t a i n a b i l i t ya n dn o nr e a l - t i m e ，e t c ，af e a s i b l es c h e m ei sb r o u g h tu p t h ew h o l e t a n k sl i q u i dl e v e lm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e mi sd i v i d e di n t of o u rm o d u l e s ， w h i c ha r ee x p o u n d e d r e s p e c t i v e l yi ns e p a r a t ec h a p t e r sa n d s e c t i o n s t h ef o c u sp o i n to ft h et h e s i si st h ed e s i g no fw e i g h i n gs e n s o r i nam o d e m a u t o m a t i cd e t e c t i o ns y s t e m ，i ft h e r ea r en os e n s o r s ，v a r i o u sp a r a m e t e r so fe a c hp a r t i nt h ep r o c e s so fp r o d u c t i o nw o u l dn o tb em o n i t o r e do rc o n t r o l l e d , t 1 1 ea u t o m a t i c c o n t r o lw o u l dn o tb ea c h i e v e de i t h e r s ot h ed e s i g no fs e n s o ri se s p e c i a l l yi m p o r t a n t t h ed e s i g np r o c e s so f w e i g h i n gs e n s o ri sd i s c u s s e di nd e t a i li nt h et h e s i s h a r d w a r ed e s i g no ft h ew i n et a n k sl e v e li n c l u d e so p 0 7d i f f e r e n t i a la m p l i f i e r , i c l 713 5a n a l o gt od i g i t a lc o n v e r s i o nc i r c u i t , i s pd o w n l o a dc i r c u i ta n dm c u e x p a n d i n gc i r c u i t s e a c h c i r c u i ti so fh i g h r e l i a b i l i t y a n dc o n v e n i e n tf o r m a i n t e n a n c ef o ru s i n gm o d u l a r d e s i g n t h e p a r to f t h ep o w e r s u p p l yd e s i g n b e c a u s ei nt h es t a b l ep o w e rd e s i g n , s t a b l e p o w e ri sn e e d e di na l lk i n d so f l ci ns e n s o rb r i d g ec i r c u i t , a m p l i f i e rc i r c u i ta n da d c o n v e n e rc i r c u i t , t h ev o l t a g ei sd i f f e r e n t ，i n t e r f e r e n c em u s tb ea v o i d e da sp o s s i b l e ， a n dp o s i t i v ea n dn e g a t i v ep o w e ri sn e e d e di ns o m ei c i nr e s p o n s et ot h e s er e q u e s t s ， p r a c t i c a ls t a b l ep o w e ri sd e s i g n e d m o d u l e sd e s i g ni su s e di nt h ep a r to ft h ea p p l i c a t i o ns o f t w a r e ，d i v i d e di n t o e i g h tm o d u l e s s u c h a st h ea dc o n v e r s i o np r o g r a m ，i oc o n v e r s i o np r o g r a m ， h u m a n - c o m p u t e ri n t e r f a c ep r o g r a m ，a l a r ml e v e ls e t t i n gp r o g r a m ，r e d u c t i o n 西南交通大学硕士研究生学位论文第m 页 p r o g r a m ，t h ew e i g h to ft a n k ss e t t i n gp r o g r a m ，z e r oc l e a r i n g a n dr e s e t p r o g r a m ， s e r i a lc o m m u n i c a t i o np r o g r a ma n dt h em a i np r o g r a m t h ed e s i g no fc i r c u i to ft h i ss y s t e mi su n i v e r s a l ，w h i e ho a nb ea p p l i e dt oo t h e r l e v e lo rn o n - l e v e lm e a s u r e m e n ts y s t e m k e y w o r d s ：t a n k sl i q u i dl e v e lm e a s u r e m e n t ，s p o k e ，w e i g h i n gs e n s o r s ，m c u 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密日，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打弘4 ) 学位论文作者签名：崎如、，才壶 日期：5 m 7 歹 指导老师签名： i 司衫厶 日期：文扩，z 7 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所 得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 1 、系统芯片选用a t m e l 公司高性价比的c p i 卜a t 8 9 s 5 2 ； 2 、采用三个称重式传感器对称布置测量酒罐液位，摒弃了浮子式液位计、 静压式液位计和超声波液位计的不足，充分发挥了称重式传感器的优 点。传感器不与酒接触，安全性大大提高，且有很高的测量精度； 3 、整个硬件部分采用模块化设计，缩短了设计周期，也便于后期扩展； 4 、增加了i s p 下载电路，可以随时更改单片机程序。 学位论文作者签字：娜小弛 日期：略协i ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 课题的背景和研究意义 白酒是一个特殊的行业，独特的工艺决定了其产品生产周期较长，刚酿造 出的白酒实际上只是半成品，要经过相当长一段时间储存，以使酒体自然老熟。 所谓“酒是陈的香 ，即指以正确的方式对酒储存，时间越长则酒体越醇厚、香 味越悠长、口感越舒适。一般情况下，大型白酒生产企业均建有储酒基地，对 酒进行分批储存，那么实时监控酒罐液位及其他参数的变化就变得尤为重要。 本课题酒罐液位测控系统就是在这个基础上产生的。 在储罐液位检测领域中，尤其是涉及到高温、高压、强碱、强酸、易燃易 爆、远距离传送和密闭压力容器等条件下，要实时准确的掌握储罐作业信息， 确保储罐的安全，是一项很困难的事情。液位测量和控制不仅影响到生产的安 全、产品的质量，同时也会影响到其他工业参数的稳定和控制。在以往的储罐 监测计量及安全管理中还主要靠手工检尺、人工计量、人工巡检的方式，其测 量精度、可靠性、可维护性、实时性等均难以适应现代信息化建设的需求。所 以研究出一套完备的储罐液位检测系统成为当前行业尤须解决的问题。 1 2 国内外研究现状 国内外研究了许多的储罐监测计量方法及装置，如检尺法、静压法、液位 法等，也涉及到多种测量技术，如压力式、伺服式、雷达式、磁致伸缩式、浮 子钢带式等。在现今社会中用的最多的主要有以下三种测量技术： 1 、采用浮子式液位计，其工作原理基于阿基米德定律，漂浮于液面上的浮 子或浸没在液体中的浮筒，在液面变动时其浮力会产生相应的变化，从而可以 检测液位。这种液位计的缺点是液位计安装在酒罐内部，安装要求较高，机械 结构比较复杂，机械摩擦力、安装精度和钢带线性膨胀等都会影响测量精度， 另外浮子吃水深度变化大，所造成的检测误差也偏大。 2 、采用静压式液位计，它是根据液体在容器内的液位与液柱高度产生的静 压力成正比的原理进行工作的。将压力计与容器底部相连，根据流体静力学原 理，所测压力与液位的关系为：p = - pg h 。这种液位计是靠酒的自身重力产生信 号，当液位很低时，可能无法检测到信号。另外出酒和进酒时，酒体会有扰动 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 可能产生附加应力，从而测量精度将大大降低。 3 、采用超声波液位计，它是基于回声测距原理设计的，利用超声波发射探 头发出超声脉冲，发射波在液位表面反射形成回波，由接收探头将信号接收下 来，测出超声脉冲从发射到接受所需时间，根据已知介质中的波速就能计算出 探头到液位表面的距离，从而确定液位的高度。这种液位计的缺点是：一、酒 属于易挥发性物体，超声波在测量时，精度比较低；二、出酒和进酒时，可能 会产生许多气泡而且液面的波动会比较大，这些因素都会使测量精度大大降低。 三、传感器需安装在酒罐内部，安装维护困难。 而本次设计采用的是称重式液位计测量液位，传感器安装在酒罐钢支架上， 传感器不与酒相接触，安全性高；另外出酒和进酒时产生的气泡和液面的波动 对称重式传感器基本无影响；安装维护方便，测量精度高。 1 3 本课题的主要研究内容 本课题采用的是称重式传感器测量酒罐液位，三个传感器对称安装在酒罐 钢支架上，传感器检测到的电压信号经放大电路和模数转换电路，并将转换后 的数据送单片机处理，单片机可实现数码显示、i s p 在线编程和与上位机通讯 等功能。上位机与单片机采用r s - 4 8 5 总线通讯，可实时监控酒罐液位变化，达 到无人值守的目的。 以上硬件电路虽然是针对储酒罐液位测量而设计的，但是它同样适用于其 他储罐系统，如储油罐、储水罐等，因而系统具有较强的实用性和通用性。 整个设计采用模块化设计，使设计的周期大大减少，调试极为方便。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 第2 章总体方案拟定 本套设计方案是为了能准确地检测酒罐的液位，为酒罐的进出酒工序提供 较为精确的数据，以免在生产工作中造成不必要的损失。本章将根据储酒罐厂 家提出的控制和功能要求，设计出一套完备的总体方案。 2 1 系统功能要求 本设计所要达到的技术指标和功能要求如下t 1 、液位检测精度1 ； 2 、液位检测最大高度2 0 m ； 3 、酒罐数量：初步设计为3 0 座( 依实际情况可酌量扩充至7 2 座) ： 4 、液位显示为数码显示； 5 、警告方式：对极限液位设置声光报警； 6 、能够手动设置报警液位、液位高度； 7 、能够实现i s p 在系统编程； 8 、能够实现3 0 座酒罐液位集散控制。 2 2 系统组成及其工作原理 1 号罐液调零放 a j d 转 上网 单片机 位传感器大电路换电路 上 ； li i 位 显示 机 3 0 号罐液调零放 a d 转 单片机 l i 位传感器大电路换电路报警 水泵等h 固体继电器l 一。从转换电路卜_ 图2 1酒罐液位集散控制系统框图 根据厂家的设计要求，参照国内外类似产品的经验，并结合前期研究成果 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 最终确定了酒罐液位测控系统的组成方案。整个系统由1 台上位机和3 0 台下位机 构成。下位机( 单片机) 与上位机之间的通讯采用r s 一4 8 5 总线及主从式多机通 信，上位机与下位机均可成为独立系统进行工作。该酒罐液位集散控制系统框 图如图2 - 1 所示。 本系统通过三个称重式传感器对称布置来实现液位的检测；传感器检测到的 电压信号( 0 - 6 0 m v ) 经调零放大电路将电压放大到0 - 2 v ；放大后的电压信号经 精密a d 转换电路，将模拟信号转化为数字信号；转化后的数字信号送单片机处 理，处理后的数据送上位机和数码显示，同时还设置了极限液位声光报警电路和 i s p 在系统编程电路。各路下位机均通过数据接口( r s 一4 8 5 总线) 与上位机通讯， 由上位机定时向各下机位查询，以获得液位深度数据，并将其与相应的液位设定 值对比后，给不同的操作地点提供指令，以保证液位处于正常位置，同时还可以 自由地启停控制设备( 水泵等) ，完成酒罐的进出酒控制。 该电路设计具有以下特点： 1 、三个称重式传感器对称布置检测液位，每套传感器有单独的供电电源， 保证了检测数据的准确性； 2 、放大电路采用的是0 p 0 7 差动放大电路，提高了抗干扰能力； 3 、放大电路后加调零电路，可以去除因干扰所带来的零点漂移； 4 、运算放大器电源采用三端稳压模块稳压来提供稳定的正负电源，保证了 放大的精度和稳定性； 5 、在a d 转换电路中，对信号不断积分，对噪声信号进行了平滑积分处理 提高了抗干扰能力； 6 、具有i s e 在线编程电路，可以很方便的更改单片机程序，省却了昂贵的 编程器； 7 、可通过r s 一4 8 5 串行通信方式将获得的液位等数据传送给上位机，以便 对测试数据作进一步分析处理或实现数据库管理； 8 、各部分电路均采用模块化设计思路，提高了产品的调试与维护效率，缩 短了研发周期； 软件部分主要包括监控程序、接口管理程序和数据处理程序三大部分。其 中监控程序面向仪器面板键盘和数码显示，其内容包括人机对话的键盘输入及 对仪器进行预定的功能设置，对处理后的数据以数字形式显示。接口管理程序 主要通过接口电路进行数据采集、输入输出通道控制、数据的通信及数据的存 储等。数据处理程序主要完成数据的滤波、数据的运算、数据的分析等任务。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 第3 章传感器的设计 现代信息技术的三大基础是信息的采集、传输和处理技术，即传感技术、 通信技术和计算机技术，它们分别构成了信息技术系统的“感官、“神经 和“大脑”。信息采集系统的首要部件是传感器，且置于系统的最前端。在一 个现代自动检测系统中，如果没有传感器，就无法监测与控制生产过程中各个 环节的各种参量，也就无法实现自动控制。本章将根据课题的实际要求介绍传 感器的设计。 3 1 传感器的选择原则 称重式传感器实际上是一种将质量信号转变为可测量的电信号输出的装 置。它是系统的最前端，它测量数据的准确程度直接影响后续数据的准确性， 所以传感器的选择显得尤为重要。 1 、应考虑传感器所处的实际工作环境 这点对正确选用传感器至关重要，它关系到传感器能否正常工作以及它的 安全和使用寿命，乃至整个液位仪的可靠性和安全性。a 、高温环境对传感器 造成涂覆材料熔化、焊点开化、弹性体内应力发生结构变化等问题；b 、粉尘、 潮湿对传感器造成短路的影响；c 、电磁场对传感器输出紊乱信号的影响；d 、 易燃、易爆不仅对传感器造成彻底性的损害，而且还给其它设备和人身安全造 成很大的威胁。 2 、对传感器数量和量程的选择 传感器数量的选择是根据液位仪的用途、秤体需要支撑的点数( 支撑点数 应根据使秤体几何重心和实际重心重合的原则而确定) 而定。传感器量程的选 择依据秤的最大称量值、选用传感器的个数、秤体的白重、可能产生的最大偏 载及动载等因素综合评价来确定。 3 、要考虑各种类型传感器的适用范围 传感器型式的选择主要取决于称量的类型和安装空间，保证安装合适，称 量安全可靠。 4 、还要对传感器准确度等级进行选择 传感器的准确度等级包括传感器的非线形、蠕变、蠕变恢复、滞后、重复 性、灵敏度等技术指标。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 在此选用电阻应变式称重传感器。 3 2 电阻应变式传感器的优势 电阻应变式传感器是以电阻应变计为电阻转换元件的传感器，它是目前国 内外应用最为广泛的一种传感器。电阻应变式传感器拥有其他类型传感器无法 比拟的优势： 1 、坚实而紧凑的结构，没有传统的工业检测仪表的可动部件，如杠杆、连 杆、弹簧、游丝等。无明显的机械磨损，也不怕油污、尘埃污染，具有 在复杂环境下工作的能力； 2 、测量范围广，具有一定的过载能力； 3 、具有适合于本地和远距离指示的电输出、电信号输出形式，还具有比较、 显示、集合等功能。因而可以方便的对信息进行采集、集中、存储、传 输、简化、加工及恢复。对于复杂的系统，可以容易地用计算机进行处 理，最后组成现代工程中经常出现的各种复杂自动化集中控制设备； 4 、可以获得较高的精度和快速响应； 5 、具有较高的选择能力，最典型的就是在应变电桥电路中，由于采用了自 动补偿，极大地消除了温度对传感器的影响； 6 、不易老化、疲劳并且时效、寿命较长； 7 、产品成本低，易于批量生产。 3 3 设计理论依据 3 3 1 电阻应变式传感器的基本原理 以金属材料为转换元件的应变计，其转换原理是基于金属电阻丝的电阻一 应变效应。所谓应变效应是指金属导体的电阻值变形而发生改变的一种物理现 象。设有一长为z 、截面积为s 、电阻率为p 的导电金属丝，它的电阻由下式确 定： r = p i i ( 3 一1 ) 当它受到轴向力而被拉伸( 或压缩) 时，其，、s 和p 将发生变化，如图 3 - 1 所示( 受拉伸情况) ： 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 图3 - 1 导体受拉伸后的参数变化 导体电阻r = ，f ( 1 ，s ，p ) 也随之发生变化。将式( 3 一1 ) 两边取对数得： 扬r = i n p + i n l i n s ( 3 2 ) 对式( 3 2 ) 两边微分得： 塑：尘+ 丝一坐( 3 3 ) 一= 一十一 1 一】j r p ls 式中： 百d r 一电阻的相对变化； 孚材料的轴向线应变，孚= 占( 占为金属丝的轴向应变) ；( 3 4 ) 警截面积的相对变化( 截面为圆形) 。 因为s = 2 可得 式中： d s2 册毋 ，、d r 一= - = 么一 s留ir ( 3 - 5 ) ，金属丝半径； 生金属丝半径的相对变化，由线应变定义皇三：s ，( 占，为金属丝 的径向应变) 。 又由材料的泊松比定律：= 一胪( 为泊松比) ，代入皇三= 0 ， 得出 一d r = 一肛 ( 3 6 ) 将式( 3 4 ) 、( 3 - 5 ) 、( 3 - 6 ) 代入式( 3 - 3 ) ， 得 警：( 1 伽n 警 7 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 金属材料的电阻率相对变化与其体积相对变化之间满足塑= c 譬， p y 凼为v = s i 微分后得到 可d v = 了d s + 了d l 又因为 _ d l = i d s d r 一= z sr 所以 可d v = 了d s + 丁d l = 2 ，+ 占= 一2 肛+ 占= ( 1 2 弦 所以坐= c ( 1 2 a ) 6 代入到式( 3 - 7 ) 得 百d r = ( 1 + 2 p ) 占+ c ( 1 - 2 t ) s - - ( 1 + 2 z ) + c ( 1 2 a ) 】占= s 。占 ( 3 - 1 1 ) 考虑到实际上a r r ，故将上式取有限值得： i a r ：s 肘占 ( 3 1 2 ) r m 式中： 金属材料的灵敏度系数，= ( 1 + 2 a ) + c ( 1 - 2 p ) 。 式( 3 - 1 2 ) 表明，金属材料的电阻相对变化与其线应变占成正比。 3 3 2 局部刚度差及差动电桥原理 虽然传感器结构形式多种多样，但大都遵循两个基本原理局部刚度差 原理和差动电桥原理，它可以帮助我们分析研究实际涉及的弹性体结构与理论 上力学计算模型相符合的程度，在外加正向载荷及力学干扰条件下，弹性体结 构形式和组桥方式在抑制非理想加载及力学干扰、提高性能方面所起的作用。 1 局部刚度差原理 该原理包含以下两方面的含义：一方面在传感器弹性体设计时，应使弹性 体非检测部位的变形与被检测部位的变形相比是极其微小的，即在两者之间造 成极大的刚度差，从而使变形集中在被测的局部区域，产生的应变值最大，而 ) ) d m 扣 卜 卜 仔 伊 浯 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 弹性体总位移是微小的；另一方面无论被测正向载荷通过几个力路，在每个力 路都必须同时建立起与该传感器结构原理一致的应变场。同时，在理想的位置 上，应变场的主应变的方向应该是唯一确定的。设计时尽量考虑传感器为一整 体，即主要通过改变弹性体的横截面积及其形状来使被测区域与非检测区域之 间形成刚度差。另外需要指出的是，把局部刚度差原理理解为力学上的应力集 中现象是错误的。 2 差动电桥原理 所谓差动电桥原理同样也包含两方面的意义：一方面在电桥电路中，电阻 应变计必须对所有的力路进行检测，且有正向载荷引起的应变值，在桥路上总 是叠加输出的；另一方面由非正向载荷引起的附加应变，在正负桥壁上或者抵 消，或者正负的出现，且理论上完全相等，因此它们在桥路输出中总是对称出 现的。差动电桥理论可指导我们获得最佳的布片组桥的方案。 3 4 电阻应变式传感器的结构及其力学分析 传感器的结构主要由弹性元件、应变计和外壳等组成。在进行弹性元件设 计时，主要是根据被测压力和力的性质、测量范围和精度的要求，以及工作条 件、安装尺寸等已知条件来考虑和设计弹性体的结构形式。在此采用的结构是 轮辐式。 3 。4 1 结构与原理 轮辐式传感器由轮圈、轮轱、轮辐条、应变计组成，其结构简图如图3 2 所示。轮辐条对称的连结在轮圈和轮轱之间，可为四根或者八根( 此处设计采 用四根轮辐条) 。当外力作用在轮轱上端面和轮圈下端面时，使辐条产生平行四 边形的变形，此时在辐条上产生了与外力成正比的切应力。如将应变计与辐条 水平中心轴线成4 5 度方向粘贴成8 ( 或者1 6 ) 片应变计，分别贴在4 ( 或者8 ) 根辐条上，即组成全桥电路。当轮轱受外力时，使轮辐条变形，粘贴其上的电 阻相应变化，电桥失去平衡，则在电桥输出端产生电压信号。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 7 士l 士 军l ；不 图3 2 轮辐式传感器结构简图 3 4 2 力学模型分析 根据局部刚度差原理知：轮辐条对称分布，轮轱和轮圈的刚度很大，外力 作用时，轮轱和轮圈的变形相对于轮辐条( 弹性体应变梁) 的变形极其微小， 可认为其为绝对刚体( 即变形为零) 。故可将轮辐式传感器受力情况简化成图 3 3 a 所示。 图3 3 a 简化力学模型图3 3 b 单根轮辐条受力图 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 图3 3 c力矩图 ab l k l f f l 8 l 皿暑 f l 卅8 p 图3 3 d 弯矩图 图3 3 e 弹性梁受力图 当外力f 作用在轮轱的中心，由于4 根轮辐条对称布置，故每根轮辐条受 到f 4 的力。取一根辐条来分析，单根辐条受力情况可简化为悬臂梁受集中力 f 4 和力偶m 8 ，其中力偶未知，其受力简图如图3 3 b 。由于轮辐条两端为刚性 固定连接，所以a 、b 处的转角为零，即翻= 岛= 0 。即在集中力f 4 和力偶 m b 共同作用下，使b 端回转角为零。 当集中力f 4 单独作用时，此时b 端的回转角为：0 ，= ( f 4 ) l 2 2 e i 当力偶m b 单独作用时，此时b 端的回转角为：p ：= - - m l 2 e i 由题意矢口： p ，+ 口：= 口。= 0 由此得：m b = f l 8 从而可做出悬臂梁a b 段的力矩图( 图3 - 3 c ) 和弯矩图( 如图3 - 3 d ) 。 悬臂梁受集中力f 4 和力偶m b ，悬臂梁截面为( 宽为b ，高为h 的) 矩形，从 而可求出b 端挠度为： f ，、1 ，3 ( 3 - 1 3 ) ：竖一一m s l 2 ：娶 3 e l2 e 1 4 e b h j 另一方面，按弹性力学平面问题的应力函数法，可求出剪力f 4 在b 端引起的 剪切挠度为： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 y f l h 2 3 f l ( 1 + ) 口，= 一= o 3 2 g 14 b h e 故b 端的总位移为： k = 娶+ 3 f l o + i t ) “4 e b h 4 b h e 从图3 3 d 的弯距图可以看到，在弹性梁的a 、b 处有最大弯距， 产生的最大弯曲应力为： ( 3 1 4 ) ( 3 1 5 ) a 、b 截面上 m r兕3fl(3-16) 仃m a x 。芾2 8 ( b h 2 6 ) 2 4 b h 2 由图3 3 e 可知，弹性梁a b 在任意截面梁上的弯距为： m ( 耻鲁x 一等= i f ( 2 x 卅 显然，x = l 2 处的横截面上弯距为零，即此处弯曲应力为零，只受剪应力。从 图3 3 c 可以看到，弹性梁上的剪力是一个常量，即q = f 4 ，各截面上剪应力的 分布也是相同的。其剪应力分布如图3 4 所示。 根据材料力学有： 式中： 硝zi 下l i 图3 4应力分布图 f=告=旦z(笙41 b2 1 一y 2 ) 7 ， i 广截面中性轴z 的惯性距： s ：距中性轴为y 的横线以外的部分对中性轴的静距。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 可见，y = 0 时，r 最大，即在截面的中性轴上，剪力最大： 3d3 ， ( 3 1 7 ) f m a x = 一2 三b h 2 i 瓦 式中： r 。，( _ 剪应力最大值； 卜传感器所受的外力； 卜轮辐条横截面的宽度； h 轮辐条横截面的高度。 显然，电阻应变计的粘贴位置及电桥的组桥接线方法，应该是在剪切应力 最大、弯曲应力最小的位置，并能将附加的力学干扰抵消或抑制。通过上面的 分析可以看到，不仅在弹性梁中性轴上，弯曲应力为零，而且在弹性梁整个中 间截面上，弯距都为零，为纯剪场。因此此处最大正应力和最大剪应力存在如 下关系： 3 f ( 3 1 8 ) 0 1 蚪f m a x 。+ 面 ( 3 1 9 ) 3 f 仃3 f m a x 面 式中：o ，中性面上主应力的极大值； o 3 一一中性面上主应力的极小值。 由式3 一1 8 和式3 - 1 9 可知，主应力极大值t 眦在数值上等于切应力极大值， 主应力极大值的方向与中性面成- 4 5 0 角。应变计的分布也应与主应力极大极小 值平行地粘贴在中性轴上，每根辐条两侧各粘贴一块双剪切电阻应变片，按全 桥电路组成差动电桥如图3 - 5 所示。在理想情况下，各拉应变与压应变的绝对 值相等。 即： 蚓= 1 6 c i - 1 , 4 5 i = ( 盯1 一“0 - 3 ) e = ( 1 + u ) 0 - 1 e = 3 f ( 1 + 材) 8 b h e ( 3 2 0 ) 根据电桥原理，在额定载荷f 作用下，电桥的输出电压为： u = 丢馓盛= ( 占t z - - 龟+ 嘞，= 詈警 。2 d 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 设传感器的输出灵敏度为v 。，则按照灵敏度设计传感器参数公式为： 圪：一au：3(1+t)kf ( 3 2 2 ) 。 u 8b h e ( a )( b ) 图3 - 5 应变计布置及电原理图 通过以上计算得出设计轮辐式传感器的基本公式，以轮辐条数为4 根为例有： 最大剪应力： f 脚= 仃1 3 = 3 f 8 b h ( 3 2 3 ) 最大弯曲应力： o m a x = 3 f l 4 b h 2 ( 3 2 4 ) 最大挠度值( b 端处儿 k = j 姿。三丝鱼丛 ( 3 2 5 ) 输出电压值： 一一3 ( 1 + ) f u ( 3 2 6 ) u = 一- 二一 灵敏度： 式中： 8 b h e 玑= 坐= 一3 ( ! 丝! 壁 ( 3 2 7 ) 。 u8b h e b - 轮辐的辐条横截面的宽度； h 轮辐的辐条横截面的高度； i 轮辐截面惯性距对矩形截面i - - b h 3 1 2 ； i 广一轮辐长度； u 材料的泊松比； k 应变计灵敏度系数； 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 i 卜一电桥激励电压； e 材料的弹性模量。 3 。5 传感器的设计 本课题中传感器应承受的最大载荷为2 0 0 t 。 3 5 1 弹性材料选择 此处采用4 0 c r n i m o 材料作为测压元件，它具有较高的精度、韧性和淬透性， 且蠕变很小，加工工艺上采用5 0 0 0 热处理回火。其材料性能如表4 - 1 所示： 表4 - 14 0 c r n i m o 材料性能 弹性模量e ( 1 0 1 1 p a )温度系数( 1 0 _ )线膨胀系数( 1 0 咱 c )抗拉强度ob ( 1 0 6 p a ) 2 1 23 0 1 1 41 2 5 延伸率( )硬度( h r c )泊松比u 弹性极限6 。( 1 0 6 p a ) 1 23 8 5 0 2 81 0 9 考虑到构件能正常工作需具有必要的安全系数，取 b 】= ( 吾詈) 仃。 代入数值得b 妊2 5 l4 2 k g f m m 2 之间，此处可取b 】- 3 6 k g f m m 2 因为所选材料属于合金钢类型，由经验公式得： h - o7 5 仃 - 0 7 5 x 3 6 = 2 7 k g f m m 2 3 5 2 尺寸确定及校核 设计的初始数据如表4 - 2 所示： 表4 - 2 设计初始数据 传感器量程 o - 一2 0 0 t输出灵敏度2 m v v 材料许用应力 o = 3 6k g f m m 2许用剪应力 t = 2 7k g f m m 2 应变计的长宽5 4 6 3 8 1弹性模量 2 1 2 1 0 4 k g f m m 2 应变计的灵敏系数 k = 2 1 2泊松比l a = 0 2 8 基底长宽9 5 7 5辐条数 4 轮辐条长度l 的确定 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 考虑到圆负效应，即在截面变化时，需要一定的圆角半径，这将导致梁的 强度、刚度增加，梁上的最大剪应力和相应的应变会有所减小，而且在过渡区 骨，剪应力会快速下降且其分布不服从于简单的力学分析计算。l 又须足够长 方能提供一近似常数的应力区，一般应取l 大于3 - 4 倍应变长，但是l 又不能 太长，否则弯曲应力增大，强度和刚度减弱。这里取l = 4 0 m m 2 。轮辐条的断面尺寸 对于用于测量的轮辐式传感器，在设计计算上主要满足灵敏度的要求。所 以可以按照电桥灵敏度进行辐条断面尺寸的设计计算，将应变计接成全桥形式， 在额定载荷f 的作用下，电桥的输出灵敏度为： t ， u 3 ( 1 + ) k f 一可一i 矿 最后得 6 乃：3 ( 1 + i a ) f k ( 3 - 2 8 ) 8 e 式中： i i - 一供桥电压； k 应变计灵敏系数； l 应变计基长； 卜应变计栅宽； b 轮辐条宽度； h 轮辐条高度； e 弹性模量。 由( 4 - 1 8 ) 代入数值得： b h ：3 x ( l + 0 2 8 ) j x 2 0 0 x 1 0 s x - 2 一12 ：4 8 0 0 8 2 1 0 3 2 1 2 x 1 0 这里取b = 4 8 m m h = 1 0 0 m m 3 、强度和刚度校核 a校核梁上最大剪应力： 3f3 2 0 0 1 0 3 f = = 8b h 8 4 8 0 0 b校核梁上最大弯曲应力： 1 5 6 2 5 k g t m m 2 p 】 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 、k 】= 争丢嚣= 鼍篆铲1 2 5 搿懒2 b 】 c 挠度校核，一般应该使y b 2 l l l l l l 。，f 3 f l ( 1 + z l 2 0 0 x 1 0 4 0 3 3 2 0 0 1 0 4 0 ( 1 + 0 2 8 ) ，=一-二-二=：一卜一 。 4 鼢4 6 晟互4 x 2 1 2 1 0 4 4 8 x 1 0 0 4 4 8 1 0 0 2 1 2 x 1 0 4 = 1 0 7 m m 2 m m 综上所述，强度和刚度校核均满足要求。 3 5 3 抗侧向载荷能力分析 图3 - 6传感器所受的载荷 由于传感器上四根轮辐条对称布置，故传感器所受载荷受力图可简化为图 3 - 6 所示。对一载荷传感器来说，它受到的各个方向的力可以归结为三个方向 的力p x 、p 。、p ：和三个方向的力矩m x 、地、m z 共六个分量，除了所要检测的属于 正向载荷外( p ，= f ) ，其余分量均视为侧向载荷。下面结合差动电桥原理来分析 这些因素对传感器输出的影响。 1 横向力p z 的影响 在前面的力学分析中我们得知，在正向载荷p 作用下，应变计粘贴处 ( x = l 2 ) 弯矩为零，同样的分析可以看到，在横向力p ：的作用下，该处弯矩 仍然为零，因此不会引起电桥的不平衡输出。因为按照差动电桥原理组桥，弹 性梁在某一方向上感受到一个正占，则在弹性梁与其对称的的另一方向上必将 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 出现一个负占，二者大小相同、方向相反而抵消。所以由于横向力作用点偏移 或由于应变计覆盖面积所带来的影响也能被抵消或抑制。 2 轴向力p 。的影响 在轴向力p x 作用下，梁横截面上产生的应力应变为： p。p。，p。， o x2 j 如2 l e a唧一l e a彳 “。 式中，a 梁的横截面积，此时各受拉应变计和受压应变计感受到相等的应变 值且符号相同，均为： e 4 5 = 半+ 学c o s 2 x 4 5 - 等s i n 2 x 4 5 。= 掣 由差动电桥原理可知，电桥输出不变，所以轴向力p x 对这种结构形式的传感器 没有影响。 3 弯矩m ：的影响 在前面力学分析中可以看到，弯矩m z 是这种传感器所固有的。虽然梁上的 各应变计中心部位的弯矩本身为零，中性轴上的弯曲正应力为零，这样的设计 减小了弯矩m ：引起的正应力对输出的影响。但是由于应变计覆盖面积和粘贴的 不对称，所以m ：引起的正应力仍可能是一种力学干扰，是产生误差的因素。由 弯矩m z 引起的应力应变为： 等铲詈旷一哮 仃= 一占x = = 。 占y2 一言。 ，jj一 由弯曲正应力引起的与x 轴成4 5 度方向的应变为： 占4 5 2 2 e 2 副z 式中，卜所考察位置到中性层的距离，其余的表示和前面相同。 从上式可知，弯曲正应力引起的4 5 度方向的应变占。与坐标y 有关。在0 y h 2 处，占一为正值，在吨2 y o 处，占。为负值。照此分析，本设计 应该将应变计竖贴，且各应变计都对中性轴对称，则各应变计在中性层上部和 下部感受到的应变值占正好大小相等、方向相反且相互抵消。假若应变计不 对中性层对称，按照差动电桥原理可知，由弯曲正应力引起的占也在正负桥 臂之间抵消另外。但是，如果将应变计横贴，且应变计不对中性层对称，则电 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 桥就不具有差动电桥的功能，干扰因素就不能抵消。所以对于应变计来说选择 合适的粘贴方式是很重要的。 4 弯矩m ，的影响 弯矩m y 对传感器输出的影响与前面横向力p ：的影响是一样的，在此不重复 说明。 5 扭矩m 。的影晌 图3 - 7 扭矩产生的剪力 y 图3 - 8 非垂直加载 由图3 - 7 可知，附加扭矩引起的剪应力形成与弹性梁横截面周边相切的顺 流。显然，由此产生的占在差动电桥中是完全抵消的。 6 非垂直加载的影响 如图3 - 8 所示，加外加载荷p 与x 、z 、y 轴分别有一夹角q 、1 3 、y 时， 则该力可以分解为垂直的正向载荷p ，横向载荷p ：及轴向载荷p 。，前面已经分 析过p ：和p ，都不会引起传感器的不平衡输出，而p ，是我们所要检测的，此时