力值、转速复合传感器的设计与研究

艾兆春，刘玉波，安少华，赵辉，石剑

(国防科技工业2311 二级计量站，黑龙江 哈尔滨150046)

0 引言

多参数传感器是一个新兴的研究领域，在国防科技工业以及民用领域应用都十分广泛，如应用在航空发动机试车台上的转矩转速传感器、航空发动机推力矢量技术测试用多分量力传感器等。

力值、转速复合传感器属于多参数传感器一种，能够实现力值参数和转速参数的同步校准。它的设计成功可以实现国营某厂自动钻铆机综合参数(钻头压紧力、钻头转速)的校准，为飞机的装配、试验提供了有效的计量技术支持。在民用行业中，力值、转速同步校准技术还可广泛应用于地质勘探、石油开采和机械加工等行业，通过设计不同的工装夹具，力值、转速传感器就可连接在专用设备上。本文就力值、转速复合传感器的设计及研制中的难点问题进行了讨论。

1 力值、转速复合传感器的设计

1.1 传感器弹性结构的选择和接桥方式

弹性体是感受力的主要元件，它是传感器的重要组成部分，弹性体的结构形式多样，常用的结构有梁式、环式、轮辐式和柱式四种，从结构设计上我们选取柱式结构，柱式结构弹性体可以设计在传感器旋转轴上，从而实现力值、转速同步进行测量，而且柱式结构简单、体积小、坚固耐用、对振动不敏感，抗过载能力和抗冲击能力都优于其它任何结构。弹性体的形状、各个方向测量的应变计粘贴方式如图1 所示，应变计粘贴展开图如图2 所示，其特点是R1，R3 串联，R2，R2 串联并置于相对位置的臂上，以减少弯矩的影响。接桥电路如图3 所示。

图1 应变计

图2 应变计粘贴展开图

图3 接桥电路图

1.2 传感器材料的选择

若想传感器有好的线性，小的蠕变及滞后，那么弹性体本身就应具备这样的特性，通常选用强度比较高的合金结构钢。目前国内普遍采用40CrMoNiA 作为各种测力传感器的材料，这种材料性能稳定，价格较低廉，由于有铬镍共存，不但具有良好的机械性能，而且由于钼的存在，可以防止高温回火时的脆性，具有良好的淬渗性。有研究资料表明，铬在钢中的含量大约为1%时，对钢在回火过程中阻止软化具有一定的作用，钼在钢中的含量大约为1%时，比铬和镍更提高淬渗性，还能提高钢的强度和抗蠕变性。综上所述，我们采用40CrMoNiA 作为感器弹性体的材料。

1.3 传感器热处理工艺

1)淬火处理

为使弹性体在淬火后获得均匀的马氏体组织，在盐浴炉中进行无氧化加热，淬火温度选取840 ～860℃，由于40CrMoNiA 淬渗性较好，一般采取油冷，油冷前先进行预冷(空冷)，以减少淬火应力和开裂倾向。淬火后，弹性体的金相组织均匀马氏体，表面硬度大于HRC52。

2)回火处理

40CrMoNiA 在淬火后，其组织不稳定，所以应在最短的时间内进行回火处理，其回火后的金相组织和硬度也有所不同，回火后金相组织为屈氏体，硬度为40 ～45 HRC，回火温度为(450 ±30)℃，回火介质20#机械油。经回火处理后，弹性体硬度适当，塑性、韧性增加，组织比较稳定，残余应力大大减少，从而使弹性体具有较高的弹性和良好的机械性能。

3)辅助热处理

40CrMoNiA 的辅助热处理包括锻后退火、调质处理和真空回火。锻后退火温度为860℃，加热后缓冷，退火后弹性体组织更加均匀，金属纤维分布连续且流向合理。调质处理安排在粗加工后、精加工前，其目的是改善材料的组织和机械性能。调质处理的工艺要求是淬火温度850℃，油冷，回火温度650 ～670℃，调质后材料的金相组织为粒状索氏体，硬度介于28 ～32 HRC 之间。真空回火的主要目的是进一步稳定组织和去除弹性体组织内部残余应力和表面应力，回火温度在400 ℃左右，真空回火后，传感器的精度和长期稳定性将大大提高。

1.4 电阻应变计的选择

电阻应变计是利用导电材料的应变电阻效应研制成的，它能将弹性体上的应变变化转换为电阻变化。电阻应变计可分为金属丝式应变计、金属箔式应变计和金属薄膜应变计。金属丝应变计制作简单，性能稳定，但其应变横向效应较大。金属箔式应变计可制成多种复杂形状尺寸准确的敏感栅，以适应不同的测量要求，而且它还具有横向效应小、蠕变和机械滞后小、疲劳寿命长、散热条件好、允许电流大和输出灵敏度高等优点。金属薄膜应变计是薄膜技术发展的产物，它的应变灵敏度系数大，允许电流的密度大，但难于控制电阻、温度和时间的变化关系。综合上述分析，我们拟采用金属箔式应变计。

1.5 能源与信号的传递

由于电阻应变计是贴在旋转轴上，需将应变计输出的电信号通过旋转轴传递到固定端，我们拟采用接触式或非接触式两种传递方式。

接触式传递大多采用滑环和电刷等引电装置，它具有成本低、便于安装，适合中、低转速的测量，但不适合高速旋转或振动较大的场合。采用接触式传递其优点是信号传输质量高，受外界因素影响小，缺点是使用寿命相对非接触式传递短。

非接触式传递是利用传播无线电波、电磁波或光波进行信号的传输。能源的输入由一组带间隙的特殊环型变压器来承担。信号的转换有两种方法:一种是将应变电桥输出的微弱电压信号放大后，经过压/频转换，变成与力应变成正比的频率信号，再通过特殊环型变压器来实现信号的非接触传递;另一种是将应变信号在旋转轴上经过单片机处理，由A/D 转换器电路将其转换成数字信号后，通过发射模块用无线电发射的方法从旋转轴上发射至轴外，再用无线电接收的方法，就可以得到旋转轴受力的信号，采用非接触式对能源和信号进行传递，具有寿命长等优点。缺点是易受外界环境电磁干扰，稳定性较差。无线传输系统硬件结构图如图4 所示。

1.6 齿盘测速原理

齿盘测速装置由信号齿盘、磁电式转速传感器、信号处理部分以及单片机组成。其中信号齿盘固定在旋转轴上，并和磁电式转速传感器集成在力值、转速复合传感器内部，齿盘测速示意图如图5 所示。信号齿盘保证了传感器实现信号采集功能，并将转速转换为一个对应频率的脉冲信号输出，经过信号处理后输出到计数器上，脉冲信号的频率与转速是一种线性的正比例关系，因此转速的测量实质上是对脉冲信号频率的测量。信号处理电路包含待测信号放大、波形变换、波形整形电路等部分，其中放大器实现对待测信号的放大，降低对待测信号的幅度要求，实现对小信号的测量。处理器部分选用AT89S51 单片机，利用单片机的输入捕捉功能，可得到相邻的两个上升沿的时间差T，即转速n=2π/T (rad/s)。齿盘测速示意图如图5 所示。

图4 无线传输系统硬件结构图

图5 齿盘测速示意图

2 技术难点

2.1 力值、转速综合传感器信号的传递

为了实现力值、转速两个参数同步校准，本文设计的力值、转速综合传感器将电阻应变计粘贴在旋转轴上，这和传统的传感器结构有很大的不同，对信号的传递输出也造成了一定困难。这种结构的设计即是一个创新也是一个技术难点，难点主要是电阻应变计输出信号的传递，针对信号的传递输出我们将采取接触式或非接触式两种方式进行信号的传递输出，两种方式各有其优缺点，需从传感器的使用环境、使用寿命以及准确度等方面综合考虑，最后确定信号的传递方式。

2.2 测速传感器与信号齿盘之间最佳位置的确定

齿盘测速装置设计在传感器内部，通常情况下信号齿盘越大，测量效果会越好，但这样做传感器自身重量会增加很多，现场校准装配过程中会带来很多麻烦，所以信号齿盘应尽可能做小但又不能影响测速精度，这对信号齿盘的机械加工提出了更高的要求，测速传感器和信号齿盘之间的最佳距离也是影响传感器准确度的重要因素，传感器在设计过程中需要进行多次试验，最后确定测速传感器与信号齿盘之间的最佳位置。

3 结语

力值、转速复合传感器作为多参数传感器的一种，其研制成功具有深远重大的意义，实现对力值、转速两个参数同步校准，可解决专用设备在线校准难题，为国防科技工业的武器装备、科研生产和高新工程建设，提供强有力的计量技术支持和保障服务。同时也可广泛应用于地质勘探、石油钻采等民用领域中，具有很好的应用前景。

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