（机械电子工程专业论文）新型应变式测微仪系统设计.pdf

重庆大学硕士学位论文中文摘要 摘要 目前车间现场使用最多最成功的机械式精密尺寸量仪是扭簧比较仪( 扭簧 表) 。经过数十年的改进，其性能十分稳定，而且价格低廉。问题在于测量的数 据只能依靠人工读取，无法数字化，不能充分满足中小企业信息化的要求。 本文研究的目标是开发出一种新型电阻应变式传感器，该传感器的最大特点 是直接利用应变式电子称产品的成熟成果，将称重显示器的计量处理技术直接移 植到精密位移测量的二次仪表中，以达到满足企业产品质量检验数字化、信息化， 回时降低仪器成本和加快商品化的目的。 论文介绍了新型应变式测微仪的工作原理，并对传感器设计中的关键技术问 题，如测头位移与应变量的计算关系，测量力的分析计算，减少传感器摩擦力， 测微仪的温度补偿技术等问题都进行了较详细的分析讨论。 论文进行了传感器的机械机构设计在结构上，本文成功地将成熟的比较式 扭簧仪的结构应用于测头移动组件的设计，并且采用了钢丝传动机构，有效地减 少了传感器内部摩擦力。 论文对称重显示器用于本课题测量电路的可行性进行了分析讨论，研究结果 表明，这一思路是完全可行的。 论文完成了新型测微仪的研制和测试考核，提出了一种用较低精度测量仪来 标定高精度传感器的新原理，并设计了一台具有较高自动化程度的传感器标定试 验装置。 论文完成了用于测试的测控软件的编写，介绍了测控软件的工作原理 论文的测试结果表明，新型应变式测微仪的研制获得了初步的成功。 关键诃：电阻应变，传感器，位移，应交片，标定 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 a tp r e s o l l tt h em o s ts u c c e s s f u lm e e h a n i e , a la c e l 瑚t ed i m e n s i o nm 瞄i l r i n s l z t m a c n t m o s t l y u s e di nt h ed e p a r l m e n ti st h em i c r o e a t o r f o rc o u p l e so fy e a r s i m p r o v e m e n t , i t h a sv e r ys t e a d yp e r f o r m m l e e , a n dal o w p r i e 圮b u tt h e r ei sap r o b l e mt h a tt h ed a t ac o u l d b er e a do n l yb yl a b o u r , n on l l 鞠1 3 so fd i g i t a l i z a t i o n , w h i c hc a n t 甜f n lt h er e q u i r eo f s m a l la n dm e d i u m - s i z e da l t e f p r i 嘲e n t e r p r i s ei n f o r m a t i z 蚯o n t h eg o a lt h a tt h i st e x ts t u d i e si st od e v e l o pan e wk i n do fr e s i g t a n e es t r a i n d i s o l a e 咖e n ts e n s o r - t l a em o s tg r e a tc h a r a c t e r i s t i co ft l a c s t x i s o ri st h a ti tu t i l i z e st h e m a t u r i t ya c h i e v e m e n to fe l e e l r o nb a l a n c ed i r e c t l ya n dt r a n s p l a n t st h em 蝴c n t l r c a t l l l e 1 1 tt e e l a n o l o g yo fw e i g h i n gd i s p l a yt oi o s l a - t m a o n tf o rt w ol i m e so fa e e t t r a t e d i s p l a m e n tm e a s u r o m e n td i r e c t l y , 8 0a s t os a 垃s f ya 蛐喇s e sp r o d u c t sq u a l i t y i n b p l 矧：i o nd i g i t i z a t i o n , i n f o r m a t i o n i z a t i o n , r e d u c et l a ec o s to fi n s m 皿e n ta n da c e o l e 托t e t h ep l , l l p o $ 1 。t oc o m m e r c i a l i z ea tt h es 瓤et i m e t h et h e s i sh a si n t r o d u c e dt h eo p e r a t i o n1 , r i n e i p l eo f t h e1 1 c wt y p es l r a i nm i c r o m e t e r , a n dt ot h ek e yt e c h n o l o g yq u e s t i o ni nt h es e l l s o l d e s i g n , s u e l a 雒e - x a m i n i n gt h e c a l c u l a t i o nr e l a t i o nb e t w e e ad i s o l a e e m a a to fh e a da n ds t r a i ng a u g e , a n a l y s i s i n go f s t r e n g t ht oc a l c u l a t e 。r 烈t u e i n gi i a 1 1 s d l l c , c i * f r i c t i o n a lf b r c e ，t e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o n t e e l m o l o g yo fm i c r o m e t e r ，e t c ，a l lt h ei s s u eh a v eb e e nd e t a i l e da n a l y s i s e d a n d d i s e u s 昱c d d e s i g n e dt h em e e l a a n i e a lm e c h a n i s mo f t h es t 苴l f l o l i nt h e s i s a ts i i u c t m e , t h i st e x t s u c c e e di nw l a i e ht h em a t u r es l r t t c t u r eo fs p r a i nar e e do fe o m p a r a t o r sw a p p l y e dt o t h ed e s i g no fe x a m i n eh e a d ，a n dh a sa d o p t e dt h es t e e lw i r e 瓠湘l a t o r r e d u c i n gt h e f r i c t i o n a lf o r c ew i t h i nt h et r a n s d u c e re f f e c t i v e l y t h et l a e s i sh a sa n a t y s i s e da n dd i s e u s r , 剖lt h ef e a s i b i l i t yo fm e a s i 珊e l e e t r o e i r e t t i t o f w e i g h i n gd i s p l a yw l a i e l aw i l lb ea p p l i e dt ot h i si t e m t h e r c s x t l to f r e s e a r c hi n d i c a t e s t h i st h i n k i n gi st o t a l l yf e a s i b l e t l a et h e s i sf i n i s h se l a e e k i n ga n dt e s t i n go fn e w - t y p em i c r o m e t e r , a n dp u t sf o r w a r d o n en e wp r i n c i p l ew h i c hc 瓤d e m a r c a t eh i g h - a e e m e y 蚴s o fw h a tm a k e s 嘲o f l o w - a c c u r a c ym e a s u r i n g 邹l p 缸她a n dh a v ed e s i g n e dad e m a r c a t i n gc x p e r i m a a t a lr i g w i t hh i g h e ra u t o m a t i ci n t e n s i 馁 t h e 矗w 批t h a th a sf i n i s h e db e i n g1 塔c df o rt e s t i n ga n de o n l x o l l i n gi nt h e s i s , a l a di t h a sb e e ni n t r o d u c e df o ri t so p , s 嘣i o np r i n c i p l ea tt h es 锄ct i m e 重庆大学硕士学位论文英文摘要 t h et e s t i n gr e s u l to ft h et h e s i si n d i e m e st h a tt h er e s e a c ho ft h en e w - t y p es t r a i n k e y w o r d s ：r e s i s t a n c e , s e n s o r , d i s p l a c e m e n t , s t r a i ng a u g e , d e m a r c a t e m 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重麽太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：彤弘涛签字日期：力妒7 年莎月j 7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重废盔堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权重废太堂可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 保密() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( ) 。 ( 请只在上述一个括号内打“”) 学位论文作者签名：雕沪诗 签字日期：加哆年i 月厂日 导师签名： 铷易 签字日期：砷年月，日 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1 绪论 1 1课题背景及意义 随着机械加工工业的快速发展，精密零件的在线尺寸检验与质量控制问题已 显得越来越重要。但由于历史原因，国内目前中小企业的零件尺寸检测手段还较 为落后。根据调查，目前车间现场使用最多最成功的机械式精密尺寸量仪之一是 扭簧比较仪【2 l 】( 扭簧表) 。这种量仪经过数十年的改进，其性能已十分稳定，而 且价格低廉，但问题在于钡4 量的数据只能依靠人工读取，无法数字化，不能充分 满足企业信息化的要求。虽然市场上已有分辨率达到o 1 m 的传感器，但其价格 在3 0 0 0 元以上，并且其量程较小( 一般仅为3 0 z m ) ，应用范围受到限制。本课 题的重要设计思路之一就是直接利用扭簧比较仪产品的测头移动组件和夹持组件 成熟结构，在此基础上加装电阻应变片构成全桥电路，从而组成新的应变测微仪 传感器。该传感器的另一特点是信号处理及显示电路可直接与称重电子称的电路 通用，而利用秣重显示器”产品的成熟成果，将称重计量技术直接移植到精密位移 测量中，从而大幅降低仪器成本和加快商品化进程。这样开发的测微仪传感器的 成本大致控制在5 0 0 元以内，并且达到精度高( o 1 p m ) 、量程大( 2 r a m ) ，配 上相应的测量装置( 例如测量台架等) ，同样能够完成各种精密测量。由于具有 较小的结构、较高的测量精度和便宜的价格，以及操作简便，故应变测微仪传感 器拥有较好的市场前景，适合中小企业的在线零件精密检测与质量控制系统，从 而使在线质量控制在中小企业中得到推广 3 5 1 1 2 尺寸检验测微仪的组成及常用精密小位移传感器概述 1 2 1 尺寸检验测微仪的组成 尺寸检验测微仪一般由“测头移动组件”、“夹持组件”、位移一电量转换组 件和1 言号放大、处理、显示组件”等几部分构成，如图1 1 所示。传感器部分主 要由测头移动组件b 、夹持组件c 和位移电量转换组件e 三部分组成，并结 合成一个整体。测头移动组件b 一般由铡量杆和触头两部分组成，作用是将被测 工件尺寸变化的位置信息准确地传递给位移一电量转换组件e 上；被测工件a 和传感器的夹持组件c 同时牢固地安装在检验基座上，组成测量系统。为了保证 溅量过程中，工件与传感器的相对位置不会因为测量力的变动而发生改变。a b - - c - - d 四部分组成的“闭环”，需要有适当的刚性。位移一电量转换组件b ，通 过从测头移动组件b ，传来工件尺寸位置的变化，并将其转交为电量( 通常是电压 信号) ，再传输给信号放大、处理、显示组件f ，从而得到检溅的结果。 重庆大学硕士学位论文1 绪论 图1 1 尺寸检验测微仪的基本组成 f i 9 1 1t h eb a s i cc o m p o s i t i o no f t h em i c r o m e t e rf o rs i z ee i g a m i n a t i o n 口 目前，可用于工件尺寸、形位误差数字化在线检测的精密位移测量传感器有 以下几类：电感式、光栅式、容栅式、应变片式等它们有各自的优缺点，适合 应用于不同的场合网 1 2 2 电感式位移传惑器 电感式传感器是利用线圈自感或互感的变化实现非电量电测的一种装置它 可以把输入的物理量如位移、振动、压力、流量、比重等参数，转换为线圈的自 感系数l 或互感系数m 的变化，而l 或m 的变化在电路中又转换成电压或电流 的变化，即实现非电量到电量的转换。由于电感式传感器抗干扰能力强，灵敏度 高，目前在精密测量中使用普遍，国内外精密量仪制造商也研制了多种电感式位 移传感器产品f 国外有马尔电感比较仪、瑞士t e s a 电感传感器等；国内有中原 量仪生产的d g 系列电感测微仪等。但是由于电感式位移传感器测量范围小、结 构复杂( 如图1 2 为瑞士1 e s a 生产的电感比较仪) ，价格较高，推广受到限制 2 - - 线曝系统，1 0 - - 磁芯，1 l 一力止动弹簧，4 - - 力压缩弹簧， 1 2 - - 钢球导向套，反转导引系统。6 - - 球笼1 4 一全密封防护套 8 一可更捷触头 图1 2 电感式位移传感器结梅图 f 皓1 2t h e s m 1 c t l a - ec h a r ti n d u c t a n c ed i s p l a c e m e n tt r a m d u c 日 2 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1 2 3 光栅式位移传感器 基于光栅原理的各种测微仪差不多在近 十年中才陆续进入市场。与电感测微仪不同的 在于，从传感器工作原理来看，大概可以认为 这是一类“直接数字化”仪器，仪器的精度主要 由光栅元件的栅距精度决定，不存在小信号放 大和模拟数字转换的标定等问题，同时测量 行程可以做得很长，仪器做到3 0 5 0 m m 行 程一般不成问题。但由于仪器是依靠电路细分 来获得分辨率的，必然会受到限制，因此仪器 的分度值以0 0 0 1 r a m 、0 0 1 r a m 两种居多，更 小分度值的仪器也有，不但价格高，而且不 容易经受得了被检对象存在抖动的环境目 前市场上高分辩率的光栅尺主要有海德汉 ( h e i d e n h a i n ) 光栅位移传感器，但是造 价较贵，且制造困难。 1 2 4 容栅式位移传感器 蕾嘲辩穗覆1 1 e i d b n l l a i n 龙疆位移俺黪嚣 图1 3 光栅式位移传感器结构图 f i g 1 3 t h es l r u c t u r cd l a r tg r a t i n g d i a p l a r , c m c n tt r a n s d u c , e r 容栅式传感器是在变面积型电容传感器的基础上发展起来的一种新型传感 器。它在具有电容式传感器优点的同时，又具有多极电容带来的平均效应，而且 采用闭环反馈式等测量电路减小了寄生电容的影响、有较好的线性度和灵敏度， 主要应用于数显卡尺、千分表、测高仪和测长仪。常用容栅测量系统的分辨率为 l i m a 、5 1 u n 和1 0 1 u n ，在量具量仪上得到广泛应用，但是示值误差太大，分辨力在 l p m 和l l u n 以下的测量系统一般都不采用。 图1 4 客栅式位移传感器 f i g , 1 4 t h ec a p a c i l a a c , ed i s p l a m 朗t t 瑚删证l 站靠 3 重庆大学硕士学位论文l 绪论 1 2 5 应变式位移传感器 在各种位移传感器中，电阻应变式传感器精度高，稳定性好，应用面广，并 且在制造工艺上比较成熟，是目前应用最广泛孵一种传感器。它与计算机裙结合， 实现了工业检测的自动化。 电阻应变式传感器由弹性元件，电阻应变敏感元件及变换电路组成。被测的 物理量作用在弹性元件上，安装在弹性元件上的电阻敏感元件将物理量转换为电 阻变化，又通过变换电路将电阻变化转换为电压变化。 电阻应变式传感器主要用于工程试验中，泓量静态直线位移及与位移有关的 物理量。这种传感器的特点是： 应用和测量范围广 分辨力( 1 ，店) 和灵敏度高，尤其是使用半导体应变计的应变仪，灵敏度可 达几十m v n ：精度较高( 一般达1 - 3 f s ，高精度达o 1 9 扣_ o 0 1 f s ) 结构轻小，对试件影响小：对复杂环境的适应性强，易于实施对环境干扰的 隔离或补偿，从而可以在高低温、高压、高速、强磁场、核幅射等特殊环境中使 用；频率响应好 商品化，选用和使用都方便，也便于实现远距离、自动化测量 1 3 本文主要研究内容 本文主要工作是研制出一种新型位移传感器，该传感器满足市场需要，结构 简单，便于制造，成本低，同时具有很高的精度，很好的重复性以及可靠的稳定 性。本文主要研究内容如下： 新型应变式测微仪的测试原理与设计方案分析 测微仪需解决的关键技术问题及主要设计参数计算 传感器的结构设计 测试软件编写。 试验标定。 4 重庆大学硕士学位论文2 应变式位移传感器的工作匾里皇羞垫琏查塑垦坌堑 2 应变式位移传感器的工作原理与关键技术问题分析 2 1 电阻应变式传感器的物理基础 以金属材料为转换元件的传感器，其转换原理是基于金属丝的电阻应变效应。 所谓应变效应是指金属导体( 电阻丝、薄膜电阻条等) 的电阻值随变形( 伸长或压缩) 而发生改变的一种物理现象珏【1 2 1 。设有一根圆截面的金属丝，如图2 1 f 图2 1 金属电阻应变效应 f i 8 2 1m e t a lr e s i s t a n c es w a i ne f f e c t 其原始电阻值为：五：p =l(2a) 式中： 6 r 金属丝的原始电阻( n ) p 金属丝的电阻率( q 皿) i 金属丝的长度( m ) s 一金属丝的横截面积( m 2 ) ( s 硼2 ) 卜金属丝半径( m ) 当金属丝受轴向力f 作用被拉伸时，由于应变效应，其电阻值也将产生变化， 当金属丝长度改变d l ，面积改变d s ，电阻率因金属晶格变形等因素的影响改变4 p ， 刚对( 2 1 ) 式两边微分得： d r = p sd l y la s + - - l s d p ( 2 2 ) ( 2 2 ) 式两边同时除以r 得： 一d r ：竺一堕+ 生：堕一芝+ 塑 rls pl ，2 。p 5 重庆大学硕士学位论文2 应变式位移传感器的工作原理与关键技术问题分析 设： 坚：些一2 童+ 塑 rlr p 萨一d l 占为金属丝的轴向应变 l 贝i j ： 生：? 雄为金属材料的泊松比( 或称横向变形系数) r 故( 2 3 ) 式可变为： 即： 令： 由( 2 4 ) 和( 2 5 ) 得： 坚：计2 肼塑 r p 坚：( 1 + 2 + 坐 r e 。 7 8 k o = ( 1 + + 警 堡= k 。占 r 。 ( 2 3 ) ( 2 4 ) k 。为金属丝的灵敏系数。表示当金属丝发生单位长度变化( 应变) 时，其电阻变化 率与其对应的比值，亦即单位应变的电阻变化率。由( 2 5 ) 式可知：金属丝的灵敏系 数k 。的大小是由两个因素引起的一是由金属丝几何尺寸弓 起，即( 1 + 缈项， 二是导体受力后，材料的电阻率p 发生变化而引起的，由塑项表示，由于垡2 无 p 6 p e 法用公式计算，所以目前各种材料的灵敏系数k 。均由实验测定。对于大多数金属 丝而言( 1 + 和) 和竺都是常数，因此k 。也是常数。大多数金属材料的k 。= ( 2 p 毛 6 ) ，一般为2 。 6 重庆大学硕士学位论文2 应变式位移传感器的工作原理与关键技术问题分析 2 2 应变式传感器的工作原理 如图2 2 为传感器的结构原理图。测量时，被测工件尺寸变化，使测量杆作上、 下微量移动，进而使悬臂梁的支撑弹簧片产生弹性形变。在弹簧片上贴有应交片， 并组成全桥电路。应变片将被铡位移 的变化转换为电阻值的变化，并通过 全桥电路转换为电压变化的输出。 按照传感器的上述工作原理，为 了实现精密测量，在传感器的设计中 需要解决如下主要问题：( 1 ) 首先 要确立被测参量即传感器测量杆移 动距离y 与应变片相应产生的应变 量之间的关系，这与支撑弹簧片的 尺寸参数有关。而应变量则直接影 响到测量电路输出电压a u 的强弱， 进而影响测量的分辨率。( 2 ) 测量 中需保证测量杆触头与被测工件之 间有合适且稳定的接触力( 测量力) ( 3 ) 测量系统的摩擦力应尽量小， 测量杆的运动必须十分灵活( 4 ) 解决好影响传感器精度的其他因素， 如温度补偿等 图2 2 应变式传感器测量原理图 f i g 2 2m e a s u r i n gp r i n c i p l e c h a r to fr e s i s t a n c e s w a i nd i s p l a c e m e n ts e n s o r 2 3 传感器设计中的关键技术问题分析 2 | 3 1 测头位移y 与应变片应变量s 的计算关系 a 应变式传感器的力学模型 图2 3 表示应变测微仪传感器的结构示意和力学模型。图中的( a ) 、( b ) 表 示这种传感器的机械结构原理。宽度为b 、厚度为h 、长度为l 的悬臂梁弹性钢片 的一端固定，另一端连接测量杆，杆的端都为球形，与被测表面接触。当零件尺 寸变化时，弹簧片将产生变形，设测量杆处所受的力为p 、挠度为y ，弹簧片材料 的弹性模量为e ，截面的抗弯惯性矩为j 、抗弯模数为w 、所受弯矩为m 、应力为 仃、应变为占，占。是应交片工作范围内的平均应变值，与平均弯矩值膨，对应，赙 根据材料力学可得【3 1 , 1 4 ： ，：丝 ( 2 7 ) ，= 一 z ， 1 2 7 重庆大学硕士学位论文2 应变式位移传感器的工作原理与关键技术问题分析 矿。丝：型 6 h y ：一堕 3 f 3 a 。e 占 m 萨万 ( 2 9 ( 2 1 0 ) ( t ) ( 2 1 1 ) 从图2 3 ( c ) 可以看出： 弹性片某处n 的弯矩m 为： 吖= p x ( 2 1 2 ) ( b ) 显然处于弹簧片固定端处的 弯矩 最大，即： e o ) 么= p l ( 2 1 3 ) 注意到应变片的工作范围的 中点正好处于最大弯矩 的二分之一处，因而可以设定 应变电阻丝所覆盖的弹簧片 部位的平均弯矩m ，约等于： 1 m p * 三p l ( 2 8 ) 图2 3 应变传感器计算的力学模型图 f i g 2 3 m e c h a n i c sm o d e lc h a r to fr e s i s l a n c e s t r a i nd i s p l a c e m e n ts e n s o r b 灏头位移y 与应变片应变量的计算关系 从( 2 7 ) ( 2 1 4 ) 式中消去p 和e ，可以算出如下结果： y ：堡：三丝 3 2 王，3 e w h 口pm p p l 知2 吉2 而。2 e w 以上两式相除得： 或： 垒：旦x 一3 e w h ：芝 y2 e w2 p ei ( 2 1 4 ) ( 2 1 s ) ( 2 1 6 ) 丝膨 = 略 重庆大学硕士学位论文2 应变式位移传感嚣的工作原理与关键技术问题分析 ( 2 1 6 ) 式是本应变传感器非常重要的应变量计算公式，它直接影响到应变片测量 电桥输出电压信号的灵敏度，进而影响到本课题研制的铡微仪利用现有成熟的称 重显示器作为放大电路达到预期目标的可行性 本课题应变传感器弹簧片h = o 2 m m 、l = 1 6 m m 、b = s m mb i l b 9 当要求传感器 的最小分度值为y = o 0 0 0 1 m m ( 即o 1 卢坍) 时，计算此时弹簧片的最小微应变值占。 为： g ：3 x o 2 x o r 0 0 0 1 ：0 0 0 0 0 0 0 0 5 9 ：0 0 5 9 1 旷 4 x 1 6 即等于0 0 5 9 个微应交( 注意：微应变值与弹簧片宽度b 无关，但测量力将与b 有关) 。根据s 。值，可以计算得应变片铡量电桥在最小位移y 卸1 埘时输出的电 压u o 值为( 见后公式( 3 1 6 ) ) u o = 眠= l o x 2 x o 0 5 9 x 1 0 。= 1 2 l ， 将这样小的电压变化量能可靠地放大并显示出稳定的数字，是放大电路设计中需 要解决的问题。 2 3 2 测量力的分析计算 对于精密测量，需要保证测量杆触头与被铡工件之间适当的接触力。接触力 过大可能会因为测量系统刚度不足而引起触头与被测工件之间的附加位移；接触 力太小，尘土膜及其他干扰可能会使测量触头与被测工件接触不充分，这些都将 影响测量的稳定性和精度。表2 1 列出标准扭簧比较仪的测量力及满刻度测量力的 变化等技术指标，由表知，该测量仪允许的最大测量力为1 5 2 5 n ，满刻度测量 力的交化为0 3 5 o ，6 n ，一般而言，对于“比较铡量”的传感器，在整个量程范围内 的测量力一般不应该超过1 5 n ，而最小的测量力不允许小于0 5 n 。设传感器规定 的总量程为y ，则在该量程范围内，测量力的变化不应该超过1 5 n ，而在保证一 定的测量预压力( _ - 2 0 5 n ) 的条件下的有效测量量程( 即示值范围y ) ，其测量 力的变化不允许大于1 n ，其示意如图2 4 所示： 表2 1 标准扭簧比较仪规格和技术指标 规格 0 0 0 0 50 0 0 10 0 0 20 0 0 0 20 0 0 1 分度值( n u n ) 0 0 0 0 50 0 0 10 ，0 0 20 。0 0 0 2o 舯l 示值范围( m m ) 士0 0 1 5士0 0 3士o 0 5：t o 0 2士o 1 示值误差( m m )! 抑0 0 0 3 印0 0 0 5黛0 0 0 1 擘0 0 0 1 5 垒o 0 0 l 示值变动性( 分度) l 3s 1 3s 1 35 1 2s 1 3 测量力( n ) s 1 5盈51 2 ，5s 1 51 互5 满刻度测量力的变化 郢- 3 5郢61 甄6宴0 3 51 抑6 ( n ) 夹持部位直径( r a m ) m 2 8 h 7 9 重庆大学硕士学位论文2 应变式位移传感器的工作原理与关键技术阎题分析 在本课题中，参见图2 2 ，测量预压力由弹簧力( 锥形螺旋弹簧) 产生，而测 量力的变化则主要由悬臂梁弹性片引起，其值大小与该弹簧片的结构尺寸有关。 因此要使铡量力变化范国符合要求，需要建立测量力p 与测量杆移动量y 和传感 器弹簧片结构参数的数学关系。将式( 2 7 ) 代入( 2 9 ) 式，经化简可以得到如下关 系： pa pe 6 矿 可2 石2 虿 ( 2 1 7 ) 该式反映了用于铡量的悬臂梁弹簧片的弹簧刚度。式中弹簧片的弹性模量e 是常数，钢的弹性模量在2 0 0 2 1 0 c , p a 的范围内。该式说明弹簧片的三个结构尺 寸b 、h 、l 中只有两个是独立的，而第三个参数则应按( 2 1 7 ) 式确定。从设计原 则来看，传感器在总量程( y ) 内测量力的变化( p ) 应当尽量小一些，而不是按 照极限允许值，才是较好的设计但这一要求必然会受到诸如测量灵敏度等其他 设计要求的限制，需要进行综合考虑。 本课题应变传感器弹性片结构尺寸为腿明：h = 0 2 m m 、l = 1 6 m m 、b = $ m m ， 弹簧片的弹性模量五= 2 0 6 1 0 7 n c m 2 ，代入式( 2 1 7 ) 得： a p ；e b b 3 ：8 0 5 n c 研：0 8 0 5 n m m y4 l 如果传感器的量程为a y = 0 2 m m ，则测量力的变化范围为a p = 0 1 6 1 n ，显然这个 值在允许范围之内，并且比较理想 ： 匿2 4允许测量力与量程的关系 f i g 2 4 t h e “d 刮 i o n o f a l l o w i n g m e a s u r e m e n t s e r e n g t ha n d m e a s m 证g r a n g c 1 0 重庆大学硕士学位论文 2 应变式位移传感器的工作原理与关键技术问题分析 2 3 3 测量系统的摩擦力分析与对策 测量系统的摩擦力直接影响测量数据的精确性及稳定性。因此要求传感器的 测量杆的运动必须灵活而摩擦力应尽量小本课题传感器机构的摩擦主要来自以 下两处( 如图2 5 ) ：测量杆与导向滑套之间因测杆移动而产生的摩擦；悬臂 梁弹性片触头与测量杆上支承盘之间因弹簧片弯曲变形产生的摩擦。 测杆与导向滑套之间的摩擦及改进方案 测量杆与其导向滑套之间的摩擦使工件与测杆触头之间的接触力发生变化 p ，即： a p = a p l + a p 2 其中p ，是 测量行程范围内 弹性力的变化 值；p ，是导向 套的摩擦力变化 值。由于摩擦力 p ，往往是随机 出现的，其大小 并不确定。这样， 不仅造成测量力 的波动，而且使 图1 1 的测量系 删l1 锌r l- i l 臣 l i j 弋广纛 l 雹b i b i 1- i 、i !l 卜 ! ! i， ( b ) 图2 5 传感器摩擦分布及改进图 f i g 2 5t h ec h a i to f t h e n i n s d u c e fr u b sd i s t n b u f i o na n dh n p r o v e m e n t 片羹 统产生附加变形。如果测量系统存在刚性较差环节，则p ，就成为测量误差的重要 组成部分，使测量精度下降，但减少狈4 量杆导向面上的摩擦力并比容易，因为存 在“两难问题”：为了提高导向精度，滑套配合间隙要小；但这必将增加测量杆移动 中的摩擦力。 为了彻底解决摩擦力p ，的影响，本文的测量杆导向并不用滑套，而采甩了平 行式片簧支承导向结构，如图2 5 ( b ) 这种片簧支承方式是测量杆完全处于悬 空状态而不与机壳任何部分接触，而且支承的径向刚度高，而轴向阻力极小，对 测量力的影响几乎忽略不计，从而较彻底解决了测量杆摩擦力的变化对测量精度 移稳定性的影晦。 悬臂梁弹性片触头的摩擦力及改进方案 悬臂梁弹性片采用图2 5 ( a ) 所示触头结构，传递运动时，不仅触头与测杆 之间的法向接触力变化会影响至测量精度，而且由于悬臂梁的弯曲变形，该变形 重庆大学硕士学位论文2 应变式位移传感器的工作原理与关键技术问题分析 还会使触头与测杆之同产生横向摩擦力，影响测量结果。为此，本文在悬臂弹簧 片与测杆之问改用了铜丝机构来传递运动。从而比较好地解决了摩擦问题。 钢丝直径的确定 从上面的分析可以知道，钢丝机构在测量的运动传递过程中起着桥梁的作用， 能否有效准确的传递触头与铡杆传递过来的位移量非常重要，钢丝直径的确定是 关键，钢丝直径太小，在传递过程中受力过大时有可能产生弯曲，严重影响传感 器测量的准确性；同时钢丝直径过大，由于悬臂梁的弯曲变形，同样会产生与测 杆之间的横向摩擦力，起不到改善摩擦力的效果。 下面对钢丝的直径进行力学分析。 钢丝的受力情况如图2 6 所示，设钢丝的长度为l ( 删) ， 直径为d ( 衄) ，由材料力学有：当施于钢丝的力p 小于钢丝 的临界力p 0 时，钢丝才不会失稳 丽昂：字 e 钢丝弹性模量，对合金钢取e = 2 0 6 x 1 0 1 1 p a j 直径为d 的钢丝对其形心轴的惯性矩 ，：丛 代入( 2 i s ) p o = 石2 2 0 6 l o d 4 6 4 1 2 图2 6 钢丝受力模型 f i f r 2 6t h es 咖g c l lm o d e lo f t h es t e e lw i r e 由于传感器在量程范围内禊9 量力一般不超过1 - 5 ：n ，即： 尸乩5 只；查型型掣 6 4 1 取l = 4 0 m m ，则d 卸4 m m 取间5 m m 那么矗：坌! 三生鱼丛生掣：3 8 9 1 5 。 6 4 x 4 0 所以取l = 4 0 m m ，d = 0 5 m m 是符合要求的 2 3 4 应变片电桥电路与温度补偿 应变片电桥电路 将应变测微仪弹簧片上下各二只应交片组成典型的全桥 9 1 结构如图2 7 所示： 其中应变片电阻r ，、r ，贴在传感器弹簧片的下侧，在测量过程中产生拉应力( 应 变符号为正) ；而应变片电阻r ，、r 贝4 贴在传感器弹簧片的上僦，在测量过程中 产生压应力( 应变符号为负) 。 1 2 重庆大学硕士学位论文2 应变式位移传感器的工作原理与关键技术问题分析 图中u 为电桥输入电压，u 。为输 出电压，r 。为输出负载电阻，i 。为流 经负载的电流。当弹簧片在测量过程中 产生变形时，4 只应变片的电阻r 。、 r 2 、r 3 、r 4 分别发生变化，其变化 的增量分别为r 1 、r ，、r ，、1 r ，受拉时的符号为正，受压时的 符号为负。根据熟知的电桥电路分析， 在输出开路的情况下( r ，_ ) ，并 设u o 的增量为乩，则可得厶“与 r l 、r 2 、r ，、r 以及u 的 变化关系如公式( 2 1 8 ) ： b o 圈2 7 应变片电路冒 f i g 2 7t h ec i g h i td i a g r a mo f s t r a i ng a u g e u 0 - i u x 筹一警+ 等一等m t + 圭筹+ 等+ 等+ 等竹 c 2 瑚， 上式分母中含a r i r i ( i r a l 、2 、3 、4 ) ，是造成输出量的非线性因素。当考 虑厶4 k 条件，可以忽略分母中a r r i 各项时，上式即可以表示为线性输出 u 0 ：一u 雄一丝+ 竺一些) ( 2 1 9 ) ”4 、r t r 2r 3r 些；巍 ( 2 2 0 ) 局 k 称为应交片的灵敏系数，对不同电阻丝材料、栅格尺寸的应变片以及不同 的变形类型来说，k 值在一个不大的范围内变动，即k = 1 8 2 1 。 将( 2 2 0 ) 代入( 2 1 9 ) 式可得： = ；k 细一出+ 扔一4 ) ) ( 2 2 1 ) 对于本项目的全桥电路，4 只应交片受力大小相回，二只受拉，二只受压，即 有：毛= 一岛= 岛= 一 = 占，因此( 2 2 1 ) 式变成： a u 0 - - u k s ( 2 2 2 ) 由于目前使用的应交集成放大器一般属于高输入阻抗的放大器，即r 。值很 大，因此( 2 2 2 ) 式可以基本反映电路实际情况。 重庆大学硕士学位论文2 应变式位移传感器的工作原理与关键技术阿题分析 温度补偿 电阻应变片的工作温度通常是标准室温2 0 = 1 ：5 ，在实际工作中，由于温度偏 离了标准条件，致使工作特性改变，影响输出变化而造成温度误差。因环境温度 变化而引起应变片电阻变化有两个主要因素：其一是应变片的电阻丝具有一定的 温度系数；其二是电阻丝材料与被测试件材料的线膨胀系数不同所致。 温度误差补偿的方法可分为：自补偿和桥路补偿两大类。利用选择自身结构 参数达到消除温度影响的作用称为白补偿，自补偿有两种：选择式自补偿应变片 和双丝组合式自补偿应交片。桥路补偿法是利用选取桥路电阻的工作片和补偿片 两电阻值相等，材料相同，并处于同一温度场，但对输出电压作用方向相反的原 理来完成温度补偿的方法。 除上面提到的补偿方法还有一种特殊的补偿方法：根据被测试件承受应变的 情况，可以不另加专门的补偿块，而是在被测试件的正反面都贴上应变片，一面 受拉，一面受压，但应变绝对值相等，符号相反，将它们接入电桥相邻臂后，可 使输出电压增加一倍当温度变化时，正反两面的应变片的阻值变化的符号相同、 大小相等，不影响电桥的输出，达到了补偿的目的 本方案采用在同一薄弹簧片相对的两面上分别贴两只应变片组成全桥电路的 方式，使四只应变片处于完全相同的温度下，从而比较理想地克服了环境温度变 化对测量带来的误差。 1 4 重庆大学硕士学位论文 3 应变式测微仪设计 3 应变式测微仪设计 应变式位移测量仪由测量杆移动机构、应交式传感器以及信号放大处理电路 三部分构成。测量时，被测尺寸的变动引起测量杆的上下移动，经过位移传感器 转换成电压变化量，经放大处理，输入计算机或直接用显示器显示。 3 1 应变式测微仪的结构设计 目前车间现场使用最多最成功的 机械式精密尺寸量仪是扭簧比较仪 ( 扭簧表) 扭簧比较仪( 简称扭簧 仪) 是利用扭簧作为尺寸转换和传动 放大元件，将被测尺寸变动引起的测 杆上下移动，转换为指针的角位移并 指示示值。它的外形及结构如图3 1 所示，其技术性能指标见表2 1 ，扭簧 仪的特点是结构简单，传动机构中无 摩擦和间隙，不但提高了精度和灵敏 度。而且经久耐用，易于制造和成本 低廉。其缺点是传动特性的线性范围 小，量程受到限制。经过数十年的改 进，其性能十分稳定，而且价格低廉。 问题在于测量的数据只能依靠人工 读取，无法数字化，不能充分满足企 业信息化的要求。 本文所研究的新型应变测微仪 的设计思路就是直接利用扭簧比较 仪产品的测头移动组件和夹持组件 成熟结构，在此基础上加装贴有应变 片的应变传感器，从而组成新的应变 传感器。由此本文所设计的应变测微 仪结构如图3 2 所示。结构设计重点 图3 1 扭簧比较仪外形与结构 1 一扭簧、2 一阻尼器、3 一传动角架、4 - - 测量杆、 5 一刻度盘、6 一指针、7 一拨叉、8 一滑块、9 一 前表盖、1 0 一后表盖、l l 一套筒、1 2 一限位销、 1 3 一弹簧片、1 4 一锥形弹簧、1 5 - - 限位挡块、1 6 一测量杆、1 7 一悬臂弹簧片、1 8 - - 弹簧挡块、1 9 一带螺母的端盏、2 0 一量程调节螺丝 f i f r 3 1t h ea p p e a r m ma n ds m l c t m es p r a i nar e e d o f c o m p a r a t 之一是测头位移机构。由于测头移动组件对测微仪的测量精度影响很大，为了实 现精确测量和测量数据的重复性和稳定性，在传感器结构上必须考虑以下问题； 重庆大学硕士学位论文3 应变式铡微仪设计 测量杆的移动必须保证良好的导向性，而不能够在导向轴承中晃动，这意味着 轴承与测量杆必须配合良好，二者之间的间隙必须很小，否则必然会影响测量数 据的稳定性：传感器测量秆的活动必须灵活而摩擦力应当尽量小 图3 2 应变测微仪结构图 f i 9 3 0t h es u u c l u r ec h a r to fm c r o - d i s p l a c e m e ms e n s o r 1 端盖、2 ，1 3 ，9 ，2 1 紧定螺钉、3 压板、4 传感器底座、5 连接座、6 ， 2 3 ，2 5 ，2 7 ，2 9 连接螺钉、7 - - 测杆上支撑、8 弹簧片、1 0 - - - 限位挡块、1 1 架持 柄、1 2 锥形弹簧、“弹簧挡块、1 5 一测量杆、1