电阻应变式测力仪 切削力.docx
《电阻应变式测力仪 切削力.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电阻应变式测力仪 切削力.docx（16页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
电阻应变式测力仪切削力
传感器课程设计
题目:
应变式测力仪
指导教师:
班级:
机检
姓名:
摘要
随着切削加工向着高速、高精度、高度自动化方向发展，对切削过程的监控
技术也提出了越来越高的要求，而各种自动化机械加工设备与制造系统绝大多数
并不具备加工过程的监控功能。
为了使这些高度自动化加工设备充分发挥其优良
性能，确保加工质量，提高生产效率，对刀具加工过程进行状态监测与控制就越
来越重要。
大量的研究结果表明，切削状态的每个微小变化都能通过切削力的变
化反映出来。
检测切削力是目前国内外研究与应用最多的监测方法之一，但这些
方法在使用时或多或少地要改变机床的原有部件，影响机床的系统特性，并且在
机械加工过程中，车削测力仪的应用最为广泛。
针对这些问题，需要设计出一种
外型尺寸和使用状态都类似于普通外圆车刀的车削测力仪。
本文针对电阻应变式传感器对切削力的测量进行设计，应变式传感器具有灵敏度和精度高，性能稳定、可靠、尺寸小、重量轻、结构简单、使用方便、测量速度快等优点，且能在恶劣环境下工作，在力、压力和重要测试中有非常广泛的应用。
关键词：
应变式测力仪；弹性元件；电阻应变；切削力
目录
一概述-2-
二应变式测力仪的工作原理及组成-2-
2.1工作原理-2-
2.2传感器的组成-3-
2.2.1敏感元件-3-
2.2.2转换元件-3-
2.2.3测量电路-3-
2.2.4辅助电源-3-
三切削测力传感器的主要性能及要求-4-
3.1金属切削测力仪主要性能指标的基本要求-4-
3.2弹性体的设计过程必须满足的要求-4-
3.3提高应力水平的应力集中原则-5-
四应变式测力仪的结构设计-6-
4.1应变式测力仪的测量原理-6-
4.2弹性敏感元件的设计-6-
4.2.1剪切梁式测力传感器的工作原理-6-
4.2.2应变片的布局方位-7-
4.3应变片的选择-8-
4.3.1结构形式的选择-9-
4.3.2尺寸的选择-9-
4.3.3阻值的选择-9-
4.3.4使用温度的选择-9-
4.4电路的设计-9-
4.5元件清单-11-
小结-11-
参考文献-12-
一概述
对于电阻应变片式测力传感器来说，弹性体的结构形状与相关尺寸对测力传感器性能的影响极大。
可以说，测力传感器的性能主要取决于其弹性体的形状及相关尺寸。
如果测力传感器的弹性体设计不合理，无论弹性体的加工精度多高、粘贴的电阻应变片的品质多好，测力传感器都难以达到较高的测力性能。
因此，在测力传感器的设计过程中，对弹性体进行合理的设计至关重要。
弹性体的设计基本属于机械结构设计的范围，但因测力性能的需要，其结构上与普通的机械零件和构件有所不同。
一般说来，普通的机械零件和构件只须满足在足够大的安全系数下的强度和刚度即可，对在受力条件下零件或构件上的应力分布情况不必严格要求。
然而，对于弹性体来说，除了需要满足机械强度和刚度要求以外，必须保证弹性体上粘贴电阻应变片部位的应变与弹性体承受的载荷保持严格的对应关系；同时，为了提高测力传感器测力的灵敏度，还应使贴片部位达到较高的应变水平。
二应变式测力仪的工作原理及组成
2.1工作原理
应变式测力仪由弹性元件、电阻应变片等组成的测力仪叫做应变式测力仪。
其工作原理是把电阻应变片贴在弹性元件表面，当弹性元件受到力的作用产生变形时，电阻应变片便随之产生变形，从而引起其电阻阻值的变化，可用下式表示，即：
式中，
为材料的应变系数；
为应变片的应变值。
由上式可知，当
为定值时，只要测得电阻应变片的电阻变化
，即可得知试件表面应变的大小，然后根据。
求得应变力。
的大小。
在应变式测力仪中，经常是将四个应变片成对的横向或纵向粘贴在弹性元件上，这样应变片就可以感受到弹性元件上的压缩和拉伸变形。
将四个应变片接成某种形式的电桥电路，这样就可以从电桥的输出中得到应变量的大小，从而根据应变量
与外力的关系得出作用在弹性元件上的作用力的大小。
2.2传感器的组成
传感器的组成主要有敏感元件、转换元件、测量电路和辅助电源四部分。
2.2.1敏感元件
在传感器中，主要作用是感受被测量的变化，同时将被测量的变化换成易于变换成电量的某一中间变量。
如膜片式压力传感器，它的敏感无件是一个弹性膜片，其作用是将压力信号转变为膜片的变形，为下一步电信号的输出做准备。
2.2.2转换元件
传感器通过转换元件将敏感元件输出的中间非电量转换为可以被传感器利用的电量。
它主要是利用某些物理的、化学的或生物的效应等来达到这一目的。
如膜片式压力传感器的转换元件，它利用电阻应变效应，也就是金属导体或半导体的电阻随着它所受机械变形的大小而发生变化的原理，将弹性膜片的变形转换为电阻值的变化。
2.2.3测量电路
转换元件输出的电量常常难以直接进行显示、记录和处理，需要将其进一步变换成可直接利用的电信号。
完成这一功能的是测量电路。
如应变式压力传感器中的测量电路是桥式电路，它可以将应变片输出的电阻值转
换成一个电压信号，经放大后即可推动记录装置和显示仪表的工作。
2.2.4辅助电源
有些传感器除电路电源外，还需一辅助电源提供给信号。
这四部分的关系如下：
图2-1传感器的总体设计框图
三切削测力传感器的主要性能及要求
机械上使用的传感器型式多种多样，但应用较多的还是电阻式传感器。
电阻应变片式测力传感器内部电路一般是桥式电路。
电阻作为转换元件。
电阻阻值的变化最终以信号的形式输出。
因具有结构简单、线性和稳定性好、输出精度高等特点，在实际中越来越受到重视。
其采用的敏感元件是弹性测试元件，主体就是一个弹性体。
其中弹性体的结构形状与相关尺寸对测力传感器性能的影响极大。
如果测力传感器的弹性体设计不合理，无论弹性体的加工精度多高、粘贴的电阻应变片的品质多好，测力传感器都难以达到较高的测力性能。
因此，在测力传
感器的选择过程中，弹性体的结构型式至关重要。
目前，金属切削理论的研究，机床加工系统动态刚度的研究，以及金属切削加工过程自适应控制的研究，都对测力仪的性能提出更新更高的要求。
3.1金属切削测力仪主要性能指标的基本要求
（1）应有足够的刚度。
要求静刚度在每一分力方向上都必须超过
N/M,符号用K表示。
（2）应有足够的灵放度。
要求能测出最大切削力的1%变化。
对于应变式传感器。
灵敏度用单位载荷产生的微应变值（
）表示，符号为S。
（3）应有较高的固有频率。
为测出切削力瞬时变化值。
测力仪的固有频率应高于切削力变化频率的4-8倍。
此外：
对温度变化的敏感性要低。
制造工艺要好等。
3.2弹性体的设计过程必须满足的要求
（1）贴片部位的应变应与被测力保持严格的对应关系；
（2）贴片部位应具有较高的应变水平。
为了满足上述两项要求，在测力传感器的弹体元件选择方面，经常应用“应力集中”的原则，保贴片部位的应力（应变）水平较高，并与被测力保持严格的对应关系，以提高所设计测力传感器的测力灵敏度和测力精度。
改善应力不规则分布的“应力集中”原则：
在机械零件的测试过程中，通常认为应力在零件上分布是规则分布的，如零件截面积形状不发生改变，不必考虑应力分布不规则问题。
其实，在零件的设计中对零应力分布不规则问题是通过强度计算中的安全系数将其包含在内了。
对测力传感器来说，它是通过电阻的应变测量弹性体上的应变力来测量被测力的大小。
若要保证贴片部位的应力与被测力保持严格的对应关系，实际上是保证在测力传感器受力时，弹性体贴片部位的应力要按照某一规律分布,即按照被测件的变化规律分布。
在实际应用中，对于弹性体受力条件的变化是指当弹性体受力的大小不变时，力的作用点发生变化或弹性体与其相邻的加载构件和承载构件的接触条件发生变化。
如果在弹性体结构设计时，未能考虑这一情况，就可能造成弹性体上应应变分布的不规则变化。
弹性体受力条件的变化引起的测力误差的实质是弹性体贴片部位圆周上的应力的不规则分布，如果能使弹性体贴片部位圆周上的应力分布受到一定条件的约束，迫使贴片部位的应力按照某一规律分布，因而使得弹性体贴片部位的应力与被测力基本保持严格的对应关系，由此来减小因弹性体受力条件的变化引起的测力误差。
将是很好的举措。
3.3提高应力水平的应力集中原则
若要测力传感器达到较高的灵敏度，通常应该使电阻应变片有较高的应变水平，即在弹性体上贴片部位应该有较高的应力水平。
实现弹性体上贴片部位达到较高应力水平有两种常用的方法:
（1）整体减小弹性体的尺寸，全面提高弹性体上的应力水平;
（2）在贴片部位附近对弹性体进行局部削弱，使贴片部位局部应力水平提高，而弹性体其它部位的应力水平基本不变。
以上两种方法都可以提高贴片部位的应力水平，但对弹性体整体性能而言，局部削弱弹性体的效果并不影响测试结果。
因为局部削弱弹性体既能提高贴片部位的应力水平，又使得弹性体整体保持较高的强度和刚度，有利于提高传感器的性能和使用效果。
局部削弱弹性体提高贴片部位应力水平的原理是:
通过局部削弱弹性体，造成局部的应力集中，使得应力集中部位的应力水平明显高于弹性体其它部位的应力水平，将电阻应变片粘贴于应力集中部位，就可以测得较高的应变水平。
局部应力集中的方法在测力传感器的设计中经常被采用，尤其在梁式测力传感器（如弯曲梁式和剪切梁式测力传感器）的弹性体设计中被广泛应用。
局部应力集中方法应用较为成功的当数剪切梁式测力传感器。
剪切梁式测力传感器是通过检测梁式弹性体上的剪应力实现测力的。
四应变式测力仪的结构设计
4.1应变式测力仪的测量原理
敏感元件感受被测量的变化，在由转换元件转换成易于测量的电信号，由输出电路输出。
图4-1测量原理图
4.2弹性敏感元件的设计
弹性体是传感器的基础，必须根据它的量程大小，精度高低对其弹性体几何形状，材料进行合理的设计和选择。
4.2.1剪切梁式测力传感器的工作原理
剪切梁式测力传感器的弹性体受力的作用后，需要测量的不是其正应力，而是由剪切力引起的切应力。
但切应力本身是测量不出来的，它只能产生于与工字梁中心轴线成45度的互相垂直的主应力，也就是产生于由切应力而引起的拉伸应力及压缩应力。
将应变片分别贴在梁的两面。
利用这一原理便可测出力的大小。
剪切梁的结构：
由材料力学中有关梁的应力分布知识可知，当梁承受横向载荷时，在梁的中性层处剪应力最大。
如果要检测梁上的剪应变，应该在梁的中性层处贴片。
为了提高贴片处的剪应力水平，可将弹性体两侧各挖一个盲孔，盲孔的中心应在中性层处。
电阻应变片应该粘贴在盲孔的底面上，如图4-2中所示：
图4-2剪切梁式测力传感器结构简图
1-弹性体；2-局部削弱部位；3应变片
4.2.2应变片的布局方位
将四个应变片分别贴在工在工字梁的腹板两边，并与中心轴心线成45度垂直的位置上，如图4-3所示。
这4个应变片组成全桥，当传感器承受载荷时，应变片R1、R3的电阻值增大，R2、R4的电阻值减小，其输出结果在电桥上的对角上产生与载荷成正比的不平衡输出。
利用这一原理，便可以测出力或载荷的大小。
图4-3应变片的黏贴方位
对于梁形构件来说，其弯曲强度是主要矛盾。
在一个梁满足弯曲强度的情况下，剪切强度一般裕量较大。
当在中性层附近挖盲孔后，该截面上腹板上的剪应
力明显提高，然而该截面上的弯曲应力提高很小。
因此，剪切梁式弹性体应用局部应力集中方案后，被检测的剪应变大大提高，使该测力传感器的灵敏度显著提高，而对整个梁的弯曲强度影响很小，使整个梁保持了良好的强度和刚度。
4.3应变片的选择
制作传感器的应变片的基本要求：
1具有适当的线性灵敏系数，并且稳定性较高；
2具有蠕变自补偿功能；
3具有小的电阻温度系数，热输出小，零点漂移小；
4横向效应系数小，机械滞后小，疲劳寿命高；
5具有较好的稳定性、重复性，并且能够在较宽的温度范围内工作；
6适用于动态和静态测量。
应变片的结构种类：
金属电阻应变片分为丝式应变片，箔式应变片和薄膜式应变片三种。
金属电阻应变片的结构大体相同，使用的最早的是电阻丝式应变片，如图4-4所示。
将高电阻率的电阻应变丝弯曲成珊状的电阻体2，黏贴在绝缘的基片1上和覆盖层3之间，有引线4与外部相连。
这样构成的应变片在通过粘结剂与感受被测物理量的弹性体黏结。
图4-4电阻丝应变片
箔式电阻应变片是利用照相制版技术或光刻腐蚀技术，将电阻箔材料做在绝缘基底上的，制成各种形状的应变片，它具有尺寸准确，线条均匀，适应不同的测量要求，传递应变好，横向效应小，散热性能好。
允许通过的电流较大。
易于批量生产等优点。
因此得到广泛的应用。
现已基本取代了金属丝电阻应变片。
4.3.1结构形式的选择
根据应变测量的目的、被测试件的材料和其应力状态以及测量精度，选择应变片的形式，对于测试点应力状态是一维应力的结构，可以选用单轴应变片。
对于传感器设计来说，应变片的形式主要决定于弹性体的结构，如柱式、板环、双孔平行梁等弹性体，他们采样正应力或弯曲应力，所以应变片均采用单轴应变片。
4.3.2尺寸的选择
选择应变片尺寸时应考虑应力分布、动静态测量、弹性体应变区大小等因素。
一般来说，应变片丝栅越小，测量精度越高，越能正确反映出被测量点的真实应变，因此，在加工精度可以保证的情况下，综合考虑各种因素影响，应变片的栅长小一些比大一些好。
4.3.3阻值的选择
国家标准中电阻应变片的阻值规定为60、120、200、350、500、1000
，目前传感器生产中大多选用350
的应变片，但是由于大阻值应变片具有通过电流小、自热引起的温升低、持续工作时间长、动态测量信噪比高等优点，大阻值应变片应用越来越广。
在不考虑价格因素的前提下，使用大阻值应变片，对提高传感器精度是有益的。
4.3.4使用温度的选择
使用环境温度对应变片的影响很大，应根据使用温度选用不同丝栅材料的应变片，国家标准中规定的常温应变片使用温度为－30～60ºC。
基于以上原则可以选择可以选用：
北京波谱公司的BX350-3AA应变片。
4.4电路的设计
要测出应变片的微小电阻变化一般采用桥式电路。
如图4-5所示。
图4-5传感器的电路工作原理图
其中为
为电源电压，
为输出电压，
、
、
、
为各臂的电阻，输出电压
应为：
（1）
调平衡后
。
若电桥各臂均有相应的电阻增量
、
、
、
，则有
（1）可得：
（2）
实际使用中往往采用等臂电桥，即
。
此时可写为：
（3）
如果电桥只有一臂工作，则实际输出电压为：
（4）
如果电桥相邻两臂工作，并且两个应变片一个受拉，一个受压。
应变符号相反，当电桥在初始时是平衡的，且为等臂电桥，根据（3）式则输出电压为：
（5）
如果电桥有四臂工作，设初始时平衡，且为等臂电桥。
根据（3）式输出电压为：
（6）
上面公式为电桥一臂、两臂、四臂工作时的输出电压，分析公式（3）（4）（5）（6）可以看出。
电桥电路工作时单臂，双臂，四臂工作时电桥的灵敏度之比为1:
2:
4。
故设计测力仪时为提高测量的灵敏度尽量使四臂电桥都为工作臂。
当采用半桥或全桥电路时，应变片因温度而引起的电阻变化量相同，电桥处于平衡状态。
可见：
电桥的输出电压与被测试件的应变
有关，与环境的温度无关。
具有温度补偿的作用，该电路也的到了广泛应用。
4.5元件清单
名称
型号
厂商
价格
备注
应变片
BX350-3AA
北京波谱
6.6元
弹性体
YZC-1B
广州电测
38元
胶水
UFO521
UFO
3元
石蜡
全精炼52号
南海
6元
导线
100724AWG
深圳宇讯
2.5元/10米
小结
本论文应用应变片的工作原理设计了一种测量切削力的传感器。
在传感器的设计过成中，遵照了改善应力不规则分布的应力集中原则，对弹性元件进行了设计，能够收到提高测力传感器的测力精度和测力灵敏度的良好效果。
在电路设计上本设计使用了全桥电路不仅提高了测力传感器的灵敏度而且很好的解决了温度补偿的问题和传感器的非线性问题。
本文只对传感器的结构进行了初步的分析。
有些问题还有待于进一步的分析。
随着科技的进步，传感器的发展将是日新月异的、突飞猛进的。
其发展也是将各个学科之间相互交叉、相互渗透和相辅相成的。
参考文献
[1]徐科军.传感器与检测技术.北京：
电子工业出版社.
[2]王旭，陈绍英.呼伦贝尔学院学报.
[3]袁哲俊.电阻应变片测力仪设计中的几个问题的探讨.
[4]李光合.应变式传感器.科学出版社.
[5]王荣霖.电阻式车削与钻销测力仪.太原工学院学报.
[6]卢文祥.切削测力仪的发展概况.震动与动态测试.
课程设计分工：
学号
姓名
设计内容
05
冯鑫鑫
工作原理及组成设计
06
郝萍
性能及要求设计
07
王婷
弹性体机构设计
08
李金金
输出电路及灵敏度温度补偿分析
41
张晓辉
应变片的布局设计
升级会员 