雙孔懸臂梁傳感器在試制過(guò)程中發(fā)現(xiàn)存在滯后現(xiàn)象，本文以雙臂梁傳感器 為研究對(duì)象，建立有限元分析模型，并且根據(jù)要求，對(duì)其進(jìn)行應(yīng)力加載分析。通過(guò)對(duì)結(jié)果分 析，得出了傳感器導(dǎo)致滯后產(chǎn)生的原因，并且得出彈性體結(jié)構(gòu)參數(shù)與滯后的關(guān)系，通過(guò)改變 傳感器的結(jié)構(gòu)參數(shù)和摩擦系數(shù)來(lái)降低滯后，通過(guò)計(jì)算結(jié)果優(yōu)化傳感器結(jié)構(gòu)，使新樣機(jī)的滯后 限制在了0.01%FS范圍之內(nèi)。

1.背景

1.1現(xiàn)狀

產(chǎn)品TE612地磅具有稱量響應(yīng)速度快、準(zhǔn)確可靠、秤體簡(jiǎn)單方便、體積小、重量輕、機(jī) 械磨損小、長(zhǎng)期穩(wěn)定性好、使用壽命長(zhǎng)、維修及 操作使用簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。其由機(jī)械基體（包括秤臺(tái) 面、力傳遞機(jī)械、支承底座等環(huán)節(jié)）、稱重傳感 器、供橋電源、數(shù)顯儀表（包括放大、模擬轉(zhuǎn)換、運(yùn)算等環(huán)節(jié)）等部分組成。由于其最大量程為 510g,穩(wěn)定性為O.Olg，.線性為0.02g，滯后為 0.02g,重復(fù)性為O.Olg,所以在傳感器選擇上，選 用精度比較低的雙孔懸臂梁模擬式稱重傳感器，如圖1所示。

1.2問(wèn)題的提出

產(chǎn)品在測(cè)試過(guò)程中，已進(jìn)行了溫度補(bǔ)償、四角調(diào)整等工藝處理。從中抽取3只進(jìn)行試驗(yàn)，表 現(xiàn)為其滯后超過(guò)0.01%FS，不能滿足Class 10的要 求，因此滯后和重復(fù)性超差為存在的主要問(wèn)題， 測(cè)試結(jié)果如表1所示：

2.問(wèn)題分析

2.1傳感器工作原理

傳感器作為地磅的核心環(huán)節(jié)，其技術(shù)指 標(biāo)和質(zhì)量情況在一定程度上決定了地磅準(zhǔn)確度，雙孔懸臂梁式稱重傳感器是電阻應(yīng)變式傳感 器，其工作原理：彈性體在外力作用下產(chǎn)生彈性 形變，使粘貼在它表面的電阻應(yīng)變片（轉(zhuǎn)換元件) 也隨之產(chǎn)生形變，從而引起電阻應(yīng)變片的阻值發(fā) 生變化，通過(guò)相應(yīng)的測(cè)量電路把這一電阻變化轉(zhuǎn) 換為電信號(hào)（電壓或電流）變化輸出，從而完成 了將重力轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的過(guò)程，如表2所示。

2.2傳感器模型的建立

通過(guò)査閱文獻(xiàn)可知，稱重傳感器的滯后與彈 性元件和傳感器其他結(jié)構(gòu)的接觸有關(guān)，彈性體主 要通過(guò)螺紋聯(lián)接方式進(jìn)行固定，彈性體與支撐之 間，彈性體與加載裝置之間存在兩對(duì)接觸，因此 在建立有限元模型時(shí)，需要考慮彈性體結(jié)構(gòu)和螺 栓聯(lián)接以及接觸摩擦對(duì)滯后的影響。傳感器的分 析模型建立如圖3所示。

在初步確定了傳感器的幾何模型之后，需要 進(jìn)一步確立彈性元件的材料參數(shù)、結(jié)構(gòu)參數(shù)、幾何模型有限元單元類(lèi)型、接觸單元類(lèi)型、加載力 的方式以及約束等問(wèn)題。

彈性元件的材料對(duì)傳感器滯后、非線性、蠕 變等特性影響較大，因此在設(shè)計(jì)傳感器彈性元件 時(shí)要選用性能好的材料，該產(chǎn)品選用2A12 (LY12),其密度為2.78 x 103kg/m3，彈性模量E為 71GPa,泊松比為0.33，屈服強(qiáng)度極限（7。.2為 380MPa,如表2所示。

傳感器有限元模型網(wǎng)格劃分時(shí)，單元類(lèi)型以 及網(wǎng)格分布的粗細(xì)直接關(guān)系著模型的計(jì)算精度以 及收斂與否。經(jīng)過(guò)多次的試驗(yàn)，決定采用四面體 實(shí)體單元SOLID45劃分幾何模型。在自動(dòng)劃分的 基礎(chǔ)上，對(duì)不合格的單元格進(jìn)行修整。對(duì)彈性體 與支撐、彈性體與加載裝置通過(guò)兩對(duì)面——面接 觸單元進(jìn)行仿真，其中接觸單元為CONTA174,目 標(biāo)單元為TARGE170。接觸之間的摩擦系數(shù)分別通過(guò)各自材料屬性進(jìn)行設(shè)定，彈性體與支撐和彈性 體與加載裝置接觸方式都為鋁——鋼表面接觸， 彈性體與支撐和加載裝置的摩擦系數(shù)都設(shè)為0.3。 在對(duì)幾何模型劃分完網(wǎng)格，建立接觸單元，建立 完成的單元模型如圖4所示。

2.3模擬結(jié)果及分析

為了研究傳感器的滯后特性，需要把滿量程 載荷分成若干個(gè)部分逐步加載到滿量程，然后再 逐步卸載到零。在有限元滯后模型仿真中，可把 集中力分成若干載荷逐步施加到滿量程然后再減 小到零的過(guò)程來(lái)模擬傳感器的實(shí)際加載和卸載過(guò) 程。本文把載荷按照實(shí)際加載過(guò)程，分成五步對(duì) 傳感器滯后特性進(jìn)行分析。

傳感器滯后模型在不同載荷下的應(yīng)變值（X 10-6)如表3所示。

在對(duì)傳感器的彈性體進(jìn)行理論分析時(shí)，并沒(méi) 有考慮摩擦的影響，因此在比較滯后模型和理論 分析的應(yīng)力和應(yīng)變特性時(shí)，也將模型各個(gè)接觸對(duì) 的材料摩擦系數(shù)設(shè)為零。此時(shí)，貼片區(qū)的應(yīng)變?cè)?/span> 加載和卸載兩種情況下沒(méi)有滯后。傳感器在無(wú)接 觸摩擦?xí)r的應(yīng)變（*10-6），如表4所示。

在對(duì)彈性體理論分析時(shí)，可知貼片區(qū)的應(yīng)變 與載荷成正比的函數(shù)關(guān)系，對(duì)表中的應(yīng)變和載荷 關(guān)系做一次線性回歸分析可得到回歸公式：s =1。

431Q, 與s的線性相關(guān)系數(shù)為1.0012，從回歸 結(jié)果可見(jiàn)，模型所模擬的應(yīng)變與載荷成正比關(guān)系， 與理論分析的應(yīng)變特性相吻合。

根據(jù)計(jì)算可得，傳感器的彈性體相對(duì)于支撐、加載裝置發(fā)生了滑動(dòng)。稱重傳感器在加載和卸載過(guò) 程中，彈性體相對(duì)于支撐、加載裝置的滑動(dòng)方向相 反，因此作用在彈性體上的摩擦力方向也相反，如 圖5、圖6所示。

2.4結(jié)構(gòu)優(yōu)化

所以要想降低傳感器滯后，可以通過(guò)減小滑 動(dòng)摩擦力來(lái)實(shí)現(xiàn)。在利用有限元滯后模型對(duì)傳感器進(jìn)行分析時(shí)，發(fā)現(xiàn)滯后隨著彈性體結(jié)構(gòu)參數(shù)的 改變而改變。現(xiàn)在通過(guò)兩種途徑來(lái)減小傳感器與 支撐、傳感器與加載裝置之間的滑動(dòng)摩擦。

2.4.1改變彈性體與支撐和彈性體與加載裝置 的固定方式。

現(xiàn)采用雙螺栓聯(lián)接方式，盡可能減小傳感器 與支撐和加載裝置之間的滑動(dòng)摩擦。改后結(jié)構(gòu)如 圖7所示。

當(dāng)只改變螺紋間距，其他結(jié)構(gòu)參數(shù)不變時(shí)， 利用有限元滯后模型得到的數(shù)據(jù)如表5所示。

表5列出了加載荷在200g時(shí)滯后的變化情況， 從表5中可以看出，隨著螺紋孔距的增加，傳感 器滯后由正值逐漸減小，減小到零附近時(shí)有一段 距離的小幅波動(dòng)，然后再減小并變?yōu)樨?fù)值，當(dāng)值 為11mm和12mm時(shí)，滯后在正負(fù)0.02%FS之內(nèi)， 當(dāng)超出這個(gè)值時(shí)，滯后的絕對(duì)值急劇增大。根據(jù) 仿真結(jié)果當(dāng)值為11mm時(shí)，傳感器在各個(gè)點(diǎn)的滯 后都滿足要求。

2.4.2降低彈性體與加載裝置之間的摩擦系數(shù)

根據(jù)滑動(dòng)摩擦公式可知，摩擦力大小 除與正壓力有關(guān)外，還與摩擦系數(shù)成正比，通過(guò)查表可以得知，鋁與鋼的摩擦系數(shù)/為0.3,鋁與 硬橡膠的彈性系數(shù)為0.2，所以，將加載裝置的材 料改為硬橡膠。

2.5其他原因

2.5.1材料在機(jī)械力作用下會(huì)產(chǎn)生殘余應(yīng)力，在彈性元件表面形成變質(zhì)層，使其組織處于不穩(wěn) 定狀態(tài)，隨著時(shí)間的變化，內(nèi)應(yīng)力松馳，會(huì)導(dǎo)致 尺寸變化。切削用量越大，表面殘余應(yīng)力就越大。 磨削加工時(shí)，產(chǎn)生的殘余應(yīng)力最大。磨削深度越 大，產(chǎn)生的殘余應(yīng)力就越大，其殘余應(yīng)力位于距 表面 20 u m ~ 40 u m處。

而殘余應(yīng)力的消除可以通過(guò)變形釋放殘余應(yīng) 力和熱處理（退火、正火等工藝）來(lái)實(shí)現(xiàn)。

目前操作是在上午對(duì)基體進(jìn)行四角調(diào)節(jié)完成 后，下午即進(jìn)行程序測(cè)試。四角誤差修正通過(guò)銼 對(duì)基體細(xì)點(diǎn)應(yīng)變調(diào)整來(lái)改變相應(yīng)應(yīng)變片的電信號(hào) 輸出實(shí)現(xiàn)。在銼完基體細(xì)點(diǎn)之后，應(yīng)力釋放時(shí)間 不充分也是導(dǎo)致系統(tǒng)在第一次不能順利通過(guò)測(cè)試 的主要原因。在生產(chǎn)線上也發(fā)現(xiàn)，當(dāng)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行 三次程序測(cè)試時(shí)，其中有些可以通過(guò)ClasslO檢 測(cè)。其原因是因?yàn)橥ㄟ^(guò)多次測(cè)試，使其通過(guò)變形 進(jìn)行了殘余應(yīng)力釋放。

2.5.2電氣方面，輸出信號(hào)補(bǔ)償電阻的精度 偏低，使電信號(hào)在溫度變化或有微小信號(hào)變化時(shí)， 靈敏度低，反應(yīng)不及時(shí)。而且在天平程序調(diào)試時(shí)， 沒(méi)有對(duì)天平進(jìn)行預(yù)熱，電氣元件中電流不穩(wěn)定， 將會(huì)導(dǎo)致電阻和其他元件的實(shí)際值與在正常工作 時(shí)的值產(chǎn)生偏差，對(duì)檢測(cè)結(jié)果也會(huì)產(chǎn)生一定影響。 建議，替換精度為1%，溫度系數(shù)為50PPm，功率 為0.6w的電阻。

3.解決方法

根據(jù)傳感器滯后模型分析結(jié)果，作以下改動(dòng)：

(1)傳感器的固定方式改為雙孔螺紋固定， 間距為11mm。

(2)將加載裝置的材料改為硬橡膠。

(3)更換輸出補(bǔ)償電阻，替換精度為1%,溫 度系數(shù)為50ppm，功率為0.6w的電阻。

(4)在四角調(diào)整結(jié)束之后，室溫時(shí)效處理， 充分釋放殘余內(nèi)應(yīng)力。

(5)防風(fēng)罩的使用還是必要的，對(duì)每臺(tái)檢測(cè) 模塊都配置防風(fēng)罩。

(6)模塊在程序檢測(cè)前進(jìn)行預(yù)熱，保證電氣 元件達(dá)到正常使用要求。

4.效果驗(yàn)證及結(jié)論

通過(guò)以上改造之后，重新挑選3個(gè)模塊進(jìn)行 測(cè)試，結(jié)果如表6所示。

從以上數(shù)據(jù)可以看出，在改進(jìn)之后的各項(xiàng)指 標(biāo)都比改進(jìn)前要好，傳感器模塊的性能有了較大 的提高，可以得出以下結(jié)論。

(1)本文所建立的傳感器有限元滯后模型是 正確的，能對(duì)傳感器的滯后特性進(jìn)行系統(tǒng)研究， 傳感器有限元滯后模型的建立方法為研究其它結(jié) 構(gòu)形式的稱重傳感器以及傳感器的滯后特性提供 了切實(shí)可行的思路。

(2)傳感器彈性體與其他裝置的接觸產(chǎn)生的 摩擦力引起傳感器滯后超差，加載和卸載過(guò)程產(chǎn) 生的摩擦力方向發(fā)生反向，通過(guò)降低接觸面摩擦 系數(shù)，可以降低摩擦力，從而降低傳感器滯后。

(3)改變傳感器彈性體結(jié)構(gòu)參數(shù)都會(huì)影響傳 感器滯后，本文通過(guò)改變傳感器固定方式，以及 優(yōu)化計(jì)算，得出了合理的參數(shù)值。