稱重傳感器彈性元件的結構設計和材料選擇
1 前言
隨著科學技術的進步, 工業生產自動化、智能化水平的提高, 動態稱重及應變式稱重傳感器被廣泛應用。動態稱重時, 被測物體的質量少數是變化的, 例如電子皮帶秤所稱量的物料, 多數是恒定的。因此對動態稱重系統瞬態特性的要求可以放寬些, 只要在允許的稱重時間內能夠達到穩態, 準確的測量出重量即可。對于稱重傳感器而言, 最重要的機械部分是彈性元件, 因此, 彈性元件的結構合理, 材料穩定以及最低限度的滯后, 對稱重傳感器的準確度起著至關重要的作用。
2 彈性元件的結構設計要求
為了保證線性的載荷關系, 彈性元件應該是一個整體結構, 因為各連接件之間的位移都可以引起非線性和離散性。連接、摩擦接觸、緊固或任何非整體狀態都成為潛在的問題, 所以最好的設計是沒有運動部件的整體結構。彈性元件應有足夠的熱轉換以防止電阻應變計自熱, 如果其溫度比彈性元件高, 那怕只差0.1℃, 就可能難以達到穩定的性能。在電阻應變計和補償電阻面積上的任何溫度梯度, 都能引起零點溫度漂移或標定結果的變化。
在設計彈性元件時, 首先要考慮彈性元件的固有頻率
2.1 固有頻率
所謂固有頻率, 就是能達到彈性元件本身最高的頻率。為使振動對靈敏度的影響減至最小, 固有頻率應盡量高, 即要求彈性元件結構具有較大的剛度和較小的質量。
圓柱式彈性元件是典型的沒有多余部件的整體結構, 其固有振動頻率f0為
式中:L—圓柱式彈性元件的長度 (m) ;
E—彈性元件材料的彈性模量;
A—彈性元件的橫向截面積;
m—彈性元件單位長度的質量 (kg/m) 。
用彈性元件的質量和長度表示單位長度的質量, 經進一步變換后, 得m=Aρ
式中ρ為彈性元件材料的密度。將m和π代入上式, 得
例如:20t圓柱結構壓式稱重傳感器, 彈性元件的高度L=100mm=0.1m;彈性元件材料40CrNiMoA的彈性模量E=2.1×104kg/mm2=2.1×107t/m2;彈性元件材料的密度ρ=7.85t/m3。固有頻率為
2.2 在額定載荷下應變區應有合適的應變水平
在額定載荷作用下, 彈性元件應變區的應變水平, 對稱重傳感器的線性、滯后、蠕變和疲勞壽命都有較大影響。這里說的應變水平, 實際上是保證應變穩定并與載荷成較嚴格線性關系的應變范圍, 它與彈性元件所用的材料密切相關。綜合考慮, 一般應變水平在1000με～1700με范圍內進行調整, 以1000με～1200με為最佳, 保證稱重傳感器的靈敏度為2mV/V。
2.3
彈性元件整體結構且最好不要焊接, 因為殘余應力影響和焊接后將降低疲勞壽命, 并助長了微塑性性能。
2.4 彈性元件撓度
彈性元件任何幾何形狀的變化必然地伴隨著出現一定程度的非線性響應, 因此, 彈性元件必須是小變形。彈性元件剛度大不僅對提高固有頻率有益, 而且也有助于把幾何形狀變化引起的非線性減至最小。
2.5 溫度 (即熱效應) 的考慮
粘貼在彈性元件上的電阻應變計是一發熱源, 當熱傳導到彈性元件其它部分時, 不應在其工作區域產生溫度梯度, 而影響稱重傳感器的工作特性。因此設計彈性元件結構時, 電阻應變計粘貼區域應具有熱傳導對稱的性質, 以降低溫度梯度。此外, 彈性元件產生軸向應變的同時發生著體積的變化, 在絕熱條件下, 這種體積變化會導致溫度的變化ΔT, 從熱力學定律可導出:
式中:E———彈性模量;
T———試件溫度;
α———線膨脹系數;
C—比熱;
ρ—比重;
Δε—應變的變化量。
載荷的突變同時引起彈性元件應變區溫度變化ΔT, 由于溫度要向應變小的兩頭傳導, 彈性元件會趨于一個新的熱平衡, 因此ΔT隨著時間而減小。這種導致與室溫發生偏差的應變損耗, 根據彈性元件的應變梯度及其材料的熱傳導勢的不同而要持續數秒至數分鐘。絕熱溫度變化通過熱膨脹系數引起彈性元件體積變化。應用上式計算初始彈性元件發熱效應ΔT的量值, 并與彈性元件上熱敏元件的指示值進行比較, 其ΔT的理論計算值與實際測量值相差不超過7%。
以上幾點是進行彈性元件結構設計時需要注意的, 想要保證彈性元件的結構設計合理, 還需要進一步的進行三維建模和仿真, 分析和數據處理, 使得性能波動最小。
3 彈性元件的材料選擇
隨著稱重傳感器技術的發展, 對彈性元件金屬材料提出了一些新要求, 概括起來就是制造彈性元件的結構材料應盡量具有功能材料的特點。即在性能上, 對稱重傳感器的特性起舉足輕重的作用;在應用上, 制成彈性元件后, 實際上是材料與敏感元件一體化;在對材料的評價上, 是以彈性元件形式對其性能進行評價, 稱重傳感器性能直接體現材料的優劣;在制造上, 對成分、冶煉、鍛造、淬火、回火工藝要求嚴格, 并盡量少產生殘余應力。彈性元件應變穩定性與金屬材料的性能密切相關, 從粘貼在彈性元件上電阻應變計電阻的相對變化即可看出。其電阻應變計電阻的相對變化為:
式中:εR———電阻應變計電阻的相對變化;
C———應變利用系數;
K———電阻應變計的靈敏系數;
ε———彈性元件的彈性應變。
由式可見, 提高彈性元件應變的穩定性是提高稱重傳感器整體穩定性的基礎和關鍵。因此, 彈性元件金屬材料不僅是結構材料而且還應具有功能材料的特點。兼顧機械性能、熱傳導性能、工藝性能。目前國內外應用最多的是2A12硬鋁合金, 強度高、耐熱性好且易于時效處理。
結束語:本文介紹了稱重傳感器彈性元件的結構設計, 希望對機械設計人員提供一定參考, 也可以幫助讀者了解稱重傳感器的相關設計。
