CN101608960A

CN101608960A - 一种确定传感器应变片的粘贴位置的方法

Info

Publication number: CN101608960A
Application number: CNA2009100414078A
Authority: CN
Inventors: 罗嘉; 陈锐民; 宋维俏
Original assignee: Guangzhou Yueneng Electric Technology Development Co Ltd
Current assignee: Guangzhou Yueneng Electric Technology Development Co Ltd
Priority date: 2009-07-27
Filing date: 2009-07-27
Publication date: 2009-12-23
Anticipated expiration: 2029-07-27
Also published as: CN101608960B

Abstract

本发明公开了一种确定传感器应变片的粘贴位置的方法，该方法包括：对应变式传感器的弹性体进行网格化处理，将所述弹性体划分为多个单元；向所述弹性体施加垂直向下的正压力，使所述弹性体产生形变；测量所述弹性体的单元的形变量，根据所述形变量确定所述应变式传感器的应变片的粘贴位置。采用本发明实施例，可提高应变式传感器的测量精度。

Description

一种确定传感器应变片的粘贴位置的方法

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及一种确定传感器应变片的粘贴位置的方法。

背景技术

电子皮带秤是工业生产中用来计量物料重量而广泛使用的计量器具，在皮带运行的动态过程中，皮带将所载物料以恒定的张力和均匀的速度通过秤架上的称量段，称量托架将所载物料重量传递给称重传感器，皮带运行速度通过速度传感器进行跟踪测量，对单位时间内一定速度下的物料重量求取积分即可获得物料的累计重量。

电子皮带秤上所采用的压力传感器多为应变式传感器，最常见的是S型双孔梁压力传感器，其利用金属的电阻应变效应，当金属丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值也将发生变化，再经检测电路将电阻变化转换为电信号，从而完成将外力变换为电信号的过程。在传统的S型双孔梁压力传感器中，弹性体空心处的内壁上贴有四个电阻应变片，分别处于两孔洞内壁的正上方和正下方，四个应变片组成一个四等臂电桥，当受到外力作用的时候，弹性体内表面将产生微小的形变，使得四个应变片的阻值发生变化，由电桥的不平衡输出对应的电压信号，从而测量外力的大小。

皮带在实际运行中，电子皮带秤上的压力传感器受力复杂，除了所载物料重量产生的压力，在皮带运行过程中还会产生附加的扰动力。由于皮带负重，在前进过程中会对压力传感器产生一个与前进方向同向的推力，该推力的干扰将不可避免地使压力传感器产生形变，输出干扰信号，从而影响到皮带秤的精度。

目前，针对皮带负重而造成的前向推力的干扰问题，解决办法大多是从改良秤架结构的角度出发，例如采用全悬浮秤架，或者在传感器顶端安装滚珠等方法，其操作复杂，并且成本高。

发明内容

本发明实施例提供一种确定传感器应变片的粘贴位置的方法，可提高应变式传感器的测量精度。

本发明实施例提出了一种确定传感器应变片的粘贴位置的方法，包括：

对应变式传感器的弹性体进行网格化处理，将所述弹性体划分为多个单元；

向所述弹性体施加垂直向下的正压力，使所述弹性体产生形变；

测量所述弹性体的单元的形变量，根据所述形变量确定所述应变式传感器的应变片的粘贴位置。

实施本发明，具有如下有益效果：

本发明实施例提供的确定传感器应变片的粘贴位置的方法，对应变式传感器的弹性体进行网格化处理，将弹性体划分为多个单元；向弹性体施加垂直向下的正压力，根据弹性体的单元的形变量确定传感器应变片的粘贴位置。实施本发明，可提高应变式传感器对正压力信号的灵敏度，减小水平侧推力对传感器的干扰，从而提高传感器的测量精度，且操作简单，成本低。

附图说明

图1是本发明提供的确定传感器应变片的粘贴位置的方法的流程图；

图2是本发明提供的S型双孔梁压力传感器的结构示意图；

图3是本发明提供的电阻应变片构成的平衡电桥的示意图；

图4是本发明提供的S型双孔梁压力传感器网格化的示意图；

图5是本发明提供的外力作用下的S型双孔梁压力传感器的示意图；

图6是本发明提供的正压力作用下的S型双孔梁压力传感器的双孔洞上半圆周的形变示意图；

图7是本发明提供的正压力作用下的S型双孔梁压力传感器的双孔洞下半圆周的形变示意图；

图8是本发明提供的侧推力作用下的S型双孔梁压力传感器的双孔洞上半圆周的形变示意图；

图9是本发明提供的侧推力作用下的S型双孔梁压力传感器的双孔洞下半圆周的形变示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1，是本发明提供的确定传感器应变片的粘贴位置的方法的流程图，该方法具体包括以下步骤：

S100，对应变式传感器的弹性体进行网格化处理，将所述弹性体划分为多个单元；

S101，向所述弹性体施加垂直向下的正压力，使所述弹性体产生形变；

S102，测量所述弹性体的单元的形变量，根据所述形变量确定所述应变式传感器的应变片的粘贴位置。

下面以S型双孔梁压力传感器为例，对本发明提供的确定应变片的粘贴位置的方法进行详细描述。

参见图2，是本发明提供的S型双孔梁压力传感器的结构示意图。

S型双孔梁压力传感器具体包括：弹性体100、电阻应变片101、电阻应变片102、电阻应变片103及电阻应变片104。

其中，弹性体100的中部具有双孔洞形状的中空部位，如图2所示的孔洞105及孔洞106。电阻应变片101、电阻应变片102、电阻应变片103及电阻应变片104初始状态的电阻值相等，其粘贴在孔洞的内壁上，并连接构成平衡电桥。

如图3所示，是电阻应变片构成的平衡电桥的示意图。其中，R₁、R₂、R₃、R₄分别是电阻应变片101、电阻应变片102、电阻应变片103、电阻应变片104初始状态的电阻值，ΔR₁、ΔR₂、ΔR₃、ΔR₄分别是电阻应变片101、电阻应变片102、电阻应变片103、电阻应变片104发生形变时的电阻变化量。

在初始状态下，ΔR₁＝ΔR₂＝ΔR₃＝ΔR₄＝0，电桥是平衡的，其输出电压U_o＝0。

在外力作用下，输出电压U_o如下：

U_{0} = \frac{(R_{1} + Δ R_{1}) (R_{4} + Δ R_{4}) - (R_{2} + Δ R_{2}) (R_{3} + Δ R_{3})}{(R_{1} + Δ R_{1} + R_{2} + Δ R_{2}) (R_{3} + Δ R_{3} + R + Δ R_{4})}

在本发明实施例中，令R₁＝R₂＝R₃＝R₄＝R，将电桥设计为等臂电桥，由于ΔR₁、ΔR₂、ΔR₃、ΔR₄远远小于R，可得出输出电压U_o如下：

U_{0} = U \frac{(Δ R_{1} - Δ R_{2} - Δ R_{3} + Δ R_{4})}{4 R}

由上式可知，输出电压U_o与电阻应变片的电阻变化量成线性关系，相邻桥臂的应变极性不相同，其中一个为拉应变，另一个为压应变，输出电压U_o为两者之和。当S型双孔梁压力传感器的弹性体受到外力作用时，弹性体的双孔洞的内壁产生形变，使得四个电阻应变片也随同发生形变，电阻应变片的形变导致电阻值发生变化，由电桥的不平衡输出对应的电压信号，完成将外力变换为电信号的过程。

具体的，确定S型双孔梁压力传感器的电阻应变片的粘贴位置的方法如下：

对S型双孔梁压力传感器的弹性体进行网格化处理，将弹性体划分为多个单元。在具体实施当中，可采用ANSYS有限元分析软件，对S型双孔梁压力传感器模型进行网格化处理，单元类型选择PLANE42和SOLID45。如图4所示，是S型双孔梁压力传感器进行网格化处理的示意图，其中，S型双孔梁压力传感器节点总数为3264，单元总数为13242，模型为底部约束。

向S型双孔梁压力传感器的弹性体施加垂直向下的正压力，使弹性体产生形变，并以弹性体的中间纵剖面作为工作平面，测量双孔洞圆周上的各个单元在水平方向上的形变量。根据双孔洞圆周上的各个单元的形变量，分别选出所述双孔洞中的每一孔洞的上半圆周及下半圆周上的形变量最大的单元，将选出的四个单元所处的位置作为S型双孔梁压力传感器的四个电阻应变片的粘贴位置。

下面采用ANSYS有限元分析软件，对S型双孔梁压力传感器的弹性体在正压力作用下的形变情况进行分析。

如图5(a)所示，是S型双孔梁压力传感器的弹性体在正压力的作用下的中间纵剖面图。在弹性体的顶部正中位置沿Y轴负向施加500N的正压力F1，弹性体产生形变，其双孔洞的上半圆周(弧AB、弧BC)的各个单元的形变情况如图6所示，其双孔洞的下半圆周(弧AD、弧DC)的各个单元的形变情况如图7所示。

如图6所示，横轴坐标表示上半圆周(弧AB、弧BC)上的各个单元离最左端(即A点)的距离，纵轴坐标表示各个单元在水平方向上的形变量。其中，在弧AB上，离A点的距离为1.671cm的单元的正压力形变量为3.157×10^-5m，形变量最大；在弧BC上，离A点的距离为3.952cm的单元的正压力形变量为-0.174×10^-5m，形变量最大。

如图7所示，横轴坐标表示下半圆周(弧AD、弧DC)上的各个单元离最左端(即A点)的距离，纵轴坐标表示各个单元在水平方向上的形变量。其中，在弧AD上，离A点的距离为1.058cm的单元的正压力形变量为-0.125×10^-5m，形变量最大；在弧DC上，离A点的距离为3.996cm的单元的正压力形变量为2.709×10^-5m，形变量最大。

从图6、7可知，在正压力的作用下，双孔洞的上半圆周及下半圆周上的形变量最大的单元，对正压力信号具有较高的灵敏度，因此，将上述的处于正压力形变量峰值处的四个单元的位置作为四个电阻应变片的粘贴位置，可提高传感器测量对正压力信号的灵敏度，从而提高传感器对正压力的测量精度。

如图5(b)所示，是本发明实施例的S型双孔梁压力传感器的弹性体在侧推力的作用下的中间纵剖面图。在弹性体的侧面的上方位置沿X轴正向施加100N的侧推力F2，弹性体产生形变，其双孔洞的上半圆周(弧AB、弧BC)的各个单元的形变情况如图8所示，其双孔洞的下半圆周(弧AD、弧DC)的各个单元的形变情况如图9所示。

从图8、9可知，处于正压力形变量峰值处的四个单元，在100N的侧推力作用下，其水平方向上的形变量如下：在弧AB上，离A点的距离为1.671cm的单元的侧推力形变量为-0.978×10^-5m；在弧BC上，离A点的距离为3.952cm的单元的侧推力形变量为-8.246×10^-5m；在弧AD上，离A点的距离为1.058cm的单元的侧推力形变量为1.441×10^-5m；在弧DC上，离A点的距离为3.996cm的单元的侧推力形变量为-5.889×10^-5m。

在传统的S型双孔梁压力传感器中，其四个电阻应变片的粘贴位置分别位于双孔洞内壁的上下半圆周的中间点。本发明实施例提供的S型双孔梁压力传感器，对传统S型双孔梁压力传感器应变片的粘贴位置进行改进，将应变片粘贴在双孔洞内壁的上下半圆周的正压力形变量峰值处，达到提高传感器的测量精度的目的。

下面采用ANSYS有限元分析软件，在相同的弹性体模型及相同的外力作用条件下，对本发明实施例提供的S型双孔梁压力传感器及传统的S型双孔梁压力传感器的形变量分别进行测量。

如表1所示，是本发明实施例提供的S型双孔梁压力传感器与传统的S型双孔梁压力传感器在外力作用下，各应变片所处位置的弹性体单元的形变量的对照图。

其中，传统的S型双孔梁压力传感器应变片的粘贴位置为双孔洞内壁的上下半圆周的中间点；本发明实施例提供的改进后的S型双孔梁压力传感器，应变片的粘贴位置为双孔洞内壁的上下半圆周的正压力形变量峰值处。

表1

从表1中可以看出，本发明实施例提供的改进应变片粘贴位置的S型双孔梁传感器，与传统的S型双孔梁传感器相比，各应变片对正压力信号的灵敏度比传统的要高，且侧推力对各应变片的影响比传统的要小。进一步的，采用ANSYS有限元分析软件还可分析获得，改进的S型双孔梁传感器受到正压力作用时输出的灵敏度是传统传感器的3.6倍，而侧推力对输出值所造成的影响只是传统传感器的0.0215倍。可见，与传统的S型双孔梁传感器相比，本发明实施例提供的改进应变片粘贴位置的S型双孔梁传感器具有更加优秀的性能。

本发明实施例提供的确定传感器应变片的粘贴位置的方法，对应变式传感器的弹性体进行网格化处理，将弹性体划分为多个单元；向弹性体施加垂直向下的正压力，使弹性体产生形变，根据弹性体的单元的形变量确定传感器应变片的粘贴位置，可提高传感器的测量精度。本发明提供的方法应用于S型双孔梁传感器中，不需要改变传统的S型双孔梁传感器的结构，仅通过改变应变片的粘贴位置，即可提高应变式传感器对正压力信号的灵敏度，并减小水平侧推力对传感器的干扰，操作简单，成本低。

以上实施例仅用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案；因此，尽管本说明书参照上述的各个实施例对本发明已进行了详细的说明，但是，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或者等同替换；而一切不脱离本发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1、一种确定传感器应变片的粘贴位置的方法，其特征在于，包括：

2、如权利要求1所述的确定传感器应变片的粘贴位置的方法，其特征在于，所述应变式传感器为S型双孔梁压力传感器；

所述S型双孔梁压力传感器包括中部中空的弹性体及四个电阻应变片，所述弹性体的中空部位为双孔洞形状。

3、如权利要求2所述的确定传感器应变片的粘贴位置的方法，其特征在于，所述测量所述弹性体的单元的形变量，根据所述形变量确定所述应变式传感器的应变片的粘贴位置，具体包括：

以所述S型双孔梁压力传感器的弹性体的中间纵剖面为工作平面，测量双孔洞圆周上的各个单元在水平方向上的形变量；

根据所述形变量，分别选出所述双孔洞中的每一孔洞的上半圆周及下半圆周上的形变量最大的单元；

将选出的四个单元所处的位置作为所述S型双孔梁压力传感器的四个电阻应变片的粘贴位置。