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地磅传感器的结构设计弹性元件

2021-07-06 17:55:56 浏览次数:
第一章。
随著科技的进步,工业生产的自动化和智能化程度的提高,动态称重和应变式称重传感器得到了广泛的应用。当动态称量时,被测物体的质量会发生少量的变化,比如电子皮带秤上的物料,大多数是不变的。所以,对于动态称量系统瞬态特性的要求可以放宽一些,只要能在允许的称量时间内达到稳定状态,就能精确地测量出重量。对称量传感器来说,最重要的机械部件是弹性元件,因此,对称量传感器来说,弹性元件结构合理、材料稳定、时滞小、精度高是其关键。
二是对弹性元件结构的设计要求。
为保证线性荷载关系,弹性元件应为一个整体结构,因为连接件之间的位移会产生非线性和离散。联接,摩擦接触,紧固或任何非整体状态都是潜在的问题,因此最佳的设计是整体结构而不动部件。弹性体应具有足够的热转换能力,以防止电阻应变仪的自热,若温度高于弹性体,则恐怕仅差0.1℃,便难以达到稳定的性能。任何温度梯度对应变电阻仪和补偿电阻器区域都会导致零点温度漂移或校正结果发生变化。
弹性元件的固有频率是设计时必须首先考虑的问题。
2.1自然频率。
所说的固有频率,是指弹性元件本身能够达到的高频率。为了减小振动对灵敏度的影响,应尽可能提高固有频率,即要求弹性元件结构具有更大的刚度和更小的质量。
柱面弹性元件是一种典型的无多余零件的整体结构,其固有频率为f0。
其中:L-圆柱形弹性元件长度(m);
E-材料弹性元件的弹性模量;
甲——弹性元件横截面面积;
m-弹性元件的单位长度质量(kg/m)。
将单位长度的质量用弹性元件的质量和长度表示,经过进一步的变换,得到m=Aρ。
公式中ρ是材料弹性元件的密度。把m和π代入上式。
举例来说,弹性元件高度L=100mm=0.1m的20t圆筒结构压式称重传感器;弹性元件材料40CrNiMoA的弹性模量E=2.1×104kg/mm2=2.1×107t/m2;弹性元件材料密度ρ=7.85t/m3。自然频率是。
2.2额定载荷下应变区域应保持适当的应变水平。
受额定载荷时,弹性元件应变区的应变水平,对对称重传感器的线形、时滞、蠕变及疲劳寿命有很大影响。所谓应变水平,实际上是指一个保证应变稳定且与载荷呈严格线性关系的应变范围,它与弹性元件使用的材料密切相关。从总体上看,一般应变水平在1000με~1700με范围内调节,1000με~1200με为佳,保证称重传感器的灵敏度为2毫伏/V。
2.3。
由于残余应力的影响,弹性元件的整体结构和好不要焊接,而且焊接后会降低疲劳寿命,并助长微塑性性能。
2.4弹性元件的变形。
任何一种弹性元件几何形状的改变,都必然会带来一定程度的非线性响应,所以弹性元件必须是小变形。弹体刚度大不仅有利于提高材料的固有频率,还能使结构几何变化引起的非线性减小到低限度。
2.5温度因素(即热效应)。
粘附于弹性元件上的电阻应变片是发热源,当热传导至弹性元件的其他部位时,不能在其工作区域产生温度梯度,而会影响称重传感器的工作特性。所以在弹性元件结构设计中,为了降低温度梯度,电阻应变计的贴片应该具有导热对称性。由热力学定律可以推导出,在绝热条件下,弹性元件在产生轴向应变的同时,也会发生体积变化,而体积变化将导致温度的变化。
公式中:E——弹性模量;
T-样品的温度;
a——线膨胀系数;
C-比热;
α-比重;
δε—应变变化率。
加载突变同时引起弹性元件应变区温度变化ΔT,由于温度向应变较小的两头传导,弹性元件将趋于新的热平衡,因此随着时间的推移,ΔT减小。由于弹性元件的应变梯度和材料的传热势不同,这种与室温有偏差的应变损耗会持续几秒到几分钟。通过热胀冷缩系数,绝热温度的变化引起弹性元件的体积变化。用上式计算了初始弹性元件发热效应ΔT的数值,并与热敏元件在弹性元件上的指示值进行了比较,结果表明:ΔT的理论计算值与实际值相差不超过7%。
这些都是进行弹性元件结构设计时需要注意的问题,要保证弹性元件结构设计的合理性,还需要进一步进行三维建模与仿真、分析与数据处理,使性能波动小。
三、弹性元件的选材。
伴随着称重传感器技术的发展,对弹性元件的金属材料提出了新的要求,概括起来就是:制造弹性元件的结构材料应尽可能地具有功能材料的特性。也就是说,在性能上,对称重传感器的特性起着决定性的作用;在应用上,制成弹性元件后,实际上是将材料与敏感元件结合起来;在材料的评定上,则是以弹性元件的形式来评定其性能,称重传感器的性能能直接反映材料的优劣;在制造上,对成分、熔炼、锻造、淬火和回火工艺都有严格的要求,而且残余应力小化。由粘附在弹性元件上的电阻应变计电阻的相对变化可以看出,弹性元件应变稳定性与金属材料的性能密切相关。它的电阻应变计电阻相对如下:
公式:εR——电阻应变计电阻的相对变化;
c——应变利用率系数;
电阻式应变计的灵敏度系数;
γ–弹性元件的弹性应变。
从图中可以看出,提高弹性元件应变稳定性是提高传感器整体稳定性的基础和关键。所以弹性元件金属材料不仅仅是结构材料,它也应该是功能材料。考虑机械性能,传热性能,工艺性能。在国内外,使用多的是2A12硬铝合金,其强度高,耐热性好,并且易时效。
结论:本文介绍了称量传感器弹性元件的结构设计,希望能为机械设计人员提供一些参考,同时也有助于读者了解称量传感器的相关设计。

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