电阻应变式测力传感器的设计与性能研究

陈双健

(公主岭市农业机械化学校，吉林 公主岭 136100)

0 引言

农业机械水平是现代化农业发展的重要标志，是改善农户生活水平和提高农业生产效率的重要保障，因此，不断提高我国农业机械化水平，是推动农业可持续发展、发展我国农业基础地位及建设现代化农业的重要内容之一。

农业机械是改善农业生产方式的重要保障，农业机械田间运行的稳定性、安全性与可靠性直接影响农业生产效率。随着农业机械的快速发展，农业机械的生产、制造正在向智能化方向发展，在农业机械使用过程中，利用各项传感器对关键部件的力学性能、疲劳寿命及工作状态进行实时监测是保证农业生产稳定开展的必要条件，因此，亟需大规模发展与应用传感器技术。

农业机械生产环境较为恶劣，且由于农业机械生产水平良莠不齐，因此，农业机械使用安全隐患日益突出。为了提高农业机械使用寿命，需要提高农业机械原材料的耐磨性、耐腐蚀性和耐磨损性等，在农业机械工作过程中需要配备相应的检测元件实现关键工作部件过程参数的实时控制，为了保证农业机械田间工作的稳定性、安全性与可靠性需求，需要使用较高精度的传感器对农业机械关键部件进行受力及疲劳监测，避免农业机械生产过程中受力过载或者偏载[1-3]。目前，国际先进的传感器技术一直为国外所垄断(国际上主要有两家公司：①采用电阻应变片式原理技术的加拿大KELK公司；②采用压磁技术的瑞典ABB公司)[4]。

为了打破国外企业对传感器技术和制造工艺的垄断，研制出低成本、高品质的自主产品，本研究在长期技术积累和完善的制造检测装备支持下，创新设计一种“电阻应变式测力传感器”。通过企业自主立项，成立技术攻关小组并投入大量资金，联合大连理工大学、上海交通大学、鞍钢设计院、辽宁科技大学等科研院所及高校，开展了国产农业机械电阻应变式测力传感器研究，通过田间试验验证其使用性能与推广价值。研究结果对于完善我国传感器研发体系提供参考，对于构建农业机械高水平的制造装备和产品检测设备提供基础条件。

1 电阻应变式测力传感器的设计

1.1 结构设计

电阻应变式测力传感器的外形分为盘形、环形、矩形三种，高度一般≤100 mm。电阻应变式传感器主要是指在弹性体上贴粘应变片，弹性体、应变片贴在内表面(图1)。为了提高传感器性能，本研究设计的传感器应变片贴在弹性体受力中心处(几何形心上)，示图处(非表面)，可以提高传感器的密封性、抗偏载能力，并且可以减少偏载误差及端面效应，提高传感器精度。

图1 传感器基本结构

传感器内部电路图如图2所示，R1、R2、R3、R4分别为应变片电阻，E为电源电压，U为电桥输出电压，A、B、C、D分别为线路节点。

图2 传感器应变片电路结构示意图

1.2 工作原理

传感器承载方式为上下平面均布受载，通过安装在传感器上下面的均压块，载荷分布板将压力均布地加载在传感器的上下面，使粘贴在弹性体上的补偿片板产生变形，应变电桥电路阻抗改变，输出与重量数值成比例的电信号，经与显示仪表或计算机、打印机连接，仪表可同时把重量信号输给计算机、打印机等设备，组成测力监控、称重管理系统，可以对机械部件的轴向力和弯曲角度进行电信号采集与传输，信号处理示意图如图3所示。

图3 传感器电信号处理示意图

1.3 基本参数及技术指标

基本技术参数如表1所示。

表1 技术参数指标

2 电阻应变式测力传感器关键技术及生产工艺

2.1 关键技术

2.1.1 组合单体传感器

电阻应变式测力传感器要求过载强、耐冲击、使用频率高等[5]，外形为圆形、盘形、矩形三种。设计了一种组合单体传感器，在一个弹性体最多作60个测力敏感点，使传感器提高精度与可靠性，耐过载。

2.1.2 模具贴片

电阻应变式测力传感器贴片工艺复杂，本研究设计一种专用模具进行贴片，应变片贴在弹性体受力中心上(几何形心上)。由于国家检测设备最大为2 000 t，自行研制了10 000 t检测设备，确保传感器质量；采用无应力集中的弹性不锈钢带和控温氩弧焊接的密封技术，确保了传感器的寿命。

2.1.3 弹性体材料

弹性体的材料选用稀钍高强度合金，强度好，弹性好[6]。弹性体设有多组应变孔，每个应变孔内粘贴有应变片，应变片贴在弹性体受力中心上(几何形心上)，可减少偏载误差及端面效应。应用组合方式，将24～112点合为一台传感器。传感器敏感元件均采用自行研制的特种超薄高温线路板组成，专用设备粘贴。

2.2 生产工艺

根据设计图纸确定机械加工的工艺路线，编制工艺卡片等技术文件；生产部门按工艺路线、工艺卡片等文件组织生产；然后组装、检查、验收、使用，主要生产工艺如图3所示。

图3 生产工艺流程图

3 性能测试与试验研究

该产品于2009年开始研制，制作检测设备，2011年制作样机，在企业内部进行全面检测，对检查出的缺陷进行认真处理。经一年多的生产验证，本设备生产质量稳定，达到设计指标要求，成品率为100%。

3.1 测试步骤

对农业机械生产使用钢材工艺的静态特性测试主要包括以下几个步骤：

1)将传感器测量范围划分为若干个等距点，选择≥5个以上的测试点。

2)由小到大逐渐增加压力值，并记录传感器输出的数值。

3)将压力值从大到小逐渐降低，同时记录传感器输出数值。

4)重复步骤2)和3)。

5)根据测试数据计算本研究设计的电阻应变式测力传感器的线性度、滞后性、重复性和蠕变等静态指标。

3.2 测试指标

1)线性度。线性度主要是反映传感器的实际输入、输出曲线与据此拟合的理想直线之间的偏离程度。

2)重复性。重复性主要代表传感器在输入量按同一方向做全两次连续多变所得的特性曲线的不一致程度；

3)滞后。表明传感器的正向和反向输入时，在输出特性上的不一致程度。

3.3 测试结果分析

本研究设计的传感器量程可以达到1 700 T，经中国计量科学研究院检测校准，主要参数均符合中华人民共和国国家计量检定规程JJG391—2009《力传感器》的规定。结果表明，本研究提出的电阻应变式测力传感器相关性能指标为线性度≤1%FS、重复性≤0.3%FS、滞后≤0.4%FS，满足实际使用需求，达到预期设计效果。

3.4 经济效益及社会效益分析

3.4.1 经济效益

本研究设计的变式力传感器生产效益分析表2、表3所示。结果表明，本研究设计的力传感器具有较好的生产效益与市场应用前景。

表2 经济效益分析

表3 预期产量及经济效益

3.4.2 社会效益

电阻应变式测力传感器的创新与研发可以减少对国外产品的依赖，减少进口费用，其次，本研究设计的产品的国产化，打破了少数国外公司对该重要产品技术的垄断，非常有利于我国制造业的独立性发展，最后，有利于我国农业机械生产企业对电阻应变式测力传感器的维护维修。

4 结论与展望

4.1 结论

在进行农业机械生产中，对农业机械关键部件进行力学监测与疲劳诊断是保证农业机械工作可靠性与稳定性的重要保证，在使用过程中需要配备相应的力学传感器实现过程参数的实时控制。但是目前我国相关传感器主要依靠国外进口。针对以上问题，本研究提出一种电阻应变式测力传感器，可以实现替代进口，填补国内空白，随着电阻应变式测力传感器国产化与批量化制造，可以打破少数国外公司对该重要产品技术的垄断，测试结果表明本研究提出的电阻应变式测力传感器相关性能指标为线性度≤1%FS、重复性≤0.3%FS、滞后≤0.4%FS，满足实际使用需求，达到预期设计效果，对于降低制造业生产业成本，提高企业市场竞争力具有重要意义。

4.2 展望

目前，我国尚未制定电阻应变式测力传感器的产品标准，在制造业生产的传统意识中，仍然存在国外产品质量最好的观念，因此，改变产业的生产观念还需要一段时间，未来应该聘请专业技术人员、引进人才作为生产技术顾问，努力提高现有技术人员的素质，尽快建立产品进入国外市场的通道，提高本产品的技术水平，尽快将此技术推向国际市场。

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