测力传感器演示实验系统设计

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1、测力传感器演示实验系统设计　　摘要：开展测力传感器演示实验系统设计，对学生充分了解和掌握测试系统的基本结构、工作原理及其维护修理技术具有重要的意义，并在教学实践和科学研究等方面发挥了重要作用，为提高机械工程专业课程和课程实验等实践性教学环节的教学质量奠定重要基础，对促进教学改革有示范性。学生在系统的设计分析过程中能力得到了显著提高。　　关键词：力传感器；弹性体；应变片；有限元分析；EWB；演示实验　　中图分类号：G642.0文献标志码：A文章编号：1674-9324（2013）03-0257-02　　为提高课程实验的综合性、创新性，根据

2、机械类课程和实践教学的特点和需求，以提高教学质量、改进教学方法为宗旨，紧密结合这些专业基础课实验进行了精心规划和建设。本文选定具有典型代表性的机械测试系统为设计对象开展设计工作，让学生在综合方面得到锻炼。　　一、设计内容　　应变式测力传感器主要由两大部分组成，一是机械部分，二是电子电路部分即信号处理电路。机械部分由弹性体和应变片组成。其基本工作原理就是弹性体发生弹性变形，由应变片将应变量以电阻变化量的形式输出。在这里采用惠斯通电桥，这种输出形式可放大人们想得到输出信号，提高灵敏度。合适的布片位置可消除一些因素的影响。机械结构设计部分动态

3、性能分析由有限元分析软件辅助进行，电路仿真由EWB实现。5　　二、弹性体设计　　弹性体结构形式的选择要依据测量的各种条件进行。待测量转子的转速为6000r/min，径向力大约也以转速6000r/min的速度在圆周方向上变化，直接测量出径向力的大小非常困难。将径向力分解为X、Y两个方向的分力，由传感器测量电路两个通道分别输出。这样便将复杂交变的合力转变为单方向变化的力。应变式测力传感器既要具有测量功能，还要起到轴承支承作用，因此采用十字梁式的结构。十字梁结构可以实现二维力的测量，相对的两个梁，它的受力状态正好相反，即一个梁受拉力作用时另一

4、个梁受压力作用，基于这种特点，利用电桥的和差特性就可以提高电桥的应变输出水平。它和外架是分开的，并且梁的截面统一为方形的这样便于加工。贴片位置仍然不变。5　　图1为所设计的十字梁式传感器装配图。图中：1为传感器外架，2为挡块，3、4为螺钉，5是弹性体，6为箔式应变片，7为端盖。从图中可以看到应变片7的布片位置，这种布片方式的优势在于它可以消除横力的影响。同一根梁上的应变片接到全桥的相对桥臂上，则拉伸或压缩应变相叠加，而横力产生大小相同，方向相反的应变，叠加之后为零，从而消除了横力的影响。初步设计之后，必须进行结构动静强度分析校核（篇幅所

5、限过程从略）。通过强度分析校核，所设计的应变式测力传感器无论在静力学特性方面，还是在动力学特性方面，都满足强度要求。已知转子转速为6000r/min，则频率为100Hz，二次谐波频率为200Hz。测试系统要实现不失真测量，那么测试系统的每一个环节都应尽量实现不失真测量。为此，首先使用SolidWorks进行测力传感器实体建模，然后导入到有限元软件ANSYS中去，最后进行动态特性分析。模态分析结果表明，系统一阶固有频率为790.693Hz，第二阶固有频率为1955Hz，而激励的二次谐波频率为200Hz，一阶固有频率是二次谐波频率的3倍以上

6、。由测试技术理论可知，待测信号的频率小于系统固有频率的0.3倍，系统是一种比较理想的不失真测量系统。　　三、电桥及后续电路设计分析　　本部分包含电桥设计计算、动态应变仪各环节如振荡源、放大电路、相敏检波电路、滤波电路等的设计分析。各个部分的测量电路设计完成之后，最重要的是把他们组合起来，进行整体仿真分析，以确定整体的测量性能。为了说明此电路可以测量高达200Hz的信号，由EWB中的函数发生器模拟电桥输入信号，调制过程由乘法器进行模拟，乘法器的系数K=1。函数发生器输出信号的幅值为32μV，频率为200Hz。图2为放大500倍后的调幅波，

7、图中幅值基数为200mV/DIV。可见设计的放大电路符合理论要求，经测量，调幅波最大幅值为64μV，放大后为32mV，动态范围达500。图3为检波输出，图中的幅值基数为200mV/DIV。　　图4为滤波后的输出，图中的幅值基数为50mV/DIV。电路误差分析计算：原始信号到滤波后输出主要经历了调制、基本放大、检波、滤波等过程。经测量，滤波后信号幅值约为71.703mV，这个值是在取一系列平均值及考虑调制、基本放大、检波、滤波的影响下得到的估算值。这样，就可以将前面的电路的参数按照理论计算值对待。振荡源幅值为10V，放大电路增益为500，

8、检波电路增益为1，滤波电路增益为0.4455。那么反推输入信号值为32.1899（μV），输入信号真值为32（μ5V），相对误差为=0.6%综上所述，所设计的测量电路原理上可行，测量误差也在要求范围之内。