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TB111-3型三半環(huán)式傳感器的研制
[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。
TB111-3 型三半環(huán)式傳感器的總體結(jié)構(gòu)見圖1。
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圖1 三半環(huán)式傳感器總體結(jié)構(gòu)圖 |
1.1彈性體結(jié)構(gòu)
彈性體結(jié)構(gòu)見圖2。
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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(dāng)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(dāng)于一個三條腿的板凳加上適當(dāng)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(dāng)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：
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W·r |
2 |
|||
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Mφ= |
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(cosφ- |
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) |
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3 |
π |
（此處W’為總負載W的三分之一）
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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：
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W·r |
2 |
|||
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M1=M2=M0= |
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(1- |
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) |
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3 |
π |
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W·r |
2 |
|||
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M3=M4=M0= |
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(1- |
|
) |
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3 |
π |
特征點處的抗彎模量為：
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bh2 | |
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WB= |
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6 |
所以，特征點處的最大應(yīng)變值為：
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2W·r(3π-6) | |
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ε1=ε2= |
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πEbh2 |
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W·r(3π-6) | |
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ε3=ε4= |
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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：
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△U |
K |
2W·K·r(π-2) |
2W·K·r(1-2/π) | |||
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= |
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(ε1+ε2-ε3-ε4)= |
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= |
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Uin |
4 |
πEbh2 |
Ebh2 |
式中： △U——與外力成正比的電橋輸出電壓（mv）
Uin——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(dāng)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(dāng)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
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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(biāo)
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：
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型號\參數(shù) |
樣品編號 |
重復(fù)性 |
直線度 |
滯后 |
靈敏度 |
零點輸出 |
檢定結(jié)論 |
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TB111-3/A |
0305039 |
0.02 |
0.04 |
0.01 |
1.008 |
-0.07 |
符合A0.05級 |
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TB111-3/B |
0305039 |
0.01 |
0.02 |
0.01 |
1.002 |
0.54 |
符合A0.05級 |
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TB111-5/A |
0305038 |
0.01 |
0.05 |
-0.02 |
1.000 |
0.66 |
符合A0.05級 |
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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：
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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 |
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板環(huán)結(jié)構(gòu) |
好 |
穩(wěn)定性不易控制，傳 |
穩(wěn)定性不易控制，傳 |
通常的測力、稱重 |
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三半環(huán)結(jié)構(gòu) |
好 |
結(jié)構(gòu)本身穩(wěn)定性好。 |
結(jié)構(gòu)本身穩(wěn)定性好。 |
通常的測力、稱重 |
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(dāng)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。
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