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TB111-3型三半環式傳感器的研制
[摘要] 本文介紹了一種新型結構的三半環式傳感器。重點對三半環式傳感器的整體結構，進行了受力分析和理論計算，給出了輸出電路和測試結果。該TB111-3型 三半環式傳感器已獲得中華人民共和國國家知識產權局專利，專利號：L03251824.2。實用新型名稱：三半環式傳感器。
TB111-3 型三半環式傳感器的總體結構見圖1。
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圖1 三半環式傳感器總體結構圖 |
1.1彈性體結構
彈性體結構見圖2。
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圖2 彈性體結構 |
如圖所示，它是由三個變截面半環構成。其特點是：六個應變區均勻分布在與負荷軸線相垂直的一個平面上，每個半環上有兩個應變區。三半環式傳感器為整體結構，它是由上下兩部分的承載板、中部的變截面應變區所構成。當負荷加載到三半環式傳感器之上時即刻進入工作狀態。三半環式傳感器的工作狀態相當于一個三條腿的板凳加上適當負荷，此時狀態是很穩定的，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定得多。
1.2彈性體計算公式
如圖3所示，由材料力學分析可知，環上各點的彎矩為：
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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 三半環彈性元件 |
應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= |
|
(1- |
|
) |
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3 |
π |
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W·r |
2 |
|||
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M3=M4=M0= |
|
(1- |
|
) |
|
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) | |
|
ε3=ε4= |
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πEbh2 |
由特征點處的應變計組成應變電橋的輸出與輸入電壓之比與重力W的關系為：
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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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|
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——應變計靈敏系數
E——彈性體材料的彈性模量
r——環的平均半徑
b——環的厚度
h——環壁的厚度
當然，這種計算是十分粗糙的估算。
1.3電器結構
彈性體為受力敏感元件，將電阻應變片按一定的工藝粘貼到彈性體上，組成惠斯通電橋。橋路與彈性元件結構結合,使被測值為各應變點之和并可自動平衡由偏載所產生的誤差。彈性元件不受載荷時，電橋處于平衡狀態，輸出電壓為零。彈性元件粘貼電阻應變片的部位為應變區，當傳感器承載荷時產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 型三半環式傳感器的接線圖
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圖4 三半環式傳感器接線圖 |
1.4總體結構
從TB111-3型三半環式傳感器的總體結構圖1中可以看出該傳感器有兩路輸出，在實際應用中：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.測試結果
2.1技術指標
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測試結果
對兩種規格共4支傳感器測試結果如下：
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型號\參數 |
樣品編號 |
重復性 |
直線度 |
滯后 |
靈敏度 |
零點輸出 |
檢定結論 |
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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 |
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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
傳統的板環結構與三半環式傳感器的差別見下表：
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特征結構 |
拉向負荷特性 |
壓向負荷特性 |
拉壓雙向負荷特性 |
應用場合 |
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板環結構 |
好 |
穩定性不易控制，傳 |
穩定性不易控制，傳 |
通常的測力、稱重 |
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三半環結構 |
好 |
結構本身穩定性好。 |
結構本身穩定性好。 |
通常的測力、稱重 |
由此可見，三半環式傳感器具有穩定的優點在日益擴展的傳感器應用領域中應該有其更廣的應用。當然，世界上沒有完美的東西，三半環式傳感器也存在它的缺點，仍需進一步開發和研制，以便更好的適應社會的需求。
