力值、轉(zhuǎn)速?gòu)?fù)合傳感器的設(shè)計(jì)與研究

艾兆春，劉玉波，安少華，趙輝，石劍

(國(guó)防科技工業(yè)2311 二級(jí)計(jì)量站，黑龍江 哈爾濱150046)

0 引言

多參數(shù)傳感器是一個(gè)新興的研究領(lǐng)域，在國(guó)防科技工業(yè)以及民用領(lǐng)域應(yīng)用都十分廣泛，如應(yīng)用在航空發(fā)動(dòng)機(jī)試車(chē)臺(tái)上的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器、航空發(fā)動(dòng)機(jī)推力矢量技術(shù)測(cè)試用多分量力傳感器等。

力值、轉(zhuǎn)速?gòu)?fù)合傳感器屬于多參數(shù)傳感器一種，能夠?qū)崿F(xiàn)力值參數(shù)和轉(zhuǎn)速參數(shù)的同步校準(zhǔn)。它的設(shè)計(jì)成功可以實(shí)現(xiàn)國(guó)營(yíng)某廠自動(dòng)鉆鉚機(jī)綜合參數(shù)(鉆頭壓緊力、鉆頭轉(zhuǎn)速)的校準(zhǔn)，為飛機(jī)的裝配、試驗(yàn)提供了有效的計(jì)量技術(shù)支持。在民用行業(yè)中，力值、轉(zhuǎn)速同步校準(zhǔn)技術(shù)還可廣泛應(yīng)用于地質(zhì)勘探、石油開(kāi)采和機(jī)械加工等行業(yè)，通過(guò)設(shè)計(jì)不同的工裝夾具，力值、轉(zhuǎn)速傳感器就可連接在專(zhuān)用設(shè)備上。本文就力值、轉(zhuǎn)速?gòu)?fù)合傳感器的設(shè)計(jì)及研制中的難點(diǎn)問(wèn)題進(jìn)行了討論。

1 力值、轉(zhuǎn)速?gòu)?fù)合傳感器的設(shè)計(jì)

1.1 傳感器彈性結(jié)構(gòu)的選擇和接橋方式

彈性體是感受力的主要元件，它是傳感器的重要組成部分，彈性體的結(jié)構(gòu)形式多樣，常用的結(jié)構(gòu)有梁式、環(huán)式、輪輻式和柱式四種，從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上我們選取柱式結(jié)構(gòu)，柱式結(jié)構(gòu)彈性體可以設(shè)計(jì)在傳感器旋轉(zhuǎn)軸上，從而實(shí)現(xiàn)力值、轉(zhuǎn)速同步進(jìn)行測(cè)量，而且柱式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、堅(jiān)固耐用、對(duì)振動(dòng)不敏感，抗過(guò)載能力和抗沖擊能力都優(yōu)于其它任何結(jié)構(gòu)。彈性體的形狀、各個(gè)方向測(cè)量的應(yīng)變計(jì)粘貼方式如圖1 所示，應(yīng)變計(jì)粘貼展開(kāi)圖如圖2 所示，其特點(diǎn)是R1，R3 串聯(lián)，R2，R2 串聯(lián)并置于相對(duì)位置的臂上，以減少?gòu)澗氐挠绊憽＝訕螂娐啡鐖D3 所示。

圖1 應(yīng)變計(jì)

圖2 應(yīng)變計(jì)粘貼展開(kāi)圖

圖3 接橋電路圖

1.2 傳感器材料的選擇

若想傳感器有好的線性，小的蠕變及滯后，那么彈性體本身就應(yīng)具備這樣的特性，通常選用強(qiáng)度比較高的合金結(jié)構(gòu)鋼。目前國(guó)內(nèi)普遍采用40CrMoNiA 作為各種測(cè)力傳感器的材料，這種材料性能穩(wěn)定，價(jià)格較低廉，由于有鉻鎳共存，不但具有良好的機(jī)械性能，而且由于鉬的存在，可以防止高溫回火時(shí)的脆性，具有良好的淬滲性。有研究資料表明，鉻在鋼中的含量大約為1%時(shí)，對(duì)鋼在回火過(guò)程中阻止軟化具有一定的作用，鉬在鋼中的含量大約為1%時(shí)，比鉻和鎳更提高淬滲性，還能提高鋼的強(qiáng)度和抗蠕變性。綜上所述，我們采用40CrMoNiA 作為感器彈性體的材料。

1.3 傳感器熱處理工藝

1)淬火處理

為使彈性體在淬火后獲得均勻的馬氏體組織，在鹽浴爐中進(jìn)行無(wú)氧化加熱，淬火溫度選取840 ～860℃，由于40CrMoNiA 淬滲性較好，一般采取油冷，油冷前先進(jìn)行預(yù)冷(空冷)，以減少淬火應(yīng)力和開(kāi)裂傾向。淬火后，彈性體的金相組織均勻馬氏體，表面硬度大于HRC52。

2)回火處理

40CrMoNiA 在淬火后，其組織不穩(wěn)定，所以應(yīng)在最短的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行回火處理，其回火后的金相組織和硬度也有所不同，回火后金相組織為屈氏體，硬度為40 ～45 HRC，回火溫度為(450 ±30)℃，回火介質(zhì)20#機(jī)械油。經(jīng)回火處理后，彈性體硬度適當(dāng)，塑性、韌性增加，組織比較穩(wěn)定，殘余應(yīng)力大大減少，從而使彈性體具有較高的彈性和良好的機(jī)械性能。

3)輔助熱處理

40CrMoNiA 的輔助熱處理包括鍛后退火、調(diào)質(zhì)處理和真空回火。鍛后退火溫度為860℃，加熱后緩冷，退火后彈性體組織更加均勻，金屬纖維分布連續(xù)且流向合理。調(diào)質(zhì)處理安排在粗加工后、精加工前，其目的是改善材料的組織和機(jī)械性能。調(diào)質(zhì)處理的工藝要求是淬火溫度850℃，油冷，回火溫度650 ～670℃，調(diào)質(zhì)后材料的金相組織為粒狀索氏體，硬度介于28 ～32 HRC 之間。真空回火的主要目的是進(jìn)一步穩(wěn)定組織和去除彈性體組織內(nèi)部殘余應(yīng)力和表面應(yīng)力，回火溫度在400 ℃左右，真空回火后，傳感器的精度和長(zhǎng)期穩(wěn)定性將大大提高。

1.4 電阻應(yīng)變計(jì)的選擇

電阻應(yīng)變計(jì)是利用導(dǎo)電材料的應(yīng)變電阻效應(yīng)研制成的，它能將彈性體上的應(yīng)變變化轉(zhuǎn)換為電阻變化。電阻應(yīng)變計(jì)可分為金屬絲式應(yīng)變計(jì)、金屬箔式應(yīng)變計(jì)和金屬薄膜應(yīng)變計(jì)。金屬絲應(yīng)變計(jì)制作簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定，但其應(yīng)變橫向效應(yīng)較大。金屬箔式應(yīng)變計(jì)可制成多種復(fù)雜形狀尺寸準(zhǔn)確的敏感柵，以適應(yīng)不同的測(cè)量要求，而且它還具有橫向效應(yīng)小、蠕變和機(jī)械滯后小、疲勞壽命長(zhǎng)、散熱條件好、允許電流大和輸出靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)。金屬薄膜應(yīng)變計(jì)是薄膜技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物，它的應(yīng)變靈敏度系數(shù)大，允許電流的密度大，但難于控制電阻、溫度和時(shí)間的變化關(guān)系。綜合上述分析，我們擬采用金屬箔式應(yīng)變計(jì)。

1.5 能源與信號(hào)的傳遞

由于電阻應(yīng)變計(jì)是貼在旋轉(zhuǎn)軸上，需將應(yīng)變計(jì)輸出的電信號(hào)通過(guò)旋轉(zhuǎn)軸傳遞到固定端，我們擬采用接觸式或非接觸式兩種傳遞方式。

接觸式傳遞大多采用滑環(huán)和電刷等引電裝置，它具有成本低、便于安裝，適合中、低轉(zhuǎn)速的測(cè)量，但不適合高速旋轉(zhuǎn)或振動(dòng)較大的場(chǎng)合。采用接觸式傳遞其優(yōu)點(diǎn)是信號(hào)傳輸質(zhì)量高，受外界因素影響小，缺點(diǎn)是使用壽命相對(duì)非接觸式傳遞短。

非接觸式傳遞是利用傳播無(wú)線電波、電磁波或光波進(jìn)行信號(hào)的傳輸。能源的輸入由一組帶間隙的特殊環(huán)型變壓器來(lái)承擔(dān)。信號(hào)的轉(zhuǎn)換有兩種方法:一種是將應(yīng)變電橋輸出的微弱電壓信號(hào)放大后，經(jīng)過(guò)壓/頻轉(zhuǎn)換，變成與力應(yīng)變成正比的頻率信號(hào)，再通過(guò)特殊環(huán)型變壓器來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的非接觸傳遞;另一種是將應(yīng)變信號(hào)在旋轉(zhuǎn)軸上經(jīng)過(guò)單片機(jī)處理，由A/D 轉(zhuǎn)換器電路將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后，通過(guò)發(fā)射模塊用無(wú)線電發(fā)射的方法從旋轉(zhuǎn)軸上發(fā)射至軸外，再用無(wú)線電接收的方法，就可以得到旋轉(zhuǎn)軸受力的信號(hào)，采用非接觸式對(duì)能源和信號(hào)進(jìn)行傳遞，具有壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是易受外界環(huán)境電磁干擾，穩(wěn)定性較差。無(wú)線傳輸系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖4 所示。

1.6 齒盤(pán)測(cè)速原理

齒盤(pán)測(cè)速裝置由信號(hào)齒盤(pán)、磁電式轉(zhuǎn)速傳感器、信號(hào)處理部分以及單片機(jī)組成。其中信號(hào)齒盤(pán)固定在旋轉(zhuǎn)軸上，并和磁電式轉(zhuǎn)速傳感器集成在力值、轉(zhuǎn)速?gòu)?fù)合傳感器內(nèi)部，齒盤(pán)測(cè)速示意圖如圖5 所示。信號(hào)齒盤(pán)保證了傳感器實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集功能，并將轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換為一個(gè)對(duì)應(yīng)頻率的脈沖信號(hào)輸出，經(jīng)過(guò)信號(hào)處理后輸出到計(jì)數(shù)器上，脈沖信號(hào)的頻率與轉(zhuǎn)速是一種線性的正比例關(guān)系，因此轉(zhuǎn)速的測(cè)量實(shí)質(zhì)上是對(duì)脈沖信號(hào)頻率的測(cè)量。信號(hào)處理電路包含待測(cè)信號(hào)放大、波形變換、波形整形電路等部分，其中放大器實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)信號(hào)的放大，降低對(duì)待測(cè)信號(hào)的幅度要求，實(shí)現(xiàn)對(duì)小信號(hào)的測(cè)量。處理器部分選用AT89S51 單片機(jī)，利用單片機(jī)的輸入捕捉功能，可得到相鄰的兩個(gè)上升沿的時(shí)間差T，即轉(zhuǎn)速n=2π/T (rad/s)。齒盤(pán)測(cè)速示意圖如圖5 所示。

圖4 無(wú)線傳輸系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

圖5 齒盤(pán)測(cè)速示意圖

2 技術(shù)難點(diǎn)

2.1 力值、轉(zhuǎn)速綜合傳感器信號(hào)的傳遞

為了實(shí)現(xiàn)力值、轉(zhuǎn)速兩個(gè)參數(shù)同步校準(zhǔn)，本文設(shè)計(jì)的力值、轉(zhuǎn)速綜合傳感器將電阻應(yīng)變計(jì)粘貼在旋轉(zhuǎn)軸上，這和傳統(tǒng)的傳感器結(jié)構(gòu)有很大的不同，對(duì)信號(hào)的傳遞輸出也造成了一定困難。這種結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)即是一個(gè)創(chuàng)新也是一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)，難點(diǎn)主要是電阻應(yīng)變計(jì)輸出信號(hào)的傳遞，針對(duì)信號(hào)的傳遞輸出我們將采取接觸式或非接觸式兩種方式進(jìn)行信號(hào)的傳遞輸出，兩種方式各有其優(yōu)缺點(diǎn)，需從傳感器的使用環(huán)境、使用壽命以及準(zhǔn)確度等方面綜合考慮，最后確定信號(hào)的傳遞方式。

2.2 測(cè)速傳感器與信號(hào)齒盤(pán)之間最佳位置的確定

齒盤(pán)測(cè)速裝置設(shè)計(jì)在傳感器內(nèi)部，通常情況下信號(hào)齒盤(pán)越大，測(cè)量效果會(huì)越好，但這樣做傳感器自身重量會(huì)增加很多，現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)裝配過(guò)程中會(huì)帶來(lái)很多麻煩，所以信號(hào)齒盤(pán)應(yīng)盡可能做小但又不能影響測(cè)速精度，這對(duì)信號(hào)齒盤(pán)的機(jī)械加工提出了更高的要求，測(cè)速傳感器和信號(hào)齒盤(pán)之間的最佳距離也是影響傳感器準(zhǔn)確度的重要因素，傳感器在設(shè)計(jì)過(guò)程中需要進(jìn)行多次試驗(yàn)，最后確定測(cè)速傳感器與信號(hào)齒盤(pán)之間的最佳位置。

3 結(jié)語(yǔ)

力值、轉(zhuǎn)速?gòu)?fù)合傳感器作為多參數(shù)傳感器的一種，其研制成功具有深遠(yuǎn)重大的意義，實(shí)現(xiàn)對(duì)力值、轉(zhuǎn)速兩個(gè)參數(shù)同步校準(zhǔn)，可解決專(zhuān)用設(shè)備在線校準(zhǔn)難題，為國(guó)防科技工業(yè)的武器裝備、科研生產(chǎn)和高新工程建設(shè)，提供強(qiáng)有力的計(jì)量技術(shù)支持和保障服務(wù)。同時(shí)也可廣泛應(yīng)用于地質(zhì)勘探、石油鉆采等民用領(lǐng)域中，具有很好的應(yīng)用前景。

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