迟滞误差对应变传感器精度影响的研究.pdf

第 2 8 卷第 4期 2 O O 7年 4月 煤矿机械 Co a l Mi n e Ma c h i n e 1 V0 J ． 2 8 No ． 4 Ap r ．20 07 迟滞误差对应变传感器精度 影晌韵研究 王旭 ，付亚平 呼伦贝尔学院 工程分院，内蒙古 呼伦贝尔 0 2 1 0 0 8 摘要 作为传感器的重要特性参数之一 ， 迟滞性误差的改善直接影响传感器的整体误差， 要 想能够准确控制必须先 了解哪些因素起到 了影响作用。从迟滞性对传感器的精度影响 出发， 分析 了影响传感器迟滞性的因素。 关键词 传感器；迟滞性 ；因素 ；控制 中图分类号 T P 2 1 2 ． 9 文献标志码 A文章编号 1 0 0 3 0 7 9 4 2 0 0 7 0 4 0 1 0 2 0 3 Re s e a r c h o f Ch a n g i ng Ty p e S e n s o r Pr e c i s i o n I n f l u e n c e o f S t r e s s o f S l u g gis h E r r o r W ANG Xu，FU YaP ing H u l u n D u i r I n s t i t u t e o f I n n e r M o n g o l P r o j t B r a n c h ， H u l u n b u i r 021 0 0 8 。 C h i n a Ab s t r a c t As o n e o ft h e i mp o r t a n t c h a r a c t e r i s t i c p a r d me t e rs o ft h e t r a n s d u c e r ，the i mp r o v e me n t o fthe s l u g g i s h e r r o r i n flu e n c e s the wh o l e e r r o r o f the t r a n s d u c e r di r e c t l y，wa n t t o c o n t r o l an d u n d e r s t a n d fi rst wh i c h f a c t o r s p l a y e d t o i nfl u e n c e f u n c t i o n a c c u r a t e l y．I n flu e n c es a n d s e t s o u t f r o m the s l u g g i s h p r e c i s i o n t o the t r a n sdu c e r ， h a s an a l y z e d tha t i nfl u e n c e s the s l u g gi s h f a c t o r o f the t r a n s d u c er ． Ke y wo r d s sen s o r ；s l u g g i s h；f a c t o r ；c o n t r o l 1 迟滞性的定义及意义 随着机电行业的发展 ， 煤矿企业中所用传感器 列通风机当轮毂 比和转数不变 ， 只有 叶栅参数改变 时高效点的分布状况。 表 1 2 K 6 0系列风机高效区的压力系数和流量系数 图 2 2 K 6 0系列通风 机高效点分布 由于图 1 是对大量的高效轴流式通风机进行统 计得到的结果 ， 因此 ， 变形叶栅高效点实际上应位于 图 2中斜 向曲线上及其两侧 的邻近 区域 。若 2 K 6 0 风机的实际运行工况点偏 离最高效率点 ， 则在上述 斜向曲线上选择一个与实际工况最接近的点作为设 计工况 ， 对动叶进行气动力设计。采用上述过程可 将 2 K 6 0风机的高效区从原来位置移到所需位置， 从 而使风机高效区特性与通风网路特性相吻合。 3结语 通过上述的理论分析和计算实例可 以得到以下 结论 1 轴流式通风机在转数和轮毂 比一定 的条件 下其高效率区域的位置并非唯一， 当叶栅参数改变 时， 其高效率区的位置将相应地发生变化， 在流量 一 压头坐标图中， 高效点 的位置分布在一条斜 向线及 其邻近区域上 。 2 若风机的实际运行工况点偏离最高效率点 ， 则在上述斜 向线上选择一个与实际工况最接近的点 作为设计工况 ， 对动叶进行气动力设计 。采用上述 方法可将风机的高效区从原来位置移到所需位置 ， 从而使风机高效区特性 与通风网路特性相吻合 。 3 上述斜 向线上的点对应的压头流量数值可 作为其他新叶栅的设计参数， 进行叶栅设计 ， 从而得 到一系列的变形叶栅 ， 而这些变形叶栅 同样具有优 良的空气动力性能。 参考文献 [ 1 ] 张永键 ， 陈庆光 ． 矿用 2 K 6 0系列风机安全运行的模态分析试验研 究 [ 】 ] ． 山东矿业学 院学 报 ， 1 9 9 9 3 ． [ 2 ] 白铭声 ， 陈东苏 ． 流体机械 [ M] ． 北京 煤炭工业 出版社 ， 1 9 8 6． 、[ 3 ] 调频叶片设计上的应用 [ J ] ． 动力工程， 2 0 0 3 ． 作者 筒介 王维 1 9 7 1一 ， 山东 蒙阴人 ， 硕 士 ， 高工 ， 现为协 庄 矿机电矿长 ， 主要从事机电技术管理 工作 ， 电话 0 5 3 8 7 8 3 4 3 4 8 ， 电子 信箱 w j z 9 8 1 1 0 5 s i n a ． c o in ． 一 1 0 2一 收稿 日期 2 0 0 6 - 1 2 ． 2 4 7 一 一 ● ● 0 O 一 哺 一 ● 0 O 5 一 珧 一 ● m 一 4 一 一 謇 } 拐 一 ● 一 硒 螂 艟 蕊 一 ● 0 O 2 一 劢 们 獬 一 ● 0 0 0 一 。 一 脚 船 鹇 一 维普资讯 箜 墨 鲞箜 塑 差 变佳壁登精度影响的研究王 旭， 等 V o 1 ． 2 8 N 0 ． 4 图 1 迟滞性误 差图示 迟滞误差的大小一般 由实验方法确定。 迟滞误差 1 H 去 1 0 0 ％ 二 J f s 式 中△一最大输 出差值 ； y 满量程输 出。 迟滞误差也 叫回程误差。但在表示方法上 ， 回 程误差常用绝对值表示。 用图 1 的图形为模 型介绍一下迟滞性的定义 横轴为载荷 ， 纵轴为灵敏度输 出， 在测试传感器的输 出特性 时一般将额定载荷至少等分成 5份， 从 0到 1 0 0 ％逐级加载并读取相应的输出值 ， 将各个读数点 连成光滑 曲线 ， 称之为加载曲线 ， 也叫进程 曲线 ， 如 图中粗实线。从 1 0 0 ％到 0逐级减载 ， 并读取相应数 据 ， 将各组数据连成光滑 曲线 ， 称之为减载 曲线 ， 也 叫回程曲线 ， 如图中粗虚线。减 载曲线与加载曲线 之间的最大误差称之为迟滞性误差。 迟滞性误差反映的是传感器精度的主要指标之 一 ，误差的大小直接影响计量精度 ， 所以在传感器生 产过程中必须严格控制影响迟滞性的各种因素。同 时也要保证在安装传感器的不同条件下尽量避免影 响迟滞性 的因素存在 。 2 影响迟滞性的因素分析 应变式传感器产生迟滞性觋象 的原 因除机械部 分存在不可避免的缺陷如轴承磨损 、 问隙 、 紧固件松 动、 材料内摩擦、 积尘以及应变片的老化等外， 还有 以下几种因素 2 ． 1 传感器材料 1 弹性体任何一种金属材料 ， 因为其 内部组 织结构关系的复杂性 ， 受到外力加压后在微小晶粒 之间产生微应变 ， 在外力消失后 ， 微应变随之消失 ， 但是在能否恢 复到原始状态方面 ， 不同的材料则有 完全不一样的表现。在图 1 中， 可以看到加载过程中 的应变曲线 ￡ ． 与卸载过程中的应变曲线 ￡ 不重合。 差值的大小主要取决于材料本身成分的稳定性 、 均匀 性 、 热处理后的金相组织等。作为称重传感器的关键 元件一 弹性体对此要求则更为明显， 可以通过不 同的 热处理方式提高弹性极限， 以减少迟滞性。 目前 国内 市场上常用的材料为 4 0 C r N i M o ， 该种材料经过合理的 热处理能取得理想的综合机械性能。 2 敏感元件应变式传感器的敏感元件是应 变片 ， 金属应变片的典 型结构为敏感栅 、 基底 ， 被覆 层和引线组成 。在传感器的应用 中， 通过敏感栅 的 电阻应变效应 ， 将弹性体的应变转变为阻值变化， 根 据材料本身存在 的迟滞性来 看， 应变片本身也存在 迟滞性 。目前世界上著名的应变计厂在制造应变计 时充分考虑了迟滞性的 自补偿 ， 使其在传感器 的应 用 中的影响量减到最小。所以在选择应变计时要考 虑到这种因素。 3 密封胶质量与厚度 应变式传感器在生产 过程中要使用大量 的密封胶 ， 主要作用为固定线路 和密封 。从表面上看 ， 一般在胶固化后是比较软的， 相对弹性体的强度几乎可以忽略不计 。但是对小量 程产品 ， 必须要加以考虑 。小量程的产品 ， 变形区相 对薄弱 ， 密封胶厚度的影响程度明显增加。 胶层厚度一定时 ， 迟滞性与量程的变化关系 Y Ke X a 式中 卜传感器的迟滞性 ； K 密封胶完全固化后 的迟滞性 ； 传感器的额定载荷 。 量程一定时 ， 迟滞性与胶层厚度的变化关系 YK 1 一e - X h 式 中 密封胶 的厚度 。 不 同品质的胶也有不同的表现 ， 如果胶 的硬度 随着时间的增加胶层的硬度也发生变化 ， 则产 品的 迟滞性也会随之变化 。所 以在选用密封胶时一定选 择 固化后胶质稳定的胶。 2 ． 2 安装条件 应变式传感器 目前广泛 应用 于称重和测力领 域 ， 一是作为敏感元件 ， 直接用于被测试件的应变测 量 ； 二是作为转换元件 ， 通过弹性 元件构成传感器 ， 用以任何能转换成弹性元件变形的其他物理量进行 测量。因用途不同， 其结构形式和安装条件也不同 ， 安装条件 ， 一方面是指传感器在安装特殊配件 如桥 式传感器的底座 的边界条件 。如表面状况， 安装扭 1 03 维普资讯 墨 造送差 廑童 壁鲞 廑 究二 旭， 等 第2 8 卷第4 期 力等是最大的影响因素， 另一方面是指传感器在使 用现场的安装条件 ， 根据与不 同应用的客户研究分 析 ， 其中一些 因素如表面状况 、 接触面积 、 安装扭力 、 螺栓强度 、 承载面硬度等均会影响传感器的迟滞性。 进而影响传感器的测试精度。下面以称重传感器为 例进行分析 。 1 表面状况 是 指秤 台与传感器 的接触面的 质量， 如粗糙度 ， 平行度等。表面过于粗糙， 在长时间 使用时会使紧固螺栓松动并影响性能。如果平行度 偏大， 加载后会使传感器产生不必要 的分力， 直接影 响产品精度， 同时也无法体现传感器的真实精度。有 的企业为了降低成本直接将一定厚度的钢板裁成合 适的尺寸焊接到秤 台上， 不经过任何加工处理， 使用 初期不会有问题 ， 随着时间的延长精度会越来越差。 2 接触面积 是指传感器与秤 台固定 的接触 面积。不 同型号的产品 ， 由于结构和工艺 的不同， 接 触面的大小也是有些差 别， 所以在传感器 的安装过 程中必须加以确定 。 3 安装扭力 传感器 的安装扭力对迟滞性有 一 定的影响。在接触面一定的条件下 ， 安装扭 力越 大 ， 迟滞性越小。安装扭 力的影响规律对不同结构 的产品是不一样的。例如悬臂梁式传感 器， 安装扭 力在 1 0 0 N m时， 能得到最佳的迟滞性 。扭力过大或 过小 ， 迟滞性都会变差。 4 螺栓强度 螺栓 的强度影响与安装扭力是 一 样 的， 如果强度不足 ， 在产品安装使用一段时间之 后 ， 锁紧力则会变松 ， 进而影响精度。 5 安装面硬度 以悬臂梁传感器来说明， 因其 固定端的接触面较小 ， 如果硬度过低， 则在使用过程 中随使用次数的增加 ， 受力 支点则会移动 ， 如图 2 ， 受力支点从 0点移 到 b ’ 点 ， 则精度会有不同程度 的 变 化 。 图 2 安装 面硬 度对传感器的影响 2 ． 3工作 面强度 的 影响 以平 台秤为例 ， 一般采用悬臂梁称重传感 器 4 只， 安装在 4 个角上， 如图 3 a 所示 。 图 3 工作面强度对传感 器影响 侧视简图及受力模型如图3 b 所示， 当称台台 面强度较 大 ， 在 外载 的作 用下不变 形时 ， 即如 图 3 c 的理想情况 ， 这样传感器能够真实反映被测物的 重量。如果秤台承重面 的的强度不足 ， 就会导致秤 台中心凹陷， 如 图 3 d ， 这种结果会导致传感器 受 侧向力的影响。而且侧向力 的大小随被测物的重量 增加而增加 ， 但其增加的幅度却是非线性关系， 以图 3 d 为模型简化受力， 可 以用式 1 估算 出传感器的 受力与载荷的关系， 传感器荷重端受力 FG ／ 2 c o s口 1 式中a 秤 台受力与变形角度 。 从式 1 看出 ， 如果秤 台强度足够强 ， 可 以忽略 秤台变形， 即 a 0 ， C O S a1 ， 故 FG ／ 2 ， 如果秤台 的强度越差 ， a角度随载荷增 加而变大 ， 从而使 F 与 G的非线性度越差。 在实际应用过程 中， 安装地脚有 固定式地脚和 活动式地脚 2种。固定式地脚 的结构由螺杆 、 底座 和减振橡胶组成。活动式地脚由螺杆 、 钢球 、 底座和 防滑垫组成。活动式地脚 由于结 构上 的原 因， 不存 在侧向力的影响。如果平台秤 的安装地脚为固定式 地脚， 其受力结构还要考虑地脚倾斜后支点变化的 影响。如果采用活动地脚 ， 则可以减少 因地脚变形 而带来的负面影响。 2 ． 4灰 尘和 水的 影响 这 2种因素在保养条件 比较好的条件下不会产 生影响， 但是在室外使用的传感器， 如汽车衡， 轨道 衡等用的传感 器要特别注意。长时间会沉积在裸露 的传感器表面及配件 ， 传感器表面或配 件间隙的灰 尘会硬化 ， 使原本活动的部分变成 固定式的， 则传感 器的线性和迟滞性明显变差。另一方面单从水或潮 气讲， 主要是腐蚀传感器表面， 使接触点产生变化， 特别是含有配件 的产 品， 生锈后会使配件与传感器 “ 锈死” 在一起 ， 而影响迟滞性 。 针对灰尘的影响 ， 有经验的厂商会采用适 当的防 护措施， 如增加密封罩 ， 表面涂适量的黄油等保护。 3 结语 应变式传感器是 目前应用较广的一种类型传感 器 ， 以其测量范围广 、 性能稳定 、 频率响应特性好等优 点而备受各行业的青睐。但使用中由于迟滞误差， 使 传感器的使用精度受到一定影响。在传感器生产或 使用上 ， 如果从以上所分析的几点加 以注意 ， 对应变 式传感器精度提高和使用发展具有深远的意义。 作者简介王旭 1 9 6 7 一 ， 黑龙江兰西县 人， 高级工 程师， 1 9 8 9年 毕业于吉林工业大学机械设计与制造专业 ， 1 9 8 9年 ～1 9 9 9年在黑龙江 省农垦科学院工作 ， 一直从事机械产品测试和科研工作 ， 2 O 0 0年 ～ 2 O 0 3 年应聘于约翰 迪尔公司产品开发部 ， 从事新产品开发和设计工作， 现 就职于内蒙古呼伦 贝尔学院， 于 2 O 0 4年考入东北农业大学电气化专业 工程硕士 ， 目前在职攻读 ， 在省级及国家级核心刊物 上发表论 文 3 o余 篇 ， 电话 0 4 7 0 8 8 0 2 8 8 0 ， 电子信箱 w a r tg x u 1 9 6 7 s o h u ． c o la ． 一 1 0 4一 收稿 日期 2 0 0 6 - 0 9 ． 2 1 维普资讯