影响应变式称重传感器性能的设计与工艺问题.ppt

PPT讲义影响应变式称重传感器性能的结构设计与制造工艺问题中国运载火箭技术研究院刘九卿 贵公司要求讲解四个问题 1 关于影响称重传感器性能的一些设计注意事项重点分析讲解2 关于焊接密封和相关边界条件影响的分析讲解3 称重传感器可能的新结构 新工艺知识讲解4 高温称重传感器工艺稳定性知识讲解本次培训讲解四个问题 一 应变式称重传感器技术与工艺的新发展二 影响称重传感器性能的一些设计与工艺技术问题三 称重传感器的焊接密封技术与膜片边界条件影响四 高温称重传感器制造工艺特点及工艺稳定性 一 应变式称重传感器技术与工艺的新发展1 概述 传感器技术是一项令人瞩目 迅猛发展的高新技术 是当代科学技术发展的一个重要标志 它与计算机技术 通信技术构成信息产业三大支柱 随着微处理器技术 计算机技术和信息处理技术的高速发展 传感器的重要性已变得越来越明显 传感器是信息采集系统的前端单元 传感器技术是现代科技的前沿技术 传感器产业是颇具潜力的高技术产业 专家预言 人类征服了传感器技术就几乎等于征服了现代科学技术 传感器以其技术含量高 经济效益好 渗透能力强 市场前景广等特点为世界各国所重视 目前世界上有40多个国家的5000多个企业研制生产传感器 产品20000多种 我国研制生产的传感器共10大类 42小类 6000多个品种 称重传感器是机械量传感器中的一种 传感器技术可以说无处不用 其应用比例如下 工业测量与控制18 1 家用电器13 7 科学仪器11 7 医疗保健11 0 环境保护10 0 信息处理8 0 汽车7 3 能源5 3 宇宙开发2 7 其它 如交通运输 海洋开发等 12 2 在工业测量与控制领域 各种传感器所占比例如下 压力39 温度25 测力与称重14 位移13 其它9 在测力与称重领域中 用于电子衡器和各种电子称重系统的称重传感器约占90 以上 在一个电子称重系统中 首先要检测到重量信息 才能去进行自动控制 因此称重传感器是电子称重系统中的核心部件 如果称重传感器获得的重量信息不确切 那么要显示这些信息并对其进行处理就十分困难 甚至没有意义 可见称重传感器在电子衡器中的地位与作用 在世界各国电子衡器产品所用的称重传感器中 电阻应变式占90 以上 我国约占98 以上 在现代信息技术领域 信息处理能力有余 信息获取能力不足 即 大脑发达 五官迟钝 在电子称重技术领域 称重传感器技术相对落后少一些 但稳定性和可靠性有待进一步提高 2 称重传感器技术特点及新概念 新动向2 1技术特点 高技术性 技术密集程度高 边缘学科色彩浓 是多种学科相互交叉 相互渗透的结晶 高技巧性 工艺复杂 是支持工艺 基础工艺 核心工艺 特殊工艺的科学运用和集成 高综合性 所涉及内容多 离散大 必须运用综合技术分析方法 解决故障及制程出现的问题 高渗透性 功能多样 性能极好 产品系列 种类繁多 向其它领域渗透能力强 加强基础 扩大应用 是高渗透性的最好体现 2 2称重传感器技术范畴 对于称重传感器技术 过去狭义理解仅包括称重传感器本身的制造与测试技术 现在广义理解既包括称重传感器本身的制造与测试技术 又包括制造与测试时所需要的相关技术 相关工艺 以及应用技术 称重传感器技术属于高技术范畴 又是一项综合型技术 所涉及的技术领域较多 均有一定难度 微处理器技术 数字补偿技术与传统的称重传感器技术相结合 研制的数字智能称重传感器 扩大了称重传感器的技术范畴和应用领域 2 3称重传感器的特性一般传感器的特性 包括其总特性和工作特性 与测量系统的匹配性 指与后接仪器组成测量系统时 应能满足输入 输出的匹配性 机械特性 运输和安装时 防止震动冲击的性能 工作特性 可分为静态特性 动态特性 环境特性 可靠性 指传感器的无故障工作时间 即可靠寿命 称重传感器的特性 是指静态计量性能 因主要用于质量测量 所以 称重传感器 国家标准和检定规程规定主要是静态计量性能和静态评定方法 用允许的误差包络线表征称重传感器的特征 能够平衡对整个测量误差有贡献的每个因素 2 4称重传感器发展概况20世纪90年代以来 在电子称重技术与电子衡器产品快速发展的强力牵引下 应变式称重传感器进入了大发展时期 设计与制造技术取得了令世人瞩目的进步 应变式称重传感器的设计与制造技术 产品的种类和市场占有率 美 德等工业发达国家的著名制造公司处于国际市场引导者的领先地位 我国具有一定规模的称重传感器制造公司处于国际市场挑战者地位 一些产品已达到国际水平 我国大多数生产企业是处于国内外市场追随者地位 家庭电子秤用称重传感器的研发和生产中心在中国 制造技术 工艺水平 产品质量逐年提高 2 5称重传感器技术竞争焦点当今国际市场称重传感器技术的竞争 集中表现在产品的准确度 稳定性和可靠性的竞争 制造技术与制造工艺的竞争 应用高新技术研发新产品和自主知识产权产品的竞争 各称重传感器制造企业都在努力培植自己的核心竞争技术和打造核心竞争产品 例如正负蠕变电桥的 零蠕变 称重传感器 铍青铜动态称重传感器 高准确度电子天平用数字称重传感器 组件化设计的 即插即用 型新式称重模块等 处于国际市场引导者地位制造商的共同追求是 弹性元件结构与附件设计所考虑的因素更全面 弹性元件材质更精良 电阻应变计结构更合理 电阻值调整更精确 补偿元器件的技术要求和环境应力筛选更严格 制造工艺流程和电路补偿与调整更科学 更合理 性能试验与测试方法更规范 更高效 稳定性处理工艺更完善 更有效 外观质量更完美 2 6结构材料向功能材料方向发展称重传感器技术发展的需要 促使弹性元件用的结构材料向功能材料方向发展 即具有力功能材料的特点 其特点是 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 2 7物性型称重传感器将进入电子称重领域 当今在用的应变式称重传感器属于结构型 即利用弹性元件的变形来检测被称物体的重量 随着科学技术的发展物性型称重传感器 如半导体类 陶瓷类 光纤类 纳米类等新型称重传感器将部分进入电子称重技术领域 物性型称重传感器基本特性和构成 与其敏感元件的核心材料的性能不可分割 即利用材料固有特性来实现对物体重量信息的检测 例如 利用Z 半导体传感技术研制的Z 元件称重传感器 以及应用纳米技术开发的纳米称重传感器 2 8数字智能传感器的接口问题美国国家标准技术研究所和IEEE仪器与测量协会的传感技术委员会 针对变送器各个工业领域的需求 建立5个工作组于1993 2001年制订IEEE1451智能变送器接口标准 IEEE1451 1网络应用处理器信息模型 IEEE1451 2变送器与微处理器通信协议 IEEE1451 3分布式多点系统数字通信 IEEE1451 4建议标准 即混合模式通信协议 IEEE1451 5建议标准 即无线通信协议 旨在现有的IEEE1451框架下 构筑一个开放的标准无线传感器接口 以适应工业自动化等不同应用领域的需求 3 电阻应变计制造工艺新成果3 1采用三维有限单元方法设计电阻应变计 处于国际市场引导地位的企业普遍采用二维和三维有限单元法 建立相应的力学模型 分析电阻应变计的应变传递系数 提出敏感栅结构设计原则 美国V MM公司建立三维有限单元六面体力学模型取一万多个节点 在大容量电子计算机上进行计算 其目的是研究电阻应变计结构 解决敏感栅结构的力学效应 覆盖层的力学效果 基底 敏感栅 覆盖层厚度对机械滞后的影响 敏感栅结构与蠕变自补偿问题 保证电阻应变计敏感栅的结构形状 几何尺寸 基底与覆盖层厚度最合理 敏感栅基底胶粘剂层弹性元件 剪应力拉应力 L X aa 由于弹性元件 基底 胶粘剂都是面接触 故变形能有效传递 其变形以剪切的形式依次传递到基底 敏感栅上 基底两端的位移最大 所以剪应力最大 中间截面处位移为零 故剪应力符号相反 分析应变传递得出 1 弹性元件的变形 以剪切的形式依次传递到敏感栅 由于基底两端的位移最大 故剪应力最大 并呈指数曲线上升至最大值 称为剪应力传递区 2 敏感栅正中截面位移为零 故剪应力为零 大部分区域是单向应力状态 传递的应变基本等于弹性元件应变 故称为应变正常传递区 3 但对应于剪应力传递区的敏感栅部分a 应变 随x增大而减少 端部为零 应变传递在此区域滞后 为了减少端部效应影响 应合理设计端头尺寸 特别是基底边缘至端头要有足够距离 选择栅 丝时应越薄 越细越好 基底胶层越薄越好 胶粘剂弹性模量和剪切弹性模量越大越好 有利减小滞后和蠕变误差 3 2在学术领域形成了应变电阻合金学术分科研制满足各种类型电阻应变计工作特性要求的应变电阻合金材料 并从合金熔炼 锻造 箔材轧制 碾压 热处理开始控制电阻应变计的质量 箔材粗轧工艺 合金的熔炼 电渣重熔保证合金成份不变 锻造 冷轧 碾压等工艺为精轧作准备 箔材精轧工艺 在洁净度较高的环境条件下 利用高速轧机进行冷轧 采用轧机自动厚度控制系统控制带材厚度 保证均匀一致 碾压精度要求 厚度为0 0001 0 0002英寸 2 5 5 m 的带材 厚度变化小于0 00001英寸 0 25 m 3 3应变电阻合金箔材智能真空热处理设备 箔材在多次轧制 碾压过程中 晶格产生位错 滑移 空位 破裂等缺陷 其附近的原子处于热力学上的不稳定状态 是电学性能不稳定的重要原因 因此必须进行稳定性处理 即退火处理 在达到退火温度时这些原子吸收热能产生扩散 使晶格缺陷迁移和消失 电阻率和电阻温度系数趋于稳定 智能真空热处理炉 能在极高的真空条件下 精确的按照设定的热处理工艺曲线 对应变电阻合金箔材进行热处理 并采用正压氢气体保护技术 保证金属箔材不被氧化和化学成分不变 在此前提下调整其热输出性能 3 4超薄应变电阻合金箔材为研制大阻值 低功耗电阻应变计 美国V MM公司研究轧制出0 00006 0 00008英寸 1 5 2 m 厚的应变电阻合金箔材 3 5采用带基底的箔材制造电阻应变计在专用的加压加温设备上 将热处理后清洗干净的箔材 与已制成12 5 25 m胶膜的基底材料 通过胶粘剂粘贴 固化使两者成为一个整体 供制造电阻应变计使用 其特点是 将箔材处理 清洗 涂基底胶 固化成膜等工序合并为一体 即简化了工艺流程 又提高了电阻应变计的均一性和稳定性 3 6电子计算机控制的智能化蚀刻工艺装备智能蚀刻机为全密封结构 保证蚀刻液成分不变 采用扇形摆动喷淋面与垂直方式承片台动态配合 有效的控制每版应变计电阻值的误差 3 7图形识别蚀刻质量检查系统电子计算机控制图形识别蚀刻质量检查系统 检查严格 科学 合理 应变计合格率只有60 左右 特别适合用于称重传感器 3 8新型全密封覆盖层技术与工艺敏感栅与端头焊点全覆盖 通过电火花加工裸露出焊点 为真正的全密封型电阻应变计 3 9智能电化学调阻工艺是利用金属在电解液中受到电化学阳极溶解使其尺寸改变的原理 对细腐蚀后的电阻应变计 通过耐腐蚀材料制成的阴极和它喷射出的电解液 逐片对敏感栅进行电解加工调整电阻值 在调阻时工作阴极和敏感栅表面互不接触 敏感栅表面无变形层不产生残余应力 整个调阻过程采用了PC操作系统控制 自动进行 调阻精度和效率高 阻值分散和温度系数小 稳定性好 但需要专用工艺设备 3 10智能光化学调阻工艺近年来工艺研究的新成果 对细蚀刻后的整版电阻应变计均匀涂上一层蚀刻液 以一定波长的激光束扫过敏感栅上的蚀刻液 蚀刻液只有在光束照射下才能发挥蚀刻作用 进行光化学调阻 直到自动测量系统发出电阻值达到标准时为止 不产生予应力和温度特性变差 电阻标称值精度高 阻值分散度小 温度系数小 稳定性好 特别适合作高准确度的称重传感器 德国已研制出智能光化学调阻装备 3 11激光自动剪片新工艺效率高 基底尺寸一致性好 从敏感栅中心线到其边缘公差均为 0 005英寸 0 13mm 可利用基底外形作为贴片定位基准 我国已研制出智能激光自动剪片设备 3 12应变计自动性能检测与灵敏系数测定装备主要是标准梁自动加载和检测系统 即通过多路自动扫描测量仪及电子计算机控制与数据处理系统 3 13新成果 高温电阻应变计兼有灵敏度温度自补偿功能 电阻应变计的疲劳寿命有较大提高 从过去承受1000 时的107 108次 提高到现在承受1500 时的107 108次 3 14新课题近年来 加强了用Balco 巴尔科 合金代替镍电阻的研究 Ni的电阻温度系数在10 65 时为0 59 Balco合金为0 43 且电阻率高 比较容易获得高电阻值 Ni和Balco的缺点是电阻值相对温度变化不是线性函数 为此 德国学者在研究用钡或铌代替镍作为灵敏度温度补偿电阻 4 称重传感器技术的新发展4 1设计技术 传统设计法古典算法 经验 为半理论 半经验设计 即以理论计算为基础 以经验公式 设计手册为依据 通过经验公式 近似系数或类比等方法进行设计 简单实用 比较有效 但也存在弊端 主要是 达不到最佳设计 有些关键尺寸不尽完全合理 难以进行全面分析和综合各参数之间的相互影响 对边界影响 支承刚度和应力集中等很难作出分析和判断 影响对结构及边界支承的正确选择 从开始研制到设计定型 设计和试验周期长 耗费人力 物力多 成本高 现代设计法是传统设计理论的延伸 思维方法的改变 多种设计技术 理论与方法的综合 其特点是 设计手段精确化 计算机化和虚拟化 虚拟化是以系统软件在计算机上进行仿真 实现三维建模 设计过程并行化 最优化和智能化 国际著名称重传感器制造企业普遍开展计算机辅助优化设计 建立较为复杂的力学模型 采用交互 高交互有限元程序包进行计算和分析 其核心是计算机动态仿真 发现并及时处理某些不可避免的缺陷甚至错误 保证结构设计合理性 4 2称重传感器结构与功能的新进展 数字称重传感器称重传感器的原理决定了其本身不能产生带有数字特征的输出信号 要实现数字输出必须借助外部力量 纳入数字技术后使其性能上了一个新台阶 与数字技术发展经历了半数字化 模拟数字混合方式 和数字化 全数字方式 一样 数字称重传感器也同样有两种实现方法 一种是模拟加数字方法 即模拟称重传感器加A D转换数字模块 称为数字化 国外称为简单型 一种是全数字方法 即称重传感器电桥电路加数字处理电路和数字补偿技术与工艺 称为数字式 国外称为聪明型 分离型数字称重传感器 数字接线盒 无数显功能的数字接线盒 1 每个输入通道具有一个独立的A D转换器 独立进行数字量化处理 2 各个输入通道共用一个多路A D转换器 分别依次进行数字量化处理 有数显功能的数字接线盒 实际上是将数字接线盒与数字称重仪表合二为一 具有两者的全部功能 连接上普通模拟式称重传感器 即组成了数字称重系统 具有对其单独寻址并存储有关参数等功能 动态称重传感器为满足快速称重和动态称重的需求 开发出新结构的动态称重传感器 除具有线性好 固有频率高 动态响应快等特点外 还创造性的将油阻尼装置与过载保护装置设计为一体 使称量时称重传感器的衰变时间快 称量速度高 工作寿命长 其准确度达4000d 美国THI公司研制出新型动态称重传感器 它可以承受离心力和机械振动 内部装有特制的粘性阻尼器 保证称量时有较快的稳定时间和较小的测量误差 称量时的稳定时间低于50ms 带 耐压外壳 保护防爆功能的称重传感器德国HBM公司研制的C2A和C16A两种不同结构系列 1 100t具有 耐压外壳 防爆功能的称重传感器 焊接外壳均经过高压试验 检验结构强度和密封性能 试验压力20pa 巴 高准确度不锈钢称重传感器美国Scaime 斯凯梅 公司研制出新一代高准确度不锈钢F60X系列 量程5 5000kg的称重传感器 准确度可达6000d 主要用于湿度大 腐蚀性强的环境中 而且防水 簿形 超薄型称重传感器主要用于电子天车秤 薄型电子平台秤等 集成化称重传感器是指将重量信息采集 放大 变换 传输 处理和显示都集于一体的称重传感器 例如 信号处理电路和称重显示控制都集于一体的轮辐式称重传感器 多分量称重传感器目前多为测量垂直和水平载荷两个分量 例如汽车检测线用的称重板 其结构原理是在称重板上加工出同时感受垂直载荷和水平载荷的称重传感器 碳纤维称重传感器碳纤维称重传感器利用的是碳纤维复合材料 在外载荷作用下电阻值增大的特性 日本学者柳田博明研制的碳纤维复合功能材料 以乙烯树脂为基体 含0 3 0 6 的碳纤维和31 6 的玻璃纤维 其特点是 在外载荷作用下 在一定的变形范围内 其电阻变化与应变呈线性关系 利用这一特性 日本研制出碳纤维称重传感器 Z 元件称重传感器Z 元件是俄罗斯传感器专家Zotove 佐托夫 教授发现的 它是用N型硅单晶 采用平面扩散工艺进行铝 Al 扩散形成PN结 然后用特制溶液在高温下进行金 Au 的扩散制成硅片 经单面打磨 镀Ni电极形成欧姆接触 然后划片 切割 焊接引线和封装制成 过去只有温敏 光敏和磁敏Z 元件 目前力敏Z 元件已有应用 其应用特点是 体积极小 反应灵敏 工作电压低 工作电流小 测量电路简单 输出频率信号 可直接与计算机连接 是研制新一代数字称重传感器的理想元件 有可能促成称重传感器 称重仪表结构和电子称重控制方式的重大变革 纳米称重传感器纳米 即10 9m 相当10个氢原子紧密排在一起 纳米技术是在纳米空间 0 1 100nm 内研究电子 原子 分子运动规律及特性 以制造具有特定功能的材料和器件 纳米材料是纳米级的超细微粒经压制烧结而成 其特点是材质完全纯净 结构没有缺陷 具有抗紫外线 红外线 电磁干扰等特殊功能 美国学者利用纳米材料在外载荷作用下 其体积变化与载荷成正比这一特性 研制出纳米微型称重传感器 5 应变式称重传感器技术攻关方向根据我国称重传感器技术发展的总体水平和与工业发达国家同类产品的主要差距 应将技术攻关的重点确立为 共性关键技术与工艺研究 称重传感器产品工程化研究 稳定性与可靠性技术研究 工艺流程中增加自动控制工序及批量生产的统计制程管理研究 新产品和自主知识产权产品的开发 称重传感器应用技术 6 应变式称重传感器技术攻关内容6 1课题立项原则适合称重传感器行业需要和技术发展趋势 对影响称重传感器性能的设计技术 制造 冷 热加工 技术 关键工艺和可靠性技术进行研究 提高称重传感器的总体技术与工艺水平 6 2技术攻关内容与课题 仔细研究称重传感器的零点温度漂移 灵敏度温度影响 蠕变等性能如何受外界多种环境条件作用 通过壳体 防护与密封涂层 自然温度梯度 电阻应变计类型所造成的影响 在测试与应用中 开展力标准机 称重传感器及有关压头 压垫间 至今尚不完全清楚其机理的 寄生效应 的研究 在内在机理上 从称重传感器重要质量指标中发现 较苛刻的指标是与工业发达国家同类产品差距最大的稳定性和可靠性 因此必须加强对原材料 元器件环境应力筛选和稳定处理工艺的研究 屏蔽 隔离与干扰抑制技术在称重传感器结构设计与制造工艺中的应用研究 改进生产工艺在工艺流程中 增加以计算机为核心的自动控制工序 并在网络软件管理下形成工艺流程网络化 采用新工艺近年来随着薄膜工艺水平的提高 促进了溅射型电阻应变计的迅速发展 即采用溅射技术直接在弹性元件表面形成电阻应变计 其厚度仅为箔式电阻应变计的1 10 故又称薄膜电阻应变计 其特点是精度高 可靠性好 无滞后和蠕变现象 具有良好的耐热性和耐冲击性能 容易制成高阻值的小型电阻应变计 国外已应用于高温称重传感器制造 6 3新产品和自主知识产权产品是竞争的核心 竞争方向 国内 国际电子衡器市场和其他行业电子称重计量需求 特别是与称重传感器技术相近的跨行业产品 竞争基础 制造技术 制造工艺 创新要求 适度跟踪世界称重传感器发展趋势和战略前沿技术 结合国情进行开发和创新 创新标准 技术先导性 工艺先进性 产品适用性 市场扩散性 创新形式 除原创型设计外 移植型设计 嫁接型设计 集成型设计也是创新 6 4应用技术 称重传感器是高渗透性产品 种类繁多 功能多样 性能极好 向称重和其它技术领域渗透能力极强 在汽车电子方面的应用 例如 平衡与偏载系统的称重传感器 制动力转向系统的扭矩传感器 轮胎压力平衡系统的胎压传感器等 在流量计量检测系统中的应用 如质量法大流量计量 在过程工业控制系统中的应用 汽车刹车片 玻璃 橡胶等配料系统 在生物医学中的应用 治牙 正骨中力的测量 病床秤 轮椅秤等 在机器人方面的应用 机器人外部力觉传感器 机器人内部受力状态的力传感器等 平行梁型称重传感器在多分度值电子秤中的应用 7 近期的研发热点和长远性技术课题动态质量测量法及动态电子秤研究 快速 低速动态 动态称重传感器研制及其阻尼技术与阻尼装置 称重传感器的动态特性及动态误差 数字式称重传感器的研制及其数字补偿技术与补偿工艺 数字模块 数字接线盒的研制及其应用 高准确度称重传感器的研制 例如银行点钞高档电子计数秤用称重传感器等 集成化称重传感器的研制 例如称重板 称重轨 称重钩 称重叉 称重梁等 微小量程 超大量程称重传感器的研制 高温 低温 防爆 耐压 耐腐蚀等特种称重传感器的研制 新型称重模块的研制及其应用 多功能 多分量等复合型称重传感器的研制 偏心载荷测量及车载秤用称重传感器的研制 新型灵敏度温度补偿电阻材料的研究 大阻值 低功耗 高精度电阻应变计的研制 二 影响称重传感器性能的设计与工艺技术问题1 结构设计中的关键问题 称重传感器的结构设计与理论计算 是基于外载荷作用线与弹性元件加荷轴线一致的前提 且载荷是均匀的沿着轴线传递 事实上 外载荷作用线与弹性元件加荷轴线即不同轴也不均匀传递 因此会产生干扰影响 对此干扰影响的敏感程度取决于结构形状 附件性能 电阻应变计粘贴位置等 测量信号必定与称重传感器的下列因素有关 相对于载荷轴线的倾斜位置 应变区的面积效应 压头和压垫的表面形状及硬度 接触面大小和材料性质 接触表面粗糙度 接触面 接触带或接触点的变形 加载 承载边界条件 加强上述干扰量 影响量等问题的研究 对于称重传感器的结构设计 理论计算和生产出一贯符合国家标准的产品至关重要 1 1承受外载荷的两个接触面通常一台称重传感器有两个承受载荷的接触面 即引入载荷的接触面和承受载荷的接触面 对于承受压向载荷的称重传感器 两个承受载荷的接触面为弹性元件的上球面和下底面 对于承受拉向载荷的称重传感器 两个承受载荷的接触面为上 下螺纹的啮合面 对于平行梁式称重传感器 两个承受载荷的接触面均为弹性元件的一部分 对于一些剪切梁式称重传感器 一个接触面为弹性元件的一部分 另一个接触面与弹性元件分离 因为它有一个固定连接的底垫 在每一个接触面上 载荷的分布取决于端部的加载条件 因此 这些加载条件的变化 将使弹性元件应变区的载荷分布发生变化 即使在接触面上总的作用载荷保持不变 加载条件变化也将导致灵敏度变化 造成称重传感器不稳定 对于压向称重传感器 端部加载条件由下面几个因素决定 与称重传感器加载面相接触的材料的特性 如硬度 摩擦系数等 与称重传感器加载面相接触的表面形状 如平面 曲面曲率 接触圆大小等 加载后接触表面的变形 对于应用螺纹接触面引入载荷的拉式称重传感器 端部加载条件由下列两个因素决定 螺纹加工精度 即螺纹中径的尺寸精度 拉式接头或关节轴承拉头与弹性元件螺纹的啮合面积的大小 对于各种梁式称重传感器 决定加载边界条件的因素 主要是支承底座 托架 垫块的结构及所用材料的硬度 表面粗糙度等 英国物理实验室测力研究室 对500KN标准测力传感器 通过一个钢质平垫和两个半径为1 1000的钢质凸 凹球面垫进行加载试验 在最大载荷值时 用平垫和球垫测得称重传感器的灵敏度不同 它们之间的最大差别为0 2 有些结构的称重传感器 加载 承载边界条件的改变会使灵敏度产生较大的变化 在用滞后 蠕变和灵敏度温度误差都很小的压式称重传感器进行的压垫试验得到了证实 压垫设计合理时灵敏度相差0 05 压垫设计不合理时灵敏度相差0 3 采用圆柱形弹性元件的压式或拉式称重传感器 应变区的有效长度L和直径D之比L D是决定加载边界条件的主要参数 对于50t的压式称重传感器 当L D 3 7 远远低于设计的纵向弯曲率 时 在压垫试验中灵敏度变化小于0 005 而当L D 1时 其灵敏度变化大于1 综上所述 加载 承载边界条件的影响是称重传感器弹性元件结构设计必须认真考虑的问题 从应用角度讲 称重传感器的附件设计更关键 在大多数压向称重传感器的设计中 圆柱式弹性元件放在底板上 顶部由一膜片支撑 此膜片固定在与底板成为一体的坚固的外壳上 如果A底 A弹 当通过球面加载时 底板和外壳就会产生变形 引起灵敏度变化 如果底板进行加工 使集中力作用于弹性元件底部 就可以避免外壳变形 从而避免灵敏度变化 额定载荷小于20t的称重传感器 最好不采用柱式弹性元件 而采用剪切式弹性元件 这些结构对端部加载条件变化不敏感 1 2表面形状和硬度影响称重传感器上 下压垫的接触面 都影响载荷的引入和传递 上压头表面不平度和粗糙度都很高时 表面硬度影响可以忽略不计 上压头厚度影响也很小 因为接触仅发生在球面中心一个小接触圆上 一般要求上压头的硬度小于弹性元件的硬度 但不能太低 因为压头硬度越低 粗糙度越大 在较小的载荷下会产生较大的变形 将使合力作用点发生变化 引起称重传感器灵敏度变化 用不同硬度的钢 铜 铝压头进行试验 表面粗糙度同为Ra 6 3 m 在相同载荷作用下其变形分别为2 2 m 3 6 m 5 4 m 第二次加载时的变形分别为0 33 m 0 38 m 0 60 m 压垫的形状 从平面到球面 对三个力矩分量的影响是显著的 其最大特点是在接触区内出现相当高的应力 由于接触点处于三向受压的应力状态 因此能承受这样高的应力 下压垫形状影响大于其硬度影响一个数量级 在最差情况下为输出值的0 3 1 3接触面大小和材料性质的影响 接触面压力低时 滞后小 压力高时 滞后大 大量程弹性元件的承载球面半径应尽量大些 例如德国Philips公司PR6201型50t弹性元件 承载部分的直径和球面半径分别为D54mm和SR35mm 100t分别为D76mm和SR50mm 200t分别为D108mm和SR70mm 剪应力的大小和在下压垫上的分布 与弹性元件底面直径d 所用材料弹性模量Em和压垫直径D 所用材料弹性模量Es的不同有关 当D d Em Es时 在接触P面上只引起局部影响 这种影响不扩散 不影响弹性元件应Em变区变形 d 当D d Em Es时 在接触Es面上产生应力集中 由于弹性模D量不同而阻止了弹性元件的横向变形 这种影响向弹性元件中心部分扩散 使输出有减小的趋势 1 4接触表面粗糙度的影响 英国物理研究所测力窒 用环氧树脂称重传感器模型 在不同表面粗糙度和不同材料制成的橡胶 树脂和钢底座上进行试验 在称重传感器模型上粘贴电阻应变计 改变接触表面的粗糙度及模型尺寸 高度H和直径D 测量出其径向应变值 试验测量结果表明 接触表面越光洁 载荷传递性能越好 输出就越大 对灵敏度无影响 1 5必须重视载荷传递方式设计尽量采用点或线接触方式传递载荷 如果必须采用面接触方式传递载荷时 称重传感器应具备 允许局部区域有较大变形 输出对加载面位置变化不敏感 对局部应力集中不敏感 为此 必须采取下列措施 增大应变均匀区 如加大高度与直径比 采用加高的均压垫 增加铍青铜波纹板弹性压垫等 将面接触通过过渡压垫转换成点接触或线接触 采用复合梁型称重传感器 如十字梁式 轮辐式等 2 新式称重模块的开发与应用 是集成上述研究成果的新一代产品 对电子衡器的结构设计引起较大变革 美国V BLH公司称其为用新技术迎接称重系统设计的新挑战 生产过程 在线 称重计量与控制系统的新发展 为实现电子称重系统多功能 高准确度 高可靠性和高接口功能 对称重传感器及其称重模块提出的新要求是 1 称量准确度高 长期稳定性好 2 安装调试方便 工作可靠性高 寿命长 3 不受动态过程 转矩 搅拌等 影响 4 密封性好 便于冲洗 3 称重传感器技术研究方向和特点3 1重视基础研究和工艺研究把准确度 稳定性和可靠性作为极其重要的质量指标 以制造技术和制造工艺为核心竞争力 进行基础研究和工艺研究 其研究方向是 在产品结构设计与制造工艺中 吸取了工程化产品设计中的计算机拟实技术和虚拟技术 加快开发速度 减少开发风险 在弹性元件加工中 从单元加工技术发展到集成化加工技术 从刚性制造发展到柔性制造 从简单化经验判断发展到智能化定量分析 普遍采用柔性制造单元和柔性制造系统 生产工艺已不是传统关念中的 作坊手艺 而是技术与管理相结合的一项系统工程 为适应多品种 大批量生产 保证产品技术性能的均一性 生产工艺必须向尽量减少手工操作 人为控制 增加半自动化和自动化工序方向发展 例如 采用计算机控制 人机一体化工艺系统和测试技术网络化信息系统等 与稳定性和可靠性有关的稳定处理工艺在高温处理 低温深冷 脉动疲劳 超载静压等方法的基础上 又研究出振动时效 共振时效新工艺 3 2重视弹性元件应变程度的影响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 弹性元件材料不仅是结构材料而且是功能材料 在产生应变的弹性元件材料所要求的各种性能中 最重要的性能是滞后和蠕变 实际上综合性能再好的弹性元件材料 也存在弹性滞后和弹性后效 蠕变 提高线性 减小滞后和蠕变最有效的方法 就是把弹性元件应变区的应变程度限制在一个较低的范围内 一般高准确度的称重传感器的应变程度都较低 其最大应力仅为材料弹性极限的1 4 1 3范围内 实际上称重传感器的线性 滞后 蠕变和疲劳寿命都随弹性元件应变区应变程度减至最小而获得改进 较低的应力 应变意味着对理想线性弹性性能的偏差最小 也意味着弹性元件有较大的刚度和较高的固有频率 弹性元件任何几何形状的改变 必然伴随出现一定程度的非线性影响 弹性元件应变区应变程度低 不仅变形小 刚度大 固有频率高 而且有助于把弹性元件几何形状变化引起的非线性误差减至最小 3 3加强减少弹性元件残余应力的研究残余应力的来源 原材料在轧制等工艺成形过程中产生的残余应力 在热处理过程中 由于冷却温度不均匀和相变而产生的残余应力 在机械加工过程中 因切削力作用而产生的残余应力 残余应力的危害 加工产生的残余应力 在弹性元件表面形成变质层 使其组织处于不稳定状态 随着时间的变化内应力松弛 而导致尺寸变化 刨 铣 车 磨等机械加工 使弹性元件表面变形不均匀 而产生较大的残余应力 切削用量越大 表面的残余应力就越大 车削加工时 不同进刀量轴向和周向的残余应力也不相同 在弹性元件表面为最大残余拉应力 距表面40 80 m处为最大残余压应力 磨削加工时 产生的残余应力最大 磨削深度越大 产生的残余应力就越大 其最大残余应力位于距表面20 40 m处 综合刨 铣 车 磨四种机械加工方法产生的残余应力 可总结出 最大残余应力位于弹性元件表面至深度为100 m之间 数值较大 残余应力衰减很快 在深度为200 m处已很小 切削用量越大 残余应力就越大 弹性元件精加工为磨削时 残余应力最大 其值可达900N mm2 因此热处理后弹性元件的精加工尽量不采用磨削 综上所述 研究的重点应为 在全部生产过程中如何减少残余应力 其次才是如何消除残余应力 4 正应力称重传感器结构设计的有关问题4 1单柱式 圆柱 圆筒 方柱 棱柱结构 输出灵敏度 mv v 4 2多柱式 整体三柱 四柱或多柱结构 整体三柱 四柱型弹性元件 是将锻造时只许拉伸不许墩粗的一段圆形毛坯 在数控加工中心上一次加工成形的整体结构 三柱 四柱型的每根柱均沿弹性元件圆形底座的对称轴均匀分布 柱体多为正方形截面 在顶板的中心加工出球面或球碗 用来引入外载荷 整体三柱 四柱型称重传感器的特点 适合大力值 低外形 提高了抗侧向和偏心载荷的能力 单柱结构只有额定载荷的5 左右 而整体三柱可达30 整体四柱高达50 加大了承载压头半径 减小了压头变形 改善了静态 动态工作性能 不用设计复杂的保护外壳 可采用柱间粘接或焊接密封 设计比较减单 只需按最大偏心承载量计算单柱承受的载荷 并满足输出灵敏度要求即可 4 3环式称重传感器 圆环B点的弯矩MB 0 182PRMB产生的弯曲应力B点的轴力N在横截面上产生均布正应力根据力的叠加原理 AB 板环应根据板环的平均半径R0与宽度h的比值R0 h求出修正系数G 其灵敏度计算公式为例 P 10000kg板环式称重传感器 结构尺寸为R1 25mm R2 50mm h 45mm 由修正系数曲线查得G 0 9 则灵敏度为 4 4平行梁式称重传感器平行梁弹性元件打破了在均匀应力场粘贴电阻应变计的传统概念 而是粘贴在应力集中处 设计要点 垂直梁与平行梁的刚度比K J2L J1a 应尽量大 至少应大于50 当刚度比K很大时 1 载荷P作用点处只发生垂直位移 弹性元件呈平行四边形变化 2 载荷P引起的平行梁弯矩零点 趋于平行梁的中间截面 3 弯矩M引起的平行梁弯矩趋于零 表明载荷P作用点变化 对平行梁的弯矩图无影响 4 5中心梁式称重传感器中心梁结构也称三平行梁称重传感器 它由上下柔性梁和中心应变梁构成一个整体结构 因中心应变梁的结构不同 可分为中心直梁式 中心悬臂梁式和中心环式结构 4 6正应力S形称重传感器S形单孔平行梁称重传感器 孔内应力按正负双向分布 正负最大应力相差无几 最大应力位置不在 4 而是稍靠近中间 宽度越小 越靠近中间 S形中心梁称重传感器有S形中心梁 中心悬臂梁 中心环称重传感器之分 共同特点是中心梁或中心环都有上下柔性梁保护 处于最小寄生应力区 抗偏心载荷和侧向载荷能力强 4 7圆板式称重传感器 结构简单紧凑 体积小 外形低 重量轻 几何外形为圆形 容易加工出较高的尺寸精度 横向刚度大 抗偏心和侧向载荷能力强 为整体结构且对称 热膨胀各方向一致 温度系数低 为简化计算 可利用Lobo 洛博 公式 最大应力最大挠度 4 8轴对称扭环型称重传感器 轴对称六方形截面扭环型称重传感器 也称六面环 轴对称矩形截面扭环型称重传感器 也称弯曲环 d 2r P 1B d1D1D 2R h1H b hh2 2 r F t F t F Hb P dD P 轴对称扭环型称重传感器 是由顶环 中间六面环 或矩形截面环 和底环三部分组成的一个整体结构 当有外载荷作用时 它就象盘形弹簧一样变形 由于结构独特 顶环可以相对底环平行移动 使得六面环 或矩形截面环 状回转体向中心方向做类似于滚动的运 产生扭转变形 六面环 或矩形截面环 的扭转变形 使下表面向着半径增大方向移动 上表面向着半径减小方向移动而产生环向正 负应变 这正是惠斯通电桥所需要的 最好在上 下表面粘贴大阻值螺旋电阻应变计 如果无此条件也可粘贴普通单轴电阻应变计 轴对称扭环称重传感器的特点 结构紧凑 体积小 高度低 重量轻 30t额定量程的外形尺寸仅为 120mm h 50mm 固有线性好 准确度高 受载后底环无变形或变形很小 几乎没有滞后 对于偏心载荷和侧向载荷不敏感 合理设计顶环与底板结构 可具有较高的过载保护能力 容易焊接密封 实现抽真空充惰性气体新工艺 由于敏感栅工作面积大 可制成3500 超大阻值的螺旋电阻应变计且无横向效应 供桥电压可高达100V 比普通称重传感器输出信号提高近十倍 应变环表面的内外边缘存在应力梯度 设六面环的扭转角为 在外载荷P作用下顶环半径减少 r 即 r h Sin 其周长减少 L 即 L 2 r hSin 顶环内边缘产生的切向压应变为顶环的外边缘同样是压应变 但比内边缘稍小些 说明六面环上表面压应变存在梯度 理论计算 六面环状弹性元件与周边铰支 内边自由受集中载荷作用的等厚度圆环板相似 其上 下表面最大压缩 拉伸应力为式中 h 六面环的厚度 K 取决于D d和实际边界条件的系数 K 1 003 0 955 取K 0 955 则六面环的厚度为D d较大时 可取大的K值及较小的结构尺寸 一般D d 2 0 2 2 六面环的径向载荷决定应变区表面宽度b顶环壁厚由顶环的应力计算公式得额定量程时的轴向位移Y为六面环位移Y1 底环位移Y2和顶环位移Y3之和 即式中C 常数 C 0 67 顶环 底环与六面环连接处的剪应力计算顶环底环 特制的螺旋电阻应变计是一个封闭的环形结构 被粘贴在六面环的上 下表面的中间处 与传统的电阻应变计相比 它没有敏感栅端部横栅 回转点处 的应力集中 即没有端部效应影响 尽管电阻应变计也能感受一个径向力 r F 但反映测量值的是切向力 t F 因为曲杆效应切向力 t F是径向力 r F的10 50倍 例题一10t轴对称扭环型称重传感器的尺寸参数为P 10000kgB 30mmb 16mm h 21mmD 110mmd 50mm h1 6mmh2 15mm 1 4mm 2 15mmH h 4 5 25mm理论计算如下 D d 2 2取K 0 955六面环上 下表面最大压缩应力为kg mm2 六面环上 下表面最大压缩应变为灵敏度S 2 062mv v经计算总位移为Y Y1 Y2 Y3 0 104 0 005 0 007 0 116mm顶环与六面环连接处的剪应力为kg mm2底环与六面环连接处的剪应力为kg mm2 5 切应力称重传感器结构设计的有关问题5 1切应力称重传感器的力学基础 剪切应力本身是不能测量的 它产生的主应力是可以测量的 正是称重传感器贴片组桥所需要的 在平面应力状态下 主应力平面与最大剪应力平面互相呈450夹角 而最大剪应力方向与中性轴一致 所以主应力方向与中性轴呈450角 且拉 压成双 只有中性轴处的应力单元是纯剪切状态 并有下列关系 设计与计算时 应以中性轴处的最大剪应力计算公式来求解 茹拉夫斯基剪应力计算公式为 剪力Q 截面宽度b 惯性矩Jy对某一个截面来说是常量 而静矩S则是随剪应力的位置不同而变化的量 即剪应力是随其与中性轴的距离不同而变化的量 可求出不同形状截面剪切梁的剪切应力分布规律 对于不同截面形状其剪应力的求解公式也不同 矩形截面矩形截面的剪应力 沿截面高度呈抛物线分布 其梯度变化较大 工字形截面剪应力 在工字形截面腹板内沿高度方向也呈抛物线分布 但应力变化梯度不大 较平稳 可认为在中性轴附近相当于均匀分布 圆截工字形截面剪应力 的分布规律与工字形截面基本相同 长方形空心截面剪应力 在截面内孔直径的高度方向上呈抛物线分布 应力变化梯度比工字形截面稍大些 比矩形截面稍小些 圆形空心截面剪应力 在其内孔直径高度方向呈抛物线分布 5 2轮辐式称重传感器结构象一个车轮 在轮毂与轮箍之间成对的 互相对称的分布着轮辐 外载荷作用在轮毂的上端面 特点 外形低 稳定性好 轮辐对弯矩不敏感 线性较好 横向刚度大 抗侧向和偏心载荷能力强 整体结构且对称 各方向热膨胀一致 温度系数小 轮毂与支承面间隙设计合理过载能力可达300 容易实现焊接密封 抽真空充氮工艺 防护密封等级IP68 缺点 轮箍及其底面设计不好 滞后误差大 机械加工难度大 需用电火花线切割技术与装备 理论计算 为使轮辐只产生剪应力 必须满足两个条件 轮辐的长度与高度比尽量小 一般l h 1 轮毂和轮箍为刚性结构 轮辐两端不能自由转动 即转角为零 力学模型 从分析一对轮辐的受力状态进行理论推导 最后得出计算公式如下 则主应变灵敏度 设计要点 轮毂和轮箍的刚度要足够大 保证根部转角为零 矩形截面的轮辐 长度与高度比尽量小 一般为 1 以保证轮辐承受纯剪切作用 轮辐位于轮箍高度中点偏上的位置 与轮箍的表面和底面距离之比为1 2 在保证轮箍具有足够刚度前提下 采取措施减少底面与支承接触面积 降低底部摩擦力矩 轮辐的高度与厚度比 一般为 现在此种产品都设计成孔辐式结构 主要是克服轮辐式结构加工困难 辐板纵向刚度偏小等缺点 孔辐特点是辐板结构与粘贴应变计位置合理 孔多比孔少易于获得适合粘贴应变计的应力场 P 轮辐式称重传感器的滞后误差分析轮毂 轮箍刚度与滞后的关系轮箍变形的位移量与其刚度密切相关 刚度大 变形位移小 底摩擦作用时间短 轮辐应变恢复快 滞后小 反之滞后大 因此 轮毂 轮箍刚度应足够大 确保轮辐与轮毂 轮箍连接处不能自由转动 即A B处的转角为零 轮箍变形示意图 轮辐与滞后的关系 1 轮辐刚度与滞后的关系轮辐是应变敏感部分 其变形量与辐长L成正比 与截面积A成反比 因此L小A大 变形量小 应变恢复快 滞后小 2 轮辐高厚比 h b 与滞后的关系在其它条件相同的情况下 改变h b比剪应力 和弯曲应力 均改变 对滞后有一定影响 所以在轮箍刚度足够大时 适当增加轮辐的剪应变 降低弯曲应变 可减小滞后 5 3剪切梁型称重传感器工字形截面双剪梁式称重传感器 M 结构特点 剪力沿梁的长度方向为一常量 输出与弯矩无关 因此对加载点变化不敏感 受剪截面积不发生变化 固有线性好 应变计粘贴在最小寄生应力区 抗侧向和偏心载荷能力强 加载点与支承点自成平衡力系 安装方便 并可用来调整线性 钢球与球座为点接触 对中良好 钢球只感受轴向载荷 不传递侧向载荷 保证测量准确度 缺点是并联诅组秤时 承载器的重心较高 设计要点 为保证腹板承受97 左右的剪力 尽量减小翼缘的高度 增加腹板的厚度 工字形截面的宽度与高度比保证应变区为纯剪切应力状态 承载球面半径不应太大 以使钢球复位快 以 76 2mm钢球为例 SR 76mm其接触圆半径为10mm左右 底座焊后应退火 消除焊接残余应力 并磨削上 下表面 保证组装后弹性元件与底座接近一个整体 双剪梁称重传感器滞后误差分析双剪梁弹性元件与底座接触面的滑动是产生滞后误差的重要原因 在加 卸载过程中 双剪梁弹性元件与底座滑动方向相反 因此作用在弹性元件上的摩擦力方向也相反 正是此摩擦力造成应变区剪应力变化 接触面摩擦系数大 随着载荷的增加滞后的绝对值由小变大 盲孔中心到弹性元件端面的距离太小 底摩擦力对应变区影响较大 减少滞后误差的方法 1 尽量减小弹性元件与底座的摩擦系数 2 优化结构参数 使底摩擦力对应变区影响最小 3 预紧力应足够大 尽量约束弹性元件滑移 圆截工字型截面悬臂剪切梁称重传感器特点外形低 无端部效应影响 固有线性好 滞后小 电阻应变计粘贴在纯剪切应力状态下的最小寄生应力区 抗侧向和偏心载荷的能力强 防护密封方便 即可盲孔灌封 又可焊接密封 对称循环加载时 输出灵敏度一好 设计要点 圆截工字形截面 由两个弓形和一个矩形截面组成 其静矩和惯性矩为两个截面静矩和惯性矩之和 上 下翼缘端部反对称连线与Z轴成450成形盲孔 翼缘平均厚度应小于腹板厚度 保证圆截工字梁腹板为纯剪切状态 电阻应变计反对称粘贴在腹板的两侧 提高抗侧向和偏心载荷的能力 根部固定刚度尽量大 载荷引入方式合理 切应力S形称重传感器结构在工字形剪切梁两端增加反对称的辅助梁 形成整体结构并实现中心加载 特点 结构紧凑 体积小 重量轻 电阻应变计粘贴在盲孔内的最小寄生应力区 并得到很好的保护 因此不用设计保护外壳 抗偏心和侧向载荷能力强 无面积效应影响 固有线性好 利用辅助梁可实现过载保护 中心剪切梁型称重传感器在正应力中心梁结构的基础上 为了增加抗弯 抗扭刚度 提高固有频率 将平行柔性梁加宽 变中心弯曲梁为剪切梁 就形成了中心剪切梁型称重传感器 也称箱式