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TB111-3型三半環(huán)式傳感器的研制

作者：admin 日期：2013/3/13 8:36:24 閱讀：1960 次

[摘要] 本文介紹了一種新型結(jié)構(gòu)的三半環(huán)式傳感器。重點對三半環(huán)式傳感器的整體結(jié)構(gòu)，進行了受力分析和理論計算，給出了輸出電路和測試結(jié)果。該TB111-3型三半環(huán)式傳感器已獲得中華人民共和國國家知識產(chǎn)權(quán)局專利，專利號：L03251824.2。實用新型名稱：三半環(huán)式傳感器。

1.結(jié)構(gòu)

TB111-3 型三半環(huán)式傳感器的總體結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 三半環(huán)式傳感器總體結(jié)構(gòu)圖
圖中：1彈性體 2膜片 3外套組件

1.1彈性體結(jié)構(gòu)
彈性體結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 彈性體結(jié)構(gòu)

如圖所示，它是由三個變截面半環(huán)構(gòu)成。其特點是：六個應(yīng)變區(qū)均勻分布在與負荷軸線相垂直的一個平面上，每個半環(huán)上有兩個應(yīng)變區(qū)。三半環(huán)式傳感器為整體結(jié)構(gòu)，它是由上下兩部分的承載板、中部的變截面應(yīng)變區(qū)所構(gòu)成。當負荷加載到三半環(huán)式傳感器之上時即刻進入工作狀態(tài)。三半環(huán)式傳感器的工作狀態(tài)相當于一個三條腿的板凳加上適當負荷，此時狀態(tài)是很穩(wěn)定的，并且對基面要求可以不是很平。這種情況要比兩條腿和四條腿的板凳加上適當負荷要穩(wěn)定得多。

1.2彈性體計算公式
如圖3所示，由材料力學(xué)分析可知，環(huán)上各點的彎矩為：

	W·r		2
Mφ=		(cosφ-		)
	3		π

（此處W’為總負載W的三分之一）

圖3 三半環(huán)彈性元件

應(yīng)變計粘貼處的特征點（1，2，3，4）彎矩最大，分別為：

	W·r		2
M₁=M₂=M₀=		(1-		)
	3		π

	W·r		2
M₃=M₄=M₀=		(1-		)
	3		π

特征點處的抗彎模量為：

	bh²
W_B=
	6

所以，特征點處的最大應(yīng)變值為：

	2W·r(3π-6)
ε1=ε2=
	πEbh²

	W·r(3π-6)
ε3=ε4=
	πEbh²

由特征點處的應(yīng)變計組成應(yīng)變電橋的輸出與輸入電壓之比與重力W的關(guān)系為：

△U		K		2W·K·r(π-2)		2W·K·r(1-2/π)
	=		(ε1+ε2-ε3-ε4)=		=
U_in		4		πEbh²		Ebh²

式中： △U——與外力成正比的電橋輸出電壓（mv）
U_in——電橋輸入電壓（v）
W——重力
K——應(yīng)變計靈敏系數(shù)
E——彈性體材料的彈性模量
r——環(huán)的平均半徑
b——環(huán)的厚度
h——環(huán)壁的厚度

當然，這種計算是十分粗糙的估算。

1.3電器結(jié)構(gòu)
彈性體為受力敏感元件，將電阻應(yīng)變片按一定的工藝粘貼到彈性體上，組成惠斯通電橋。橋路與彈性元件結(jié)構(gòu)結(jié)合,使被測值為各應(yīng)變點之和并可自動平衡由偏載所產(chǎn)生的誤差。彈性元件不受載荷時，電橋處于平衡狀態(tài)，輸出電壓為零。彈性元件粘貼電阻應(yīng)變片的部位為應(yīng)變區(qū)，當傳感器承載荷時產(chǎn)生與載荷成正比的輸出電壓，從而測出外加載荷的大小。

圖4是TB111-3 型三半環(huán)式傳感器的接線圖

圖4 三半環(huán)式傳感器接線圖

1.4總體結(jié)構(gòu)
從TB111-3型三半環(huán)式傳感器的總體結(jié)構(gòu)圖1中可以看出該傳感器有兩路輸出，在實際應(yīng)用中：一路信號用于主測試、另一路用于控制中的信號源。根據(jù)不同要求也可用于其它場合，例如一路用于信號，一路作備用。

2.測試結(jié)果

2.1技術(shù)指標
靈敏度： 0.75～1.00mv/V
綜合精度： 0.05%FS
橋壓： 30～40V
變形量：小于0.09mm（滿量程）
加載方式：拉，壓兩用
輸出方式：雙路輸出
量程： TB111-3（30kN）、TB111-5 (50kN)
電纜：四芯屏蔽電纜長度10米

2.2測試結(jié)果
對兩種規(guī)格共4支傳感器測試結(jié)果如下：

型號\參數(shù)	樣品編號	重復(fù)性（%FS)	直線度（%FS)	滯后（%FS)	靈敏度（mv/v)	零點輸出（%FS)	檢定結(jié)論
TB111-3/A	0305039	0.02	0.04	0.01	1.008	-0.07	符合A0.05級
TB111-3/B	0305039	0.01	0.02	0.01	1.002	0.54	符合A0.05級
TB111-5/A	0305038	0.01	0.05	-0.02	1.000	0.66	符合A0.05級
TB111-5/B	0305038	0.01	0.05	-0.02	1.002	0.52	符合A0.05級

3.討論

傳統(tǒng)的板環(huán)結(jié)構(gòu)與三半環(huán)式傳感器的差別見下表：

特征結(jié)構(gòu)	拉向負荷特性	壓向負荷特性	拉壓雙向負荷特性	應(yīng)用場合
板環(huán)結(jié)構(gòu)	好	穩(wěn)定性不易控制，傳感器總體結(jié)構(gòu)需要增加控制穩(wěn)定裝置	穩(wěn)定性不易控制，傳感器總體結(jié)構(gòu)需要增加控制穩(wěn)定裝置	通常的測力、稱重場合
三半環(huán)結(jié)構(gòu)	好	結(jié)構(gòu)本身穩(wěn)定性好。不需增加附加裝置	結(jié)構(gòu)本身穩(wěn)定性好。不需增加附加裝置	通常的測力、稱重場合與特種要求場合均可

由此可見，三半環(huán)式傳感器具有穩(wěn)定的優(yōu)點在日益擴展的傳感器應(yīng)用領(lǐng)域中應(yīng)該有其更廣的應(yīng)用。當然，世界上沒有完美的東西，三半環(huán)式傳感器也存在它的缺點，仍需進一步開發(fā)和研制，以便更好的適應(yīng)社會的需求。