（机械电子工程专业论文）一种新型振弦式力传感器的研制.pdf

摘要 标定实验结果，得到了传感器的输入输出特性曲线，并得到了传感器的线性度、 灵敏度和分辨率等指标。并对标定实验中发现的问题进行了讨论，给出了改进 的方法。 关键词：振弦式力传感器a n s y s 有限元建模弹性元件振弦 论文原创性和授权使用声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工 作所取得的成果。除己特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包 含任何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对 本研究所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。 本人授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权，即： 学校有权按有关规定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，可以将学位论文编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论 文。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 作者签名： 年月日 箍! 哥群墼 d 萎鋈雾蓁篓蓁蠢蚕萋冀 蒸雾藩鋈强缕菰雾姆越型窘一器蠢筝喜曼雾鏊。稀搦錾r 藩羹薹瀚鐾爹， 辇曼囊醚割引雾强篓羹瑁哆淆鋈季基倡筵蔷翼髦需蒜季矿藿薹| 攀；型器缓慧葚 对薹崔鬈球陵毯氆囊姬雅辇迪噬邱垂鋈囊纂每墓蒜董：冀防暨墓髫涌蒋杀鎏僧 磊羹陌磕囊鋈i 鐾攀蜜带引i 滑终0 琶荤：袋霾嚣引窃鐾蓁买蠹翁薹拼薹裂铃 篓鬻琢椎薪司奏囊用、形嘣滔薹；型誊瓣拜薯塾蓠篓f 勘剽誊蠢辇：密荥音尹 票囊霉蓁弱攀浔雾骱嚣鼬蓉；警些葺青蠡嚣塞霹确霞聒筑咐朝塑至陧饕霎霪 萍推：篓霸曩蠡瞄嫩篓篓藩澍弛篓西己壅塞囊椅尜； 照翼攀蠡亡匣霪萋蒿蓑赢荸蕊箍疆薹鹁冀萋霸卧j 癌茹羹鬻壁稽嶷天= 睬 墓招藿叁囊黼引举戡裁p 勘冀辩参l 强强淘鬻馕蓬鬻霪鋈苇囊篓雾鬻囊囊誉一 给 x 第1 章绪论 图1 2 安装在预应力混凝土梁底部的振弦式传感器 振弦式传感器的具体优点如下： 1 结构简单可靠，制作安装方便 振弦式传感器的敏感元件是一根金属丝弦，它与传感器的受力部件易于连 接固定，结构简单可靠，传感器的设计、制造、安装和调试都非常方便，能够 有效地降低成本。 2 零点非常稳定，适宜长期观测 在国内外的工程测试实践中证明，振弦式传感器适宜长期观测。特别当传 感器的振弦经过热处理之后，其蠕变极小，零点稳定。如北京铁道科学研究院 铁道建筑研究所研制的g 1 2 4 一) 4 型振弦式土压力传感器，在铁道隧道衬砌上埋设 的时间已达二十余年，至今仍继续进行观测工作 1 。据国外资料介绍，埋入坝 体的振弦式应变传感器有的长达3 0 年之久仍能继续工作 2 0 。 3 宜于多点远传，便于数字化 因为振弦式传感器所测定的参数的主要特征是频率或周期，所以输出电压 波形幅值若有失真或衰减，对测量的结果没有影响，因此宜于远程控制和多点 测量。如国内石油井空中压力测量及海洋中深水压力的测量中，其测距均在以 10 0 0 研上。法国的德来马克仪器仪表公司生产的振弦式传感器的测距指标为 第l 章绪论 3 0 0 0 研。另外，传感器输出的频率信号基本上为正弦信号，不需要或只需要简 单的滤波放大处理，就可以直接进行数字显示，或者直接输入到计算机中做数 据处理。 4 易于解决防潮和防水问题 用于工业现场测试，特别是工程结构物现场测试的任何一种传感器，其防 潮防水问题，都非常重要。比如常用的电阻应变式传感器，要求其绝缘电阻要 在2 0 0 尥以上，而使用振弦式传感器，要求其绝缘电阻只有几百个欧姆，就能 满足测量要求。在一般振弦式传感器产品中，规定其绝缘电阻不低于5 0 朋q 。 另外，振弦式传感器坚固耐用，造价低廉，而且与传感器配套的频率测量 装置也多数小巧轻便，适宜现场使用。 由于以上优点，振弦式传感器在国内外工程测试的实践中得到了极其广泛 的应用。 1 2 振弦式传感器的研究现状 由于振弦式传感器具有结构简单可靠、制作安装方便、零点稳定等优点， 非常适合大批量生产和使用，且使用的场合非常广泛，因此，国内外对振弦式 传感器的研究一直没有停止过。经过对这些研究的总结，发现这些研究具有一 下方面的特点： 1 研制的振弦式传感器被用于测量各种不同的物理量。 如普通的测力称重传感器 2 ，3 、混凝土应力应变计 4 、锚索测力计 5 、 煤矿综采系统的液压传感器 6 、磁场强度测量 9 等。而且传感器的使用场合 包括普通民用、建筑土木、桥梁以及煤矿工程，十分广泛。 2 对振弦式传感器的激振拾振方法进行了非常多的尝试。 有使用继电器的间歇激励型 1 、使用一个线圈的单线圈电流型 7 、使用 多个线圈的双线圈型 6 、使用单片机扫频技术的扫频激励型 8 以及光电激励 型 3 等等。 3 对于振弦式传感器的整体结构设计，特别是弹性元件的设计鲜有提及。 而且多依靠经验公式来对弹性元件的尺寸进行设计。 4 激振拾振方法的研究只集中在单一的类型，没有对各种激振拾振方法的 优点进行整合。 5 没有具体讨论过振弦式传感器的敏感元件即振弦对于传感器性能的影 响。 第l 章绪论 1 3 研究内容和研究方法 振弦式力传感器的核心部件一般包括弹性元件、激振拾振装置以及振弦。 其中弹性元件的材料和尺寸直接影响传感器的灵敏度和使用寿命；激振拾振装 置则要能保证振弦的可靠起振并保持振弦的连续振动，同时还要实时地输出振 弦的振动频率；振弦的尺寸，特别是弦径，对传感器的输出频率范围和测量稳 定性有着重要的影响。终上所述，为了提升振弦式力传感器的性能，有必要对 振弦式力传感器的弹性元件、激振拾振装置以及振弦对传感器性能的影响进行 研究，并给出提高振弦式力传感器性能的有效方案。 通过上文中对振弦式力传感器的研究现状的调研，发现这些研究很少涉及 振弦式力传感器的弹性元件的设计；而且对激振拾振方法的研究只集中在单一 的类型，没有对各种激振拾振方法的优点进行整合；与此同 x 第2 章振弦式传感器的基本原理与主要构件 第2 章振弦式传感器的基本原理与主要构件 2 1 基本原理 振弦式传感器的工作原理可以用图2 1 来说明。其中，( a ) 图所示的是竖 式振弦式传感器，其振弦的轴向一般与作用在传感器上的载荷的方向相同，适 合用来测量比较集中的线载荷；( b ) 图所示的是卧式振弦式传感器，其振弦轴 向与作用在传感器上的载荷方向垂直，适合用来测量压力等比较分散的面载荷。 ( a ) 竖式振弦式传感器 f ( b ) 卧式振弦式传感器 图2 1 振弦式传感器的工作原理 图中：卜振弦：2 一弹性元件；3 一激振拾振装置：4 一夹弦装置。 f - 图2 1 中的振弦1 被固定在与弹性元件2 相连的夹弦装置4 上。图( a ) 中， 当振弦式传感器受到外加载荷f 的作用时，弹性元件发生轴向变形。同时，与 弹性元件相连的振弦内应力发生了变化，从而使振弦的振动频率相应地发生变 化。而在图( b ) 中，弹性元件一般为受力板，当外加载荷作用在传感器上时，受 第2 章振弦式传感器的基本原理与主要构件 感器的测量范围，如果振弦内应力仃的变化范围不大，该可以满足要求 1 。 此外，为了使传感器有一定的初始频率，对振弦要有一定的初始内应力。 综上所述，当外加载荷作用在振弦式传感器的弹性元件上时弹性元件发生 变形，从而使得与弹性元件相连的振弦的内应力也发生改变。根据公式( 2 4 ) ， 当振弦的内应力发生改变时，其振动频率也会发生改变，从而传感器的输出信 号的频率也发生改变。若能得到传感器的输入输出曲线，则能根据测量到的输 出信号频率，计算出外加载荷大小。 2 2 激振拾振装置 由上节的讨论结果可知，要知道外加载荷的大小，首先要能测得振弦的振 动频率。而激振拾振装置的作用就是激励振弦振动并测得其振动频率。目前采 用的激振拾振方式可以大致分为两大类，即间歇激励法和连续激励法 1 0 。不 管采用哪种方法，其目的都是为了激励振弦使其振动，以测得其振动频率。 1 间歇激励法 间歇激励法是最传统的一种激励方法，其原理见图2 2 。 继电器和张弛振荡器1 名等 激振拾振 电路电路 b 线圈卜 图2 2 间歇激励法原理图 根据间歇激励法的原理，激振电路必须间断地馈送电流给传感器的线圈， 使振弦不断地激发起振。一般可用继电器和张弛振荡器控制电源开关来实现。 7 第2 章振弦式传感器的基本原理与主要构件 继电器在通电时，将传感器线圈与激振电路接通，这时电源提供电流给传感器 的线圈，使磁铁吸住振弦；当继电器断电时，传感器线圈与激振电路断开而与 拾振电路相接，激振电流消失，电磁铁松开振弦。这样一吸一放，振弦产生自 由振动，振弦振动的频率即为振弦的固有振动频率，此频率可通过传感器线圈 和拾振电路测得。 这种间歇激振电路较为复杂，并且要使用电磁继电器和张弛振荡器。电磁 继电器的体积大、功耗大、机械触点工作可靠性欠佳；而张弛振荡器，则存在 着振荡频率调节范围不大、并且调节不能在线自动实现的缺点，从而使振弦的 起振有时较困难。由于存在着上述一些缺点，已经很少采用间歇激励法作为振 弦式传感器的激振拾振方法。 2 连续激励法 在实际测量中，被测量的物理量往往处于不断变化的状态中，为了便于测 量这些变化的物理量，需要让振弦处于连续振动的状态，由此发展而来的激振 拾振方法就是目前广泛采用的连续激励法。连续激励法根据其原理不同，大致 可以分为永磁体电流型连续激励法、单线圈电流型连续激励法、双线圈连续激 励法、单线圈扫频激励法、光电法等。连续激励法能够保持振弦始终处于连续 振动状态，从而有效地克服了传统的间歇激励法无法使振弦连续振动的缺点。 但上述几种不同的连续激振法都有其自身的优缺点。如永磁体电流型连续激励 法点的激发放大电路的输出与输入接成了闭环，而振弦的电阻不为零，从而极 易产生高频电磁干扰振荡，使振弦不能正常工作。本文将在第4 章中对各种连 续激励法的优缺点进行详细论述。 综上所述，各种激振拾振方法都有其优缺点，如何合理地选择或设计合适 的激振拾振方法是设计振弦式传感器的一个关键。 2 3 弹性元件 弹性元件作为振弦式传感器的核心部件，直接影响到振弦式传感器的灵敏 度。而且如果弹性元件直接受到比较大的集中载荷的作用，其材料的选择和尺 寸的设计更是和传感器的测量稳定性和使用寿命有直接的关系。根据被测量的 不同，振弦式传感器的弹性元件可以分为以下几种。 1 受面载荷作用的弹性元件 这类振弦式传感器主要测量压力等面载荷，其弹性元件通常称作受压板， 也叫膜片。测量流体压力的传感器多采用小直径的膜片受压板结构。而工程测 试中常要测量松散介质的压力，传感器的受压板直接与介质接触，此时要求受 第2 章振弦式传感器的基本原理与主要构件 锚固之后，不能凸出受压板的外表面，不得有任何微小的松动。该固定支架一 般由圆钢车制而成。 而测量集中载荷和应力应变的振弦式传感器的夹弦装置往往与弹性元件连 成一体，不需要专门的固定支架。 2 。4 夹弦装置 振弦式传感器中，把振弦定位夹紧的装置叫振弦夹弦装置，简称夹弦装置， 有的也叫振弦夹头。夹弦装置一般和弹性元件相连，被夹紧的振弦随弹性元件 和夹弦装置的变位而产生内应力的变化。有时为了加工制作方便，常把夹弦装 置和固定支架加工成一体，从而省去了不必要的零件，振弦定位后仅用一个或 两个螺钉就能把振弦夹紧，通常把这种支架称作振弦栓。夹弦装置性能的优劣， 对振弦式传感器的性能有很大影响。一个良好的夹弦装置应当满足下列要求： 1 振弦在长期载荷作用及反复激振的情况下，夹头不能松动，抗滑能力强； 2 加工制作简单，便于拆装反复使用； 3 在一些比较特殊的使用情况下，振弦的初始频率可以调整。 常用的夹弦装置有以下几种： 1 用螺钉夹紧的振弦栓 用螺钉夹紧的振弦栓，目前约有四种，如图2 4 a 、b 、c 、d 所示。图2 4 a 所示的螺钉夹紧振弦栓，其支架是用圆钢车制成的锥形杆，其杆顶有一用铣刀 铣出的缝隙，缝隙外侧是两个颊面，每个颊面上有一个通孔，用来放置紧固螺 钉。两个支架则锚固于传感器的受压板上。 l o 1 图2 4 a 带有颊面的圆柱形振弦栓图2 4 b 方形断面振弦栓 第2 章振弦式传感器的基本原理与主要构件 1 4 3 图2 4 c 圆形断面振弦栓 图中：卜振弦；2 一紧固螺钉； l 4 3 图2 4 d 圆形断面有颊面振弦栓 3 一支架；4 一止松螺母。 装弦时将振弦放置在固定支架的缝隙中，拧入螺钉后用止松螺母紧固螺钉 的端头，放置螺钉松动。振弦的另一端穿入另一个支架的缝隙中，并按传感器 的量程范围选择一个合适的初始频率。在安装时要注意振弦的弯曲方向，不要 扭转。图2 4 b 也是用螺钉紧固的振弦栓，用断面为矩形的方钢制作，从而方便 在两个颊面上打通孔，同时也可以增加紧固螺钉止松螺母与颊面支架之间的摩 擦力，防止松动。图2 4 c 是一种最简单的螺钉固定的振弦栓，直接用圆钢车成， 图2 4 d 比图2 4 c 多加工两个面，以增大摩擦防止松动。 这类用螺钉紧固的振弦栓的优点是加工制作简单，安装使用方便，紧固比 较可靠。缺点是振弦的初始频率定了之后不能调整，传感器间的初频值各不相 同。 2 可调式螺钉紧销夹弦装置 图2 5 所示的可调式螺钉紧销夹弦装置是由圆栓套4 、紧销2 、紧弦螺钉3 、 可调螺母5 和振弦l 组成。这些零件均可用不锈钢车制，其中紧销2 上有两个 互相平行的小平面，用来增加与紧弦螺钉与振弦之间的摩擦力。 图2 5 可调式螺钉紧销夹弦装置 图中：卜振弦；2 一紧销；3 一紧弦螺钉；4 一圆栓套；5 一可调螺母；6 一支架。 第2 章振弦式传感器的基本原理与主要构件 套上锥形套，用专门的手动压紧钳把锥形套套压在夹头上。这种夹头多用于竖 式的振弦式传感器中。采用这种夹头时，其另一端的振弦夹法可用螺钉夹紧的 方法。 图2 7 锥形栓式夹弦装置 图中：卜弦；2 唯形栓：3 一圆栓套。 5 螺钉开口销夹弦装置 图2 8 所示的螺钉开口销夹弦装置，是先按( a ) 图制作开口销，再用圆钢 车制两个圆杆固定支架( b 图) ，在其项部铣出两个颊面，然后在与两个颊面平 行且垂直与支架的轴线预定位置上钻一个通孔，再扩孔至预定位置，而后加工 与通孔垂直的螺钉孔。将支架铆合于受压板上，铆合时注意应使扩孔面背向传 感器轴心，拧入螺钉，装弦时先送入开口销，再穿入振弦的一端，拧螺钉从而 顶紧开口销使振弦紧固。再装振弦的另一端。该夹弦装置安装方便而可靠，但 振弦的初始频率仍不可调。 l 2 4 图2 8 锥形栓式夹弦装置 图中：卜振弦；2 一圆形支架；3 一紧弦螺钉；4 一开口销。 3 6 振弦夹头 图2 9 所示的振弦夹头为振弦式应变传感器和力传感器中常用的一种夹弦 装置。开口销用圆钢车制后再用铣刀铣出凹槽( 或用线切割) ，然后把它送入 预先车好的凸缘中，把振弦一端穿入开口销的圆孔中，定位后用螺钉紧固振弦。 第2 章振弦式传感器的基本原理与主要构件 再装振弦的另一端。使用这种夹头时，一般初始频率确定以后，就不好再行调 整。如有必要调整时，应更换振弦，再按要求的频率调好后紧固。 2 5 振弦 图2 9 振弦夹头 图中：卜开口销；2 一振弦；3 一紧弦螺钉；4 一凸缘。 作为振弦式传感器的敏感元件，大多数情况下会采用钢弦。有的特殊情况， 比如要将传感器尺寸做得比较小，则采用钛弦、铟弦等。振弦是传感器中的核 心部件，其质量的优劣，对传感器的精度、灵敏度和稳定性，起着决定性的作 用。因此，对振弦一般有一些特殊的要求。 1 对振弦的要求 首先要求振弦具有较高的抗拉强度。由于振弦的比例极限( 材料在不偏离 应力与应变正比关系即胡克定律条件下所能承受的最大应力 1 1 ) 是定值，因 此对振弦式传感器使用的频率范围，应有一定的限制，不能过高也不能过低。 如果过高，则振弦的应力达到或超过材料的许用抗拉强度时，振弦就要发生蠕 变，影响精确度。若过低，振弦的应力过小，会影响传感器的稳定性。通常选 择材料屈服极限时，必须大于钢弦的实际应力。 其次，还要求钢弦具有较大的弹性模量。根据公式( 2 3 ) 可知，若要提高 传感器的灵敏度，一个方法是将振弦的长度减短，另一个就是提高或是选用高 弹性模量的振弦材料。 此外，还要求振弦的截面呈规则的圆形，截成定长后的振弦不应有明显弯 折，而且振弦表面不应有明显的锈蚀痕迹。如有条件，应该对振弦进行热处理。 2 振弦的材料 由于材料获取比较容易，国内外研制的振弦式传感器中，以采用钢弦的最多。 1 4 第3 章弹性元件的优化设计 第3 章弹性元件的优化设计 3 1 传感器的机械结构 从方便加工和装配的角度出发，希望所设计的振弦式力传感器的各部件在 满足使用要求的情况下，须尽可能具有简单的几何形状和比较少的加工工序。 为此设计了如图3 1 所示的振弦式力传感器的机械结构。 图3 1 振弦式力传感器的机械结构 如图3 1 所示，振弦式力传感器主要由两个圆柱形的凸缘和两个圆柱形的 弹性元件构成，夹弦装置和凸缘设计为一体。凸缘和弹性元件则通过过盈配合 装配在一起，避免了攻丝等复杂工序。几乎所有部件都可以用圆钢车制而成， 无论是对加工、装配还是后续的夹弦、安装线圈等步骤来说，都是比较方便的。 弹性元件结构如图3 2 所示。两端的小圆柱体与凸缘上对应位置的孑l 进行过盈 配合。 图3 2 弹性元件结构 第3 章弹性元件的优化设计 3 2 弹性元件优化设计的目的 如前面章节中所述，弹性元件作为振弦式传感器的核心部件，直接影响到 振弦式传感器的灵敏度。传感器的灵敏度一般用传感器输出增量和输入增量的 比值来表示 1 2 ，而振弦式测力传感器的灵敏度k 可以表示为输出频率增量矽 和输入载荷增量心的比值： k ：笪( 3 1 ) f 由公式( 2 3 ) 和公式( 3 1 ) 可知，在输入载荷舡大小不变的前提下， 弹性元件越敏感，其产生的应变就越大，振弦的内应力仃的改变量和振动频率 的改变量矽也就越大，传感器的灵敏度就越高。 减小弹性元件的截面积半径尺可以有效提高弹性元件的敏感程度，从而使 应变增大。但是，随着弹性元件应变的增大，其内部的应力也会迅速增大。当 最大应力超过材料的许用应力时，传感器就会失效。作为振弦式力传感器的弹 性元件，在测量时会受到比较大的集中载荷作用，因此在设计或选用弹性元件 的时候应当满足两个条件：1 、满负载时，弹性元件的最大应力不应超过其材料 的许用应力；2 、在满足满负载时最大应力不超过许用应力的前提下，弹性元件 的灵敏度应当尽可能大。满足上面两个条件，可以提高传感器的稳定性并延长 传感器的使用寿命，同时提高传感器的灵敏度和分辨率。优化设计的目的就是 找到能够满足上述条件的弹性元件截面半径尺的最优尺寸。 3 3 弹性元件优化设计方法的选择 目前设计振弦式力传感器的弹性元件，很多情况下是根据经验公式来设计 尺寸 2 ，往往不能同时满足上述的两个条件。此外，振弦式力传感器的在测量 时，除了弹性元件受到载荷的作用外，其它部件也会受到载荷的作用，凸缘更 是直接与载荷接触的传感器部件。因此，在对传感器的弹性元件进行优化设计 和受力分析的同时，也有必要对传感器的整体受力情况进行分析。 传统的机械结构优化设计方法，首先是凭借经验和判断给出初始方案，包 括总体布置、材料选择、结构尺寸和制造工艺等，然后进行结构的力学分析， 最后在力学分析的基础上校验其可行或不可行，必要时则进行卜2 次修改。在 这样的设计程序中，结构分析只起到一种保证安全可行的校核作用 1 3 。传统 的机械结构优化设计方法的主要缺点是：重分析、重校核过程最多为2 3 次， 否则工作量太大，难以承受，因而不易得到较理想的既经济又安全的设计方案。 由于传统的优化设计方法具有上述的缺点，一些新的优化设计方法，如有 第3 章弹性元件的优化设计 限元法，开始在机械结构的优化设计中占有越来越重要的作用。有限元法的基 本思想是将结构离散化，用有限个容易分析的单元来表示复杂的对象，单元之 间通过有限个节点相互连接，然后根据变形协调条件综合求解，因此有限元法 是一种十分高效的结构分析的计算方法。此外，a n s y s 等一些大型的有限元分 析软件允许用户自己编写参数化程序来实现参数化建模、求解和后处理等功能， 因此已被广泛地用于机电设备 1 4 、煤矿设备 1 5 和精密仪器 1 6 等各个领域 的结构优化设计中。 除此以外，希望在传感器机械结构的建模和弹性元件尺寸优化的时候，能 够比较方便的对所加载荷和设计尺寸进行修改，因此若利用a n s y s 的g u i 界面 进行可视化建模的效率太低。而利用a p d l ( a n s y sp a r 硼e t r i cd e s i g nl a n g u a g e ， 即a n s y s 参数化设计语言) 程序语言，可以方便地组织管理a n s y s 的有限元分 析命令，实现参数化建模、施加参数化载荷与求解以及参数化后处理结果的显 示，从而实现有限元分析的全过程参数化。 因此，本文将基于a n s y s 参数化设计语言a p d l 来完成传感器机械结构的建 模和弹性元件尺寸的优化设计。 3 4 基于a p d l 的优化设计基本思路 a p d l 是一种类似f o r t r a n 的解释性语言，提供一般程序语言的功能，如参 数、宏、标量、向量及矩阵运算以及访问a n s y s 有限元数据库等，另外还提供 简单界面定制功能，实现参数交互输入、消息机制、界面驱动和运行应用程序 等 1 7 。相对于普通的g u i 界面操作，a p d l 能在参数化的分析过程中方便地修 改其中的参数，从而达到反复分析各种尺寸、不同载荷大小的多种设计方案的 目的，极大地提高分析效率。另外，a p d l 也是a n s y s 中优化设计的基础，只有 创建了参数化的分析流程才能对其中的设计参数执行进行优化改进，达到最优 化设计目标。 由于要求在对传感器的弹性元件进行优化设计和受力分析的同时，也要对 传感器的整体受力情况进行分析，因此在对传感器的弹性元件进行优化设计之 前，必须要对振弦式传感器的整体机械结构进行参数化建模和参数化加载，而 且对于弹性元件的待优化尺寸必须设置成变量参数，只有这样才能在a n s y s 的 后处理过程中实现对弹性元件尺寸的优化设计。 基于a p d l 的优化设计主要包含了下列的基本要素： 1 设计变量( d e s i g nv a r i a b l e s )o 设计变量是设计过程中需要不断调整赋值的变量参数。每个设计变量可以 第3 章弹性元件的优化设计 设置上下限，用于规定设计变量的取值范围。常见的设计变量如机械结构某部 分的宽度、高度、直径等尺寸。 2 状态变量( s t a t ev a r i a b l e s ) 状态变量是设计要求满足的约束条件变量参数，是设计的因变量，也是设 计变量的函数。状态变量也可以设置上下限，也可以只有上限或只有下限。常 见的状态变量如应力不能超过许用应力、变形不能超过规定大小、振幅限制等。 3 目标函数( o b j e c t i v ef u n c t i o n ) 目标函数是设计中极小化的变量参数，也必须是设计变量的函数，即改变 设计变量的函数，即改变设计变量的数值将改变目标函数的数值。在a n s y s 优 化设计过程中，只能设定一个目标函数。常见的目标变量如重量、费用、应力、 应变等，或者某种导出结果如方差最小、平均值最小。 4 优化计算方法 a n s y s 提供了两种优化方法即零阶方法与一阶方法。零阶方法是一个很完 善的处理方法，可以很有效地处理当多数的工程问题。一阶方法基于目标函数 对设计变量的敏感程度，因此更加适合于精确的优化分析。 在执行优化分析前必须创建一个分析文件，它是一个基于a p d l 参数化有限 元分析过程的命令流输入文件，包括一个完整的分析过程：前处理、求解和后 处理，其中必须包含一个参数化的模型，定义有设计变量、状态变量和目标函 数。设计变量往往在开始级、前处理器或求解器中定义，状态变量来源于分析 的结果后处理，目标函数则是最后得到关于模型系统或分析结果的导出量。优 化设计过程就是一个反复优化改变设计变量以便在满足状态变量限制条件下使 目标函数变量参数逼近最小值。对于这样一个循环过程，每次循环执行由分析 文件生成优化循环文件( j o b n a m e l 0 0 p ) ，并在优化计算中循环调整设计变量。 一次循环指一个分析周期，相当于改变设计变量执行一次分析文件。 在最后一次循环完成后，a n s y s 程序输出优化计算结果并存储在文件 ( j o b n a f i l e 0 p 0 ) 中。一般来说，一次优化迭代等同于一次循环，但对于一阶方法 而言一次迭代代表多次循环。每次优化的结果对应一个优化结果序列。优化结 果数据库文件j o b n 锄e 0 p t 中记录有当前的优化环境，包括优化变量定义、参 数、所有优化设置和设计序列集合。在优化结果序列中，完全满足状态变量规 定约束条件的结果序列就是可行性优化序列，可行性优化结果序列中包含一个 最优设计序列。对于大多数优化设计来说，找到这个最优设计序列就是优化设 计的目的。 根据以上论述，可以知道振弦式力传感器弹性元件的整个优化设计过程应 包括弹性元件材料的选取、设计变量和状态变量的确定、参数化建模、后处理、 1 9 第3 章弹性元件的优化设计 冲击载荷作用的情况下材料的弹性模量不改变或改变很小。为此要求选用弹性 模量与密度的乘积较小的金属材料。 5 此外，由于材料在冷热加工后存在着残余应力，一方面，当外界条件稍 有变化时，残余应力将重新分布，使弹性元件产生附加变形，造成传感器不稳 定；另一方面，残余应力还将使弹性元件在受载过程中出现局部屈服，造成弹 性模量的改变和不稳定。因此，要求材料在形成弹性元件的冷热加工后残余应 力要小，并应采取各种机械的和热处理的方法，释放、消除残余应力。 6 线膨胀系数应尽量小。因为当环境温度发生变化时，弹性元件会发生变 形，金属材料的线膨胀系数越大，弹性元件的变形就越大。由于振弦式力传感 器的夹弦装置与弹性元件相连，因此要避免弹性元件的变形引起的振弦初始频 率的改变，避免由此引入的温度漂移。 7 此外，还要求材料的弹性后效( 蠕变) 小，组织均匀，各向同性，锻造、 机械加工和热处理工艺性能好，且具有一定的抗氧化能力。 但事实上，要使某一种金属材料同时具备上述各项性能是不可能的，但可 以将金属材料经过某些处理后，使其尽量满足或接近上述各项性能。国内外生 产经验证明n 8 ，金属材料的钝度一定要高，成分的均匀性一定要好，不能只 突出某一单项指标，一定要综合性能良好。目前常用的一些材料主要由以下几 种： 1 合金结构钢 如中碳合金结构钢4 0 c 州i m o a ，该材料的特点是：强度极限和屈服极限高： 弹性模量温度系数小且接近于常熟；线膨胀系数小；弹性模量温度系数小且接 近于常数；线膨胀系数小；弹性滞后和蠕变小；冷热加工工艺性好；加工后残 余应力较小。此外还有3 6 c r n i m 0 4 ，该材料的特点是纯洁度高，成份控制严， 性能波动小，稳定性高，具有较高的使用可靠性。除4 0 c r n i m o a ，3 6 c r n i m 0 4 外，3 0 c r s i n i 2 a 钢也可用于制造传感器的弹性元件，其突出特点是强度极限 和比例极限高。 上述中碳合金钢的共同的特点是：冷热加工工艺性好；弹性模量的温度和 时间稳定性好；综合技术性能优于其它钢种；具有较高的强度极限和屈服极限； 热处理的淬透性好，回火稳定性高，硬度均匀，金相组织为均匀的索氏体。特 别适合制造高精度传感器的弹性元件。 2 硬化不锈钢 如o c r l 7 n i 4 c u 4 n b ，极限强度和屈服极限高，抗微塑变形和抗应力松弛能 力强，有很强的耐腐蚀性能，机械加工工艺性好等特点。而且由于硬化不锈钢 有非常好的塑性，便于加工，常用来制造形状复杂的弹性元件。 2 1 第3 章弹性元件的优化设计 3 弹簧钢 如5 0 c r v a ，该钢种具有较好的综合机械性能，优良的冲击韧性，回火后强 度高，高温性能稳定，淬透性好，适合制造大量程和高温条件下使用的传感器 的弹性元件。 4 铍青铜 如q b e 2 ，与合金结构钢、硬化不锈钢相比，其弹性储能高，这对于提高传 感器的灵敏度、降低弹性滞后非常有利。此材料还具有无磁性，耐疲劳，机械 加工和焊接性能好等优点。但是具有弹性模量的温度系数较大的缺点，增加了 传感器的温度补偿的难度。 5 其他材料 在一些特殊场合下，会使用其它的金属材料来作为传感器的弹性元件。比 如在严重腐蚀环境和传感器直接与腐蚀溶液接触的情况下，会选用钛合金来制 造弹性元件。在弹性元件形状比较复杂而且量程比较小的情况下，会考虑使用 铝合金来作为弹性元件的材料。 考虑到振弦式力传感器的弹性元件为圆柱形，形状并不复杂，而且一般在 常温下使用，此外，综合考虑材料的强度极限、屈服极限、冲击韧性、线膨胀 系数等参数，选择综合性能比较好的中碳合金结构钢40crnimoa作为弹性元件 的材料。4 0 c r n i m o a 的常规机械性能见表3 1 。 表314 0 c r n i m o a 的常规机械性能 强度极限屈盯j限仃6 延伸盯 断面口缩率 冲击韧性 万( 2 3 一l o o 。c ) 1 2 5 姆坍m 2 1 1 3 堙肌脚2 125 1 59姆一mc肌2 11410胀oc 3 6 弹性元件的优化设计过程 选定弹性元件的材料之后，就可以在a n s y s 中对其尺寸进行优化设计。基 本思路见图3 3 ，详细的优化设计过程如下。 1 定义单元类型和材料属性 采用实体建模，因此选用s o l i d 4 5 单元构造三维固体结构。该单元通过8 个节点来定义，具有塑性、蠕变、膨胀、应力强化、大变形和大应变能力。材 料4 0 c r n i m o a 的弹性模量为2 0 6 g 尸口，泊松比为o 3 。运用a p d l 语言进行类型 选择和材料属性设置的关键语句如下： e t ，l ，s 0 1 i d 4 51 定义单元类型 第3 章弹性元件的优化设计 m p d a t a ，e x ，1 ，2 0 6 e l l 唧d a t a ，p r x y ，l ，0 3 2 设计变量的确定 ! 定义材料弹性模量 ! 定义材料泊松比 弹性元件的截面积半径r 为待优化的值，因此，在使用a p d l 语言编程时， 要把截面积半径尺设为设计变量： b a t c h 木s e t ，r 4 ，0 0 0 1 51 设置r 4 为设计变量，并赋初值1 5 m m 。 3 状态变量的确定 希望传感器在受到满负载作用时，其最大应力仃一不超过材料的许用应力 【口】。按无限寿命考虑( 因为振弦式传感器的使用寿命一般都比较长) ，材料 4 0 c r n i m o a 在受到脉动循环应力作用下，疲劳极限为7 2 0 卵口，除以安全系数 1 3 ，得到材料的许用应力【盯】为5 5 3 脚口，即传感器在受到满负载作用时的最 大应力仃一【仃】。 4 传感器壳体的几何建模 在进行几何建模时要注意工作坐标的灵活变换，以方便建模。并且应注意 在出现实体相互叠加时，用v o v l a p 命令将这些几何实体进行重叠，以防止网格 划分时出现节点匹配错误 2 1 。在用a p d l 编程的同时，可以在g u i 界面输入相 应的命令行，以观察建模结果。建模完成后的传感器壳体几何模型如图3 4 所 示。 图3 4 传感器壳体的几何模型 第3 章弹性元件的优化设计 5 传感器壳体的有限元建模即网络划分 要对几何模型进行优化设计，必须要把传感器壳体的几何模型转化为有限 元模型，也就是要对传感器壳体进行网格划分。其中，对优化设计的对象即弹 性元件进行手动划分网格，以获得规则的网格从而提高分析的精度： l e s 工z e ，9 2 ，3 l e s i z e ，9 5 ，3 l e s i z e ，9 7 ，3 l e s i z e ，9 9 ，3 l e s i z e ，4 7 ，6 l e s i z e ，4 8 ，6 l e s i z e ，5 2 ，6 v s w e e p ，3 1 手动定义弹性元件关键线上的节点数 ! 对弹性元件进行网格划分 以上命令行可以保证得到如图3 5 所示的规则有限元网格。 。蹦哪。人n j u l2 2 0 0 7 1 4 ：1 7 ；5 4 h ，啊一1 q 日日_ 目口日一h w m 口l 日_ “h 图3 5 弹性元件的规则网格划分 对于非优化对象，虽口传感器壳体的其它部分，采用自动网格划分来提高效 率，并把网格精度控制为中等精度，精度等级为4 。 s i i l r t ，41 控制网格精度后进行自动网格划分 m s h a p e ，l ，3 d 2 4 第3 童弹性元件的优化设计 m s h k e y ，0 v m e s h 1 至此，就得到了完整的振弦式传感器壳体的有限元模型， 分情况如图3 6 所示。 其最终的网格划 图3 6完整的传感器壳体的有限元模型 6 加载位移和载荷约束 在传感器其中一个凸缘的端面上加载位移约束，在另一个凸缘的端面上加 载1 0 剧的满量程载荷。也就是说相对于受到载荷约束的端面，受到位移约束 的端而可以看作是静止的。要注意的是在加载约束时，要将约束离散到各个端 面的节点上。 a s e l ，s 2 51 选择一个端面并加载位移约束 n s l a ，s ，1 d ，a 1 1 ，a 1 】 a s e l ，s 51 选择另一个端面并加载载荷约束 n s l a ，s ，1 s f ，a l l ，p r 二s ，p 第3 章弹性元件的优化设计 图3 9 传感器壳体的应力分布图 图3 1 0 所示为根据优化设汁得到的尺寸加工的传感器的整体机械结构。 3 8 本章小结 图3 1 0 加工完的传感器整体机械结构 本章主要介绍了弹性元件优化设计的目的、设计方法的选择、设计方法的 基本思路、材料的选取、优化设计过程和对优化设计结果的分析。 第4 章激振拾振装置 第4 章激振拾振装置 振弦式力传感器通过测量振弦的振动频率来得到外加载荷的信息，因此， 需要专门的激振拾振装置来激励振弦可靠起振，并同时测得其振动频率。 4 1 激振拾振方法 常见的激振拾振方法大致分为两类，即间歇激励法和连续激励法。在本文 第2 章中已经讨论过，间歇激励法采用的电路较为复杂，并且要使用电磁继电 器和张弛振荡器。电磁继电器的体积大、功耗大、机械触点工作可靠性欠佳； 张弛振荡器则存在着振荡频率调节范围不大、调节不能在线自动实现的缺点， 从而使振弦的起振有时较困难。由于存在上述一些缺点，已经很少采用间歇激 励法作为振弦式传感器的激振拾振方法。 为了克服间歇激励法的上述缺点，本文考虑采用连续激励法作为振弦式力 传感器的激振拾振方法。目前常见的连续激励法根据原理不同，大致可以分为 以下几种类别： 1 永磁体电流型连续激励法 永磁体电流型连续激励法主要由永磁体和激发放大电路组成，它克服了传 统的间歇激励法无法使振弦连续振动的缺点。其工作原理如图4 1 所示。 图4 1 永磁体电流型连续激励法原理图 第4 章激振拾振装置 当接通电源后，脉冲电流f 流过振弦，载流弦段址受磁场b 的安培力f 作 用，使弦产生振动。其中f 为： f = f 世b ( 4 1 ) 运动弦段址切割磁力线在其中产生感应电动势若为： 占= 缸y b ( 4 2 ) 式中矿为弦段运动速度；b 为磁感强度。 感应电动势的方向与f 相反，经输入电容c 输入激发放大电路放大后，通 过输出限流电阻尺回输到振弦，设为正反馈，反馈系数大于l ，从而放大电流f 。 反复循环作用后振弦将迅速起振，并输出频率与振弦的振动频率相同的电压信 号砜。并且，若电流不问断，则振弦可始终保持在连续振动状态，振动频率或 输出电压信号砜的频率可由专门的测频装置测得。 永磁体电流型连续激励法虽然克服了传统的间歇激励法无法使振弦连续振 动的缺点，但它本身也存在着一些问题：激发放大电路的输出与输入接成了闭 环，而振弦的电阻不为零，从而极易产生高频电磁干扰振荡，使振弦不能正常 工作。要想振弦能产生自激振动，除了降低激发放大电路的高频增益外，最重 要的措施是设计专用的强磁性磁钢，在长而窄的磁隙中产生极强的磁场，使振 弦在磁隙中的振动能感应出足够强的感应电动势，再尽量减小振弦段电阻和采 用短而粗的铜导线连接，使振弦的振动感应电动势可以压倒电磁干扰而可靠起 振。故这种传感器结构较复杂，成本较高，且从原理上说在激发放大电路与传 感器之间不允许接长电缆。为了克服以上缺点，又出现了单线圈电流型连续激 励法。 2 单线圈电流型连续激励法 单线圈电流型连续激励法用电磁线圈代替了永磁体来产生磁场，其工作原 理如图4 2 所示。电流通过振弦，由磁场力来激励振弦振动( 激励振弦起振的 磁场由线圈中的磁钢产生) ，这点和永磁体电流型连续激励法是类似的。但在 这里，振弦采用的是磁性弦，并且振动信号由线圈来接收。只需使用普通磁钢， 振弦的振动在线圈中产生的感应电动势就较强，经差分放大后输出频率与振弦 的振动频率相同的电压信号砜，同时经输出限流电阻r 限流后回输给振弦，当 相位正确时形成正反馈，且反馈系数大于l ，振弦就能够迅速起振。调节输出 限流电阻尺可获得稳定的基频振动。 与永磁体电流型连续激励法相比较而言，单线圈电流型连续激励法具有下 列优点：( 1 ) 感应输入电压与激发输出电流完全分开，互不影响，有效地消除了 电磁干扰振荡。因此若采用恒流电路输出，理论上可接很长的电缆，例如 l 5 砌。从根本上克服了永磁体电流型连续激励法的缺点：( 2 ) 只用个磁头 3 0 第4 章激振拾振装置 放在弦的中部，因此可使用原来电流型同样短的弦，实现振弦式传感器的小型 化；同时，作用力施于振弦中部，有利于振弦在其基频起振，从而减少倍频干 扰；( 3 ) 对于各种弦长、不同线圈的单线圈振弦式传感器，激发放大电路具有通 用性，即只要差分放大电路增益相同，各激发放大电路可以互换使用。 图4 2 单线圈电流型连续激励法原理图 由上述可见，单线圈电流型振弦式传感器克服了永磁体电流型连续激励法 的缺点，是一种比较理想的电流型振弦式传感器，尤其在传感器小型化方面具有 一定的优势。 3 双线圈连续激励法 双线圈连续激励法采用两个电磁线圈，一个用来激励振弦连续振动，另一 个接收振动信号。与前两种方法相比，其振弦上无需有电流通过。其工作原理 如图4 3 所示。 图4 3 双线圈连续激励法原理图 第4 章激振拾振装置 少扫频时间，又出现了分频段的扫频激励法，即根据不同的输出频率范围采用 不同频段的扫频激励信号，实现扫频信号频段范围的自动切换。这种方法激振 频率很有针对性，且可控性好，特别是可以根据振弦的固有振动频率的变化自 动改变激振信号的频率。 5 光电法 近几年来，基于光电法的激振拾振技术开始发展起来，特别在电磁干扰比 较强的场合，采用光电法可以有效地降低电磁干扰，增加传感器的可靠性。图 4 5 所示是一种基于光断续器的激振拾振法的工作原理图。 图4 5 基于光断续器的激振拾振法的工作原理图 如图所示，采用一个线圈作为传感器的激振装置，用光断续器作为传感器的 拾振装置。光断续器是由红外发光二极管和光敏三极管组合而成，当光敏三极 管感受到发光二极管的红外光时，就会产生光电流，光电流的大小取决于红外 光辐射强度。当振弦在光断续器的槽隙中振动时，光敏三极管接受到的光强将 发生变化，从而引起光电流的变化。当光敏三极管工作在线性区时，若振弦的 静平衡位置选择合理，其输出电压的频率就会与弦的振动频率相同。 4 2 基于扫频技术的双线圈连续激励法 由上文中的论述可知，采用电流型激振拾振技术的振弦式传感器为了使其 振弦能在磁场中振动，都要求给振弦加载一定大小的电流。而且为了使加载的 电流比较稳定，通常都要考虑振弦的绝缘问题，而这势必会增加振弦式传感器 设计和加工过程的复杂程度。在第3 章中已经介绍了加工完成的振弦式力传感 3 3 第4 章激振拾振装置 其中，激振和拾振线圈由漆包线绕制而成，阻值在几十欧姆左右。由于采 用双线圈来激振和拾振，为了保证振弦在被扫频信号激励后还能保持连续振动， 两个线圈之间要保证能形成比较好的磁通回路，如图4 7 所示。因此，在绕制激 振线圈和拾振线圈的时候要使两者的漆包线绕制方向相反，否则在扫频信号消 失以后，振弦的振动很难在拾振线圈中感应出比较明显的频率信号从而无法维 持自身的连续振动。 n s 铜线 ns 磁芯 图4 7 激振和拾振线圈 当开始测量时，单片机向激振线圈输出一连串的扫频激振信号，使激振线 圈产生的磁场强度产生变化，其变化频率与扫频信号的频率一致。当磁场强度 的频率在振弦的固有振动频率附近时，振弦会很容易被线圈产生的磁场力所吸 引从而迅速起振。同时，振弦的振动会在拾振线圈中感应出电动势即拾振信号。 由于拾振信号的频率与振弦的振动频率相同，并会随着振动频率的改变而改变， 因此只需测得拾振信号的频率即可知道振弦的振动频率。为此，拾振信号通过 运放电路放大整形之后被送至单片机，测得的拾振信号频率值被送至与单片机 连接的液晶显示面板显示。 4 4 激振拾振装置的实际使用效果 为了测试激振拾振装置的实际使用效果，在专门的振弦振动频率测试平台 上对振弦的振动频率进行测量。如图4 8 所示的振弦振动频率测试平台上的夹 弦装置能可靠地夹紧振弦，而且能够方便地改变振弦的初始振动频率，夹弦的 长度也能够任意调节。在本文第5 章中会对此测试平台进行具体的介绍，本章 中主要关注激振拾振装置的使用情况。 第4 蕈激振拾振装置 在图4 8 中可以看到振弦的两端被固定在测试平台上，而且为了能使振弦 在基频可靠起振，激振线圈和拾振线圈被放置在了振弦正中间的位置。为了方 便观察激振拾振装置的使用效果，激振信号在被输入至激振线圈的同时也被送 至示波器显示。从图4 8 中可以清晰地看到激振信号的波形。 图4 8 振弦振动频率测试平台 在接通电源以后，单片机的扫频信号被送至激振线圈，当扫频信号频率接 近振弦的固有振动频率时，振弦迅速起振，起振效果如图4 9 所示，从图中可 以明显地看到振弦振动的振幅。 黼黼删幽蝴黼蝴黼蝴黼幽蝴蝴黼幽幽躐黼酬编谶黼涵磁馘池 7。 * n ，。7 i z ，。-，一，_ 。