一、设计
题
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目
工件如图所示,要求测量出工件的刚度值,在力F的作用下头部将产生偏角
(约3度)。力的大小为300N,选择力传感器,及位移传感器,设计测量
方案
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。
二、设计题目分析及传感的初步选择
根据题目的要求,所要设计的传感器系统需要测量两个物理量:工件头部的变形量以及导致相应变形量的力的大小。由题目的提示可知,直接测量小的角度是十分困难的,因此要将角度变化转化为头部的横向位移变化。
零件的刚度公式为
式中:
——
材料
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的刚度;
——施加在工件上的力;
——在力
作用下产生的位移,
,
为工件位移测量点到底面的距离。
测量的方案有两个:一是保证力的大小一定,测量位移的变化;另一种
方法
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是保证位移的大小一定,测量力的大小。进一步分析可知方案二操作起来比较困难,因为很难保证一定的很小的位移,故不合理,因此方案选择一,即保证力的大小一定,测位移变化。
测量力的传感器有以下几类:
1.固态压阻式传感器:测压传感器的有效面积可以做的很小,精度可以达到零点几毫米;
2.压电式传感器:测量范围很大,为
,测量范围有单方向的,也有多方向的;
3.弹簧压力(测力)计:结构简单,成本低廉,利用弹簧的弹力测量力的大小。
测量位移的传感器有:
1.面积变化型电容传感器:输入与输出成线性关系,灵敏度较低,适用于较大直线位移及角位移的测量;
2.金属膜位移传感器:金属膜电位器的电阻体可由合金膜、金属氧化膜、金属箔等分别组成。特点是分辨力高、耐高温、温度系数小、动噪声小、平滑性好;
3.磁敏式位移传感器:消除了机械接触,寿命长、可靠性高,缺点:对工作环境要求较高;
4.数字激光位移传感器:激光位移传感器可精确非接触测量被测物体的位置、位移等变化,主要应用于检测物的位移、厚度、振动、距离、直径等几何量的测量。
题目中无特殊要求,故力传感器可以选择压电式传感器,位移测量传感器可选择电容试位移传感器。
3、传感器的型号选择
根据题目的条件,工件头部在力的作用下角度变化约3度,因此头部的线性位移为
因此根据测量位移的大小选择电容式传感器合理,经过查找,可以选择英国真尚有的ZNXsensor超精密电容式位移传感器,其基本特性如下:
量程20~1250μm;
分辨率<0.1nm;零磁滞;
线性最高0.02%;
频带可调:50~5000Hz;灵敏度可调;
力传感器可以选择viste公司的VC10A型传感器,可以小空间测力,外形尺寸小,高度3.5mm,不锈钢或铝合金材料,模拟信号输出(mV/V),可以配置变送器(V输出/mA输出)、数显仪
表
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、PLC控制。可根据要求订制。其基本特性如下:
四、测量方案的拟定
拟定的方案如下图所示,将位移传感器固定在支架上,支架可以左右调节,力传感器固定在施力机器的施力头的前面,随加力装置一起移动。测量时,先将工件底部固定在工作台上,然后将位移传感器逐渐贴近工件顶部(箭头1),使传感器有一定的读数
(该读数不宜过大,刚刚贴紧即可),然后将力施加在工件头部,调节施力仪,使力传感器读数为
(箭头2),此时位移传感器的读数变为
,则可得工件的刚度为
测量结束后移开位移传感器(箭头3)和施力仪(箭头4)。整个过程可以实现自动化,适用于大批量的零件的测量,亦可用于单件测量。