力值、轉速復合傳感器的設計與研究

艾兆春，劉玉波，安少華，趙輝，石劍

(國防科技工業(yè)2311 二級計量站，黑龍江 哈爾濱150046)

0 引言

多參數(shù)傳感器是一個新興的研究領域，在國防科技工業(yè)以及民用領域應用都十分廣泛，如應用在航空發(fā)動機試車臺上的轉矩轉速傳感器、航空發(fā)動機推力矢量技術測試用多分量力傳感器等。

力值、轉速復合傳感器屬于多參數(shù)傳感器一種，能夠實現(xiàn)力值參數(shù)和轉速參數(shù)的同步校準。它的設計成功可以實現(xiàn)國營某廠自動鉆鉚機綜合參數(shù)(鉆頭壓緊力、鉆頭轉速)的校準，為飛機的裝配、試驗提供了有效的計量技術支持。在民用行業(yè)中，力值、轉速同步校準技術還可廣泛應用于地質勘探、石油開采和機械加工等行業(yè)，通過設計不同的工裝夾具，力值、轉速傳感器就可連接在專用設備上。本文就力值、轉速復合傳感器的設計及研制中的難點問題進行了討論。

1 力值、轉速復合傳感器的設計

1.1 傳感器彈性結構的選擇和接橋方式

彈性體是感受力的主要元件，它是傳感器的重要組成部分，彈性體的結構形式多樣，常用的結構有梁式、環(huán)式、輪輻式和柱式四種，從結構設計上我們選取柱式結構，柱式結構彈性體可以設計在傳感器旋轉軸上，從而實現(xiàn)力值、轉速同步進行測量，而且柱式結構簡單、體積小、堅固耐用、對振動不敏感，抗過載能力和抗沖擊能力都優(yōu)于其它任何結構。彈性體的形狀、各個方向測量的應變計粘貼方式如圖1 所示，應變計粘貼展開圖如圖2 所示，其特點是R1，R3 串聯(lián)，R2，R2 串聯(lián)并置于相對位置的臂上，以減少彎矩的影響。接橋電路如圖3 所示。

圖1 應變計

圖2 應變計粘貼展開圖

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具備這樣的特性，通常選用強度比較高的合金結構鋼。目前國內普遍采用40CrMoNiA 作為各種測力傳感器的材料，這種材料性能穩(wěn)定，價格較低廉，由于有鉻鎳共存，不但具有良好的機械性能，而且由于鉬的存在，可以防止高溫回火時的脆性，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，對鋼在回火過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，比鉻和鎳更提高淬滲性，還能提高鋼的強度和抗蠕變性。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，在鹽浴爐中進行無氧化加熱，淬火溫度選取840 ～860℃，由于40CrMoNiA 淬滲性較好，一般采取油冷，油冷前先進行預冷(空冷)，以減少淬火應力和開裂傾向。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，所以應在最短的時間內進行回火處理，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20#機械油。經回火處理后，彈性體硬度適當，塑性、韌性增加，組織比較穩(wěn)定，殘余應力大大減少，從而使彈性體具有較高的彈性和良好的機械性能。

3)輔助熱處理

40CrMoNiA 的輔助熱處理包括鍛后退火、調質處理和真空回火。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。調質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械性能。調質處理的工藝要求是淬火溫度850℃，油冷，回火溫度650 ～670℃，調質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一步穩(wěn)定組織和去除彈性體組織內部殘余應力和表面應力，回火溫度在400 ℃左右，真空回火后，傳感器的精度和長期穩(wěn)定性將大大提高。

1.4 電阻應變計的選擇

電阻應變計是利用導電材料的應變電阻效應研制成的，它能將彈性體上的應變變化轉換為電阻變化。電阻應變計可分為金屬絲式應變計、金屬箔式應變計和金屬薄膜應變計。金屬絲應變計制作簡單，性能穩(wěn)定，但其應變橫向效應較大。金屬箔式應變計可制成多種復雜形狀尺寸準確的敏感柵，以適應不同的測量要求，而且它還具有橫向效應小、蠕變和機械滯后小、疲勞壽命長、散熱條件好、允許電流大和輸出靈敏度高等優(yōu)點。金屬薄膜應變計是薄膜技術發(fā)展的產物，它的應變靈敏度系數(shù)大，允許電流的密度大，但難于控制電阻、溫度和時間的變化關系。綜合上述分析，我們擬采用金屬箔式應變計。

1.5 能源與信號的傳遞

由于電阻應變計是貼在旋轉軸上，需將應變計輸出的電信號通過旋轉軸傳遞到固定端，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、低轉速的測量，但不適合高速旋轉或振動較大的場合。采用接觸式傳遞其優(yōu)點是信號傳輸質量高，受外界因素影響小，缺點是使用壽命相對非接觸式傳遞短。

非接觸式傳遞是利用傳播無線電波、電磁波或光波進行信號的傳輸。能源的輸入由一組帶間隙的特殊環(huán)型變壓器來承擔。信號的轉換有兩種方法:一種是將應變電橋輸出的微弱電壓信號放大后，經過壓/頻轉換，變成與力應變成正比的頻率信號，再通過特殊環(huán)型變壓器來實現(xiàn)信號的非接觸傳遞;另一種是將應變信號在旋轉軸上經過單片機處理，由A/D 轉換器電路將其轉換成數(shù)字信號后，通過發(fā)射模塊用無線電發(fā)射的方法從旋轉軸上發(fā)射至軸外，再用無線電接收的方法，就可以得到旋轉軸受力的信號，采用非接觸式對能源和信號進行傳遞，具有壽命長等優(yōu)點。缺點是易受外界環(huán)境電磁干擾，穩(wěn)定性較差。無線傳輸系統(tǒng)硬件結構圖如圖4 所示。

1.6 齒盤測速原理

齒盤測速裝置由信號齒盤、磁電式轉速傳感器、信號處理部分以及單片機組成。其中信號齒盤固定在旋轉軸上，并和磁電式轉速傳感器集成在力值、轉速復合傳感器內部，齒盤測速示意圖如圖5 所示。信號齒盤保證了傳感器實現(xiàn)信號采集功能，并將轉速轉換為一個對應頻率的脈沖信號輸出，經過信號處理后輸出到計數(shù)器上，脈沖信號的頻率與轉速是一種線性的正比例關系，因此轉速的測量實質上是對脈沖信號頻率的測量。信號處理電路包含待測信號放大、波形變換、波形整形電路等部分，其中放大器實現(xiàn)對待測信號的放大，降低對待測信號的幅度要求，實現(xiàn)對小信號的測量。處理器部分選用AT89S51 單片機，利用單片機的輸入捕捉功能，可得到相鄰的兩個上升沿的時間差T，即轉速n=2π/T (rad/s)。齒盤測速示意圖如圖5 所示。

圖4 無線傳輸系統(tǒng)硬件結構圖

圖5 齒盤測速示意圖

2 技術難點

2.1 力值、轉速綜合傳感器信號的傳遞

為了實現(xiàn)力值、轉速兩個參數(shù)同步校準，本文設計的力值、轉速綜合傳感器將電阻應變計粘貼在旋轉軸上，這和傳統(tǒng)的傳感器結構有很大的不同，對信號的傳遞輸出也造成了一定困難。這種結構的設計即是一個創(chuàng)新也是一個技術難點，難點主要是電阻應變計輸出信號的傳遞，針對信號的傳遞輸出我們將采取接觸式或非接觸式兩種方式進行信號的傳遞輸出，兩種方式各有其優(yōu)缺點，需從傳感器的使用環(huán)境、使用壽命以及準確度等方面綜合考慮，最后確定信號的傳遞方式。

2.2 測速傳感器與信號齒盤之間最佳位置的確定

齒盤測速裝置設計在傳感器內部，通常情況下信號齒盤越大，測量效果會越好，但這樣做傳感器自身重量會增加很多，現(xiàn)場校準裝配過程中會帶來很多麻煩，所以信號齒盤應盡可能做小但又不能影響測速精度，這對信號齒盤的機械加工提出了更高的要求，測速傳感器和信號齒盤之間的最佳距離也是影響傳感器準確度的重要因素，傳感器在設計過程中需要進行多次試驗，最后確定測速傳感器與信號齒盤之間的最佳位置。

3 結語

力值、轉速復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重大的意義，實現(xiàn)對力值、轉速兩個參數(shù)同步校準，可解決專用設備在線校準難題，為國防科技工業(yè)的武器裝備、科研生產和高新工程建設，提供強有力的計量技術支持和保障服務。同時也可廣泛應用于地質勘探、石油鉆采等民用領域中，具有很好的應用前景。

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