应变位移传感器.doc

计量测试与检定维应变式位移测振传感器机械结构的设计王新。余晓芬(合肥工业大学仪器科学与光电工程学院，合肥 230009)摘要应变式传感器由于自身具有的灵敏度、测量精度和可靠性高、动态响应快、抗干扰性强等特性，已经在很多领域广泛应用。文章中设计的三维位移振动传感器采用的是半导体应变式，在机械结构上架构了测量三维振动的空间体系，其对称型机构能消除部分误差，主要应用在测量微振动和低频振动上，而且在微型化方面取得了很大的进步。关键词三维测振；应变式；微型式；微振动中图分类号TH82 文献标识码B 文章编号10021183(2007)03000103M echanical Structure Design of Strain Sensor forMeasurement of Tridimensi0nal VibrationW ANG Xin， Y U Xiaofen(School of Instrumentation and Optoelectronic Engineering，He University of Technology，Hefei 230009，China)Abstract：Owing to high sensitivity，measuring accuracy and rehability，fast dynamic response，and strong antijamming ofstrain sensor，it has been widely applied in many fieldsThree dimensional semiconductor strain displacement vibration sensorwas designedIn Mechanical structure，space system for measurement of three-coordinate vibration was constructedSome errots can be eliminated because of its symmetrical mechanismIt is mainly applied in measurement of micro Vibration and lowfrequency vibration1arge progress has been gotten in microminiaturigationKey words： measurement of three dimensional vibration； strain； micr0min turigation； micro vibration科技的不断进步伴随着人们对科技产品的精密度要求越来越高，同时对微工作台及精密加工的要求越来越高，但在实际加工的过程中，虽然能够隔离高频信号，而对低频信号却无法有效地抑制，因为在加工过程中无法准确地测得低频信号。本文中设计的传感器就是针对这个方面应用的。现在测量一维振动的传感器很多，采用的方式也很多，但是应用在微振动和低频振动的却比较少，而测量三维振动的传感器就更不多了。现有的测量三维瞬间振动和低频振动的测振仪，主要应用在爆破测试方面，而测三维加速度的传感器，测量和记录三个方面的冲击振动，主要运用在公路运输和货物运输等方面。这些三维测振传感器主要是压电式，测高频振动和瞬间冲击的效果很好，但在测微振动方面效果就很差，上文中得到的传感器所能测的最小振幅才16mm，而且相对来说体积又比较大，差不多有1in ，几千克重，因此就不能对微振动方面进行测量。本文所设计的三维振动位移传感器采用的是半导体应变式，因为半导体应变片作为力敏器件的一种，其自身具有灵敏度高、动态响应快、测量精度高、稳定性好、功耗低、寿命长、抗干扰性强、可靠性高等优点，能有效地测量微振动和低幅振动，而且体积比较小，小于03m3，基本上实现了微型化，可以应用在一些需要测量三维振动的微工作台和精密加工等方面 。l 传感器机械结构上的设计在机械结构的空间设计上，三维互相对称的结构保证了三维测量的情况尽量接近l2 J。其结构如图1所示。在设计中，主要考虑了以下几个方面：一是振子的平衡问题；二是振子的振动特性；三是如何能同时测量三个方向上的振动情况而各个方向却互不影响；四是片簧以及弹簧对振子的影响。振子的平衡采用了收稿日期20061210作者简介王新(1981一)，男，安徽黄山人，硕士研究生，毕业于合肥工业大学，研究方向为精密仪器和机械。工业计量2007年第17卷第3期 1三维普资讯 计量测试与检定三组弹簧也就是每一维方向上两个弹簧来支撑，前后左右的四个弹簧无论长度与粗细都是一样的，上下两个弹簧长度不同，但粗细也就是倔强系数是相同的。这三组弹簧对振子起到支撑作用的主要是上下两个弹簧，前后左右四个是保持其振动的平衡性，还可以通过调节螺栓1(每个方向上都有2个)来保证振子处于某个平衡的位置。这三组弹簧成对称结构分布还可以使振子特性是一个简谐振动，对于理论分析和实际测量计算有很大的帮助。由于要同时测量三个方向的振动情况，就要保证振子作自由振动的时候不受到除了三组弹簧对它的作用力外其它力的作用，或者忽略不计，在本文中，就是不受到片簧弯曲产生的力对它的影响。从图2中看出，每个片簧与接触点之间具有一定的间隙，当振子作自由振动的时候，片簧不会影响振子的上下、左右、前后振动，经过后面的计算也可以知道，片簧弯曲产生的力对振子的影响非常之小，可以忽略_3_。片簧及弹簧作用力对振子振动的影响在后面计算中知道。另外在结构设计中，考虑到安装中准确性以及合理性，图1中的2、3、4、5就是为了使安装的时候片簧能够处在一个需要的位置，或者使片簧都处在对称的位置，这种对称结构的分布还使得应变片在组成桥式电路的时候具有相互补1平衡调节螺丝；2、3、4、5位置对称调节螺丝图1 结构示意图图2 振子与片簧接触示意图黼讲的LOG TElST jo101GY V朗IFI lTION偿的作用_4J。图1只能看到4根片簧，实际上前后左右各有4根片簧，结构上也都是对称的，每根片簧上贴有一个应变片，每4个应变片组成一个桥式电路，测量某一维的振动。2 主要器件参数的确定由机械结构上可以看出，影响振子振动主要有两个方面：一是片簧弯曲作用力对它的影响，但从计算中可以知道，片簧产生的力比较小，从而使得片簧自振对振子振动影响很小；二是支撑弹簧的自振对它的影响，由于弹簧与振子是直接接触的并且弹簧受到压缩产生的弹力比较大，如果自振频率高于需要测的振动频率，那么就会影响振子振动的频率_5_ 5。21 片簧参数的确定图3 片簧受力变形示意图y初步设计中间振子的形状和尺寸，振子的质量m=0107kg，片簧全长36mm，有效长度L=32mm，厚度h=03mm，宽度b=5mm。片簧采用的材料是65Mn，其弹性模量E=21l0 Pa，片簧受到力的作用后的情况如上图3。当挠度Y=2mm时(设计最大振幅)，可以知道力为F： Y (E、b、h、L、Y都已知)6把各个参数代人可以得到F 00043N，而当测量最小频率为10Hz的振动时可以计算得到振子的加速度a=64ms ，于是由于惯性产生的作用力f=ma=0107kg64ms =0685Na ： 一F：00043N 0一f 一0 004：063685N 一 从上面的计算可以看出片簧对振子的影响也很小，对测量不影响，但对测量结果肯定是有影响的，这些影响可在软件中补偿和消除。在频率小的时候影响小，在频率大的时候由于a会变大，而其他不变，因此 就更小了，影响也就越小。因此，片簧参数的选择在设计的范围之内不影响振子的振动。22 弹簧参数的确定由于机械装置无论是在加工还是装夹的时候都无法保证没有误差，因此这些误差本课题中都通过软件维普资讯 II佳 rf )【OGY 筒 T自CHN0LJ GY_最 iVE只!F!CAT 计量测试与检定来进行补偿和修正。装置中用来支撑振子平衡的六个弹簧对振子的振动是有影响的，当然也会对测量结果产生一定的误差，这个影响主要是由于弹簧的自振对其影响比较大而造成的 5。下面通过计算来看看这个影响有多大，在不影响振子振动的情况下选择合适的弹簧。实验中用的是相同的弹簧，因此k相等，如图4(把振子的受力情况简化为图4)，弹簧自振的频率，kl k2 k 1-61 ，令kl=k2本文设计要求测的频率范围是10HzlkHz，所以要求弹簧自振频率在10Hz以内=旦= 1一 2rr 一2 2 m=0u-1l5J3J5J5J 2 m当m 0107kgf=34Hz =100Nmf：48Hz， =200Nmf=76Hz =500Nm设各自的变形为 。， 。m 0107kg，则(G=105N)为重锤质量，G为弹簧所受的力l kx2+ Gk=G( l一 2) =105N ( l一 2)可以得到k=100Nm， lX2=10mmk=200Nm， l X2 5mmk=500Nm， l X2 2mm在结构上以上这些参数都在设计的范围以内，因此k可以在500Nm范围以内取值。3 实验结果实验中，传感器中支撑振子的弹簧是k=200Nm，把传感器固定在震动台上，调整震动台频率以及振幅然后观察传感器输出信号的频率和振幅。实验中，震动台是以频率50Hz振幅0开始振动的，从输出的信号中可以看出，当振幅比较小大概是在零点几工业计量2007年第17卷第3期毫米以内的时候(振动台的振动幅能够处于05mm之间变化，但不能显示具体数值因此只能凭旋钮转过的角度估计)，由于输出信号比较小，干扰信号对结果有明显的影响，随着震动台频率不变的情况下振幅的加大，这种影响越来越小，在振幅约为1mm的时候输出信号的频率受到干扰信号的影响基本可以忽略了，可以很清楚地看到输出信号的频率在499501Hz区间内波动，误差在04范围内波动，达到了要求的精度。换一种方式，振幅不变，调整频率，也可以很明显地看到，在震动台频率接近10Hz的范围内，输出信号的频率和震动台的频率相差比较大，随着输入信号频率的增大输出信号的频率与之也更接近。说明弹簧在振子的振动频率越接近自振动频率的时候影响越大。4 结论计算和实验结果表明了机械结构设计的合理性与正确性，设当k 取200Nm 时， 弹簧的自振(48Hz)在低频(10Hz左右)的时候对振子的振动有一定的影响，从上面的公式可以看出通过减小k可以减小弹簧的自振频率，或者增加振子的质量都可以减小对振子的影响，这就要求选择合适的弹簧来减小对振子的影响，但又不影响支撑振子平衡。所以可以说传感器的测量范围决定了与之相适应的弹簧，需要选用不同的弹簧来进行深一步的实验。弹簧自身的弹力由于机械结构是相互对称的，因此可以相互抵消，但选择不同的k可以使振子处在不同的状态，可以是压紧，也可以是比较宽松的，一方面可以很方便地调节振子的平衡位置使三维测量状态更加相互接近，另一方面可以改变弹簧的状态(严紧或宽松)或者更换不同的弹簧对传感器进行多方面的实验。另外片簧和弹簧自身的弹力