一种新型振弦式力传感器的研制

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振弦式传感器被广泛应用于岩土工程和其他工程应用中,其具有结构简单可靠、制作安装方便、零点稳定、宜于多点远传等优点,被广泛用于测量力、应力、应变、压力等物理量。 振弦式力传感器作为振弦式传感器的一个主要类别,其基本构件一般包括弹性元件、激振拾振装置以及振弦。其中弹性元件的材料和尺寸直接影响传感器的灵敏度和使用寿命:激振拾振装置则要能保证振弦的可靠起振并保持振弦的连续振动,同时还要实时地输出振弦的振动频率;振弦的规格,特别是弦径,对传感器的输出频率范围和测量稳定性有着重要的影响。终上所述,为了提升振弦式力传感器的性能,本文对振弦式力传感器的弹性元件、激振拾振装置以及振弦对传感器性能的影响进行了研究和重新设计。 首先对振弦式力传感器的弹性元件进行了优化设计。传统的机械结构优化设计方法凭借经验公式给出初始方案,然后进行结构的力学分析,最后在力学分析的基础上校验可行性,其主要缺点是重分析、重校核过程最多为2-3次,否则工作量太大,难以承受,因而不易得到较理想的既经济又安全的设计方案,且很难对传感器的整体受力情况进行分析。因此,基于ANSYS参数化设计语言APDL对传感器的机械结构进行了有限元建模和弹性元件尺寸的优化设计,并得到了传感器结构的整体受力情况。优化设计结果表明,2.1mm为弹性元件截面半径的最优尺寸。 其次,在分析了现有的各种激振拾振方法的优缺点的基础上,发现相对于电流型激励法而言,若采用双线圈连续激振法可以避免给振弦加载电流,从而也就不用考虑振弦的绝缘问题,比较适用于现有的传感器结构。但普通的双线圈连续激振法采用单脉冲起振,又具有起振不可靠的缺点。为了弥补此缺点,本文将扫频激励法和双线圈连续激励法相结合,采用了基于扫频技术的双线圈连续激励法,并在振弦频率测试平台上对其激振拾振效果进行了测试,效果比较理想。 此外,由于振弦对传感器的输出频率范围和测量稳定性有着重要的影响,而且很少有文献具体讨论过振弦式传感器的敏感元件即振弦对于传感器性能的影响,有必要对不同规格的振弦的振动频率进行测试。以OCr18Ni9不锈钢制成的钢丝作为测试对象,在振弦频率测试平台上对几种不同弦径的振弦的振动频率进行了测试,并以频率范围、标准偏差和相对误差为标准,选择了弦径为0.26mm的振弦作为传感器的敏感元件。 最后,对加工完成的振弦式力传感器在液压式压力机上进行了标定。根据标定实验结果,得到了传感器的输入输出特性曲线,并得到了传感器的线性度、灵敏度和分辨率等指标。并对标定实验中发现的问题进行了讨论,给出了改进的方法。
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