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　　摘要:針對用于測試旋轉型行波超聲電機工作狀態下定子轉子摩擦力/力矩的特殊要求 ,并利用有限元法對傳感器進行了結構優化 ,設計了組合式二維傳感器 ,該傳感器的一維測量法向正壓力;另一維測量扭矩。法向力的量程為0～200 N ,準確度為0.09% ;扭矩的量程為0～2N·m , 準確度為0.41 %。 滿足了試驗要求。

　　關鍵詞:力傳感器;扭矩;超聲電機;測量;有限元法

　　0　引　言

　　超聲電機是一種基于壓電陶瓷逆壓電效應和超聲振動的新型電機。目前,超聲電機已廣泛應用于照相機及攝像機的自動調焦系統 ,在精密儀器以及航空航天領域也有許多應用。 超聲電機是通過摩擦驅動的,其定子、轉子摩擦系數和適當的預壓力對其輸出扭矩和使用壽命有直接影響,因此 ,準確的扭矩和法向力 ( 預壓力 ) 的測量顯得格外重要 ,這就需要研制專用的力傳感器對其進行準確測量 。

　　本文針對試驗要求設計了一種力傳感器 ,它可以測量最大量程為2 N·m的扭矩 , 分辨力達到0.002Nm , 同時,可以測量最大量程為 200 N 的法向力 ,分辨力達到0.2N。

　　1　結構設計

　　彈性體設計是力/力矩傳感器設計的關鍵 。在保證一定剛度的前提下 ,應盡量提高彈性體的靈敏度。試驗要求法向力和扭矩獨立測量 ,為了將維間耦合影響盡量減少,分別設計了測量扭矩的彈性體和測量法向力的彈性體 。

　　1.1扭矩彈性體設計

　　通常的薄壁圓筒型彈性體雖然有較好的剛度 , 但其測量小量程扭矩的靈敏度較低。本文采用的是一板兩桿式結構,如圖1所示。這樣,可以把扭矩的測量轉換為彎矩的測量 ,從而可以獲得較大的應變。同時,這種結構也減少了在豎直方向上力對其主應變的影響,維間耦合小 。

　　圖1測扭矩的彈性體示意圖

　　彈性體中的一板兩桿是整個扭矩彈性體的設計核心 。原則是保證足夠的軸向剛度的前提下 ,又能獲得大的測量范圍和高的測量準確度 ,即在測量范圍內 ,保證測量準確度的前提下有良好的線性度 。

　　首先 ,可以利用材料力學理論對彈性體進行簡化分析 。當彈性體受到扭力矩 M 后 , 一板兩桿彎曲 , 這時 , 可以將一板簡化為兩桿 , 這樣 , 每根桿端的受力為M/4R,彎矩為 m , 可以通過材料力學中解超靜定桿的方法 , 并利用桿件左端的轉角等于零的條件 , 求解出桿端的彎矩為

　　式中 M 為施加的扭矩, Nm; R為彈性體半徑,m; l為桿長 , m; m 為彎矩 , N · m。
粘貼電阻應變計處的應變為

　　式中a為粘貼應變計處與桿端的距離 , m; E 為材料的彈性模量, M Pa ; W 為桿件的截面參數 , m3; δ 為桿件的厚度 ,m; h為桿件的高度, m。

　　同時 , 利用有限元軟件, 對彈性元件的扭矩M 、不同結構參數、應力之間線性關系進行了仿真分析和優化 ,其應力分布圖如圖2所示。

　　圖 2　 扭矩彈性體應力分布圖

　　最終確定參數:彈性體半徑R =0.01 m , 桿件高度 h =0.002m ,桿件厚度 δ= 0.005m , 桿件長度 L=0.03m。 材料為硬鋁合金 ,在應變最大處的對稱地粘貼兩對電阻應變計,組成惠斯登電橋 。

　　1.2 法向力彈性體設計

　　商業化的一維力傳感器一般不僅對所測方向靈敏度較高 ,而對其他方向的力也敏感 ,即其他方向的力和力矩對其主應變也有影響 。 而這一點應該盡量避免 ,日本學者 KoyuAbe
提出了一種H型結構的平行梁結構,很好地解決了這個問題 。

　　本文中,法向力的測量采用與其類似的雙孔平行梁式彈性體。這種結構也利用了應力集中, 在不減弱彈性體剛度的條件下,同樣可以測得較大應變。同時,消除了測力的位置改變對法向力測量的影響 ,符合試驗的要求。彈性體設計中 ,也利用有限元法對其進行了仿真分析和優化 ,其應力分布如圖 3所示 。

　　圖 3　 法向力彈性體應力分布圖

　　2 　 檢測電路

　　檢測電路利用 8個應變計組成兩組惠斯登電橋 , 將彈性體的形變轉換成應變計的電壓信號輸出 。 電橋的輸出電壓信號后接電壓放大電路 , 然后 , 由 200k/s速率的數據采集卡將放大后的電壓信號讀入計算機 , 最終 , 利labvi ew軟件編程得到數值 ,如圖4所示。

　　圖 4　 檢測電路示意圖

　　3 　 傳感器的標定

　　扭矩傳感器標定如圖 5 所示 ,所施加力的方向平行于所貼電阻應變計的平面 ,這樣 ,電阻應變計測量的應變就是純扭矩所產生的。經過多次加載試驗測試 , 獲得結果如圖6和表1所示 。

 
　　在圖 6中 ,利用最小二乘法對數據進行了擬合 ,數據曲線上面的擬合公式為加載擬合公式 , 下面擬合公式為減載擬合公式 。

　　同時 ,對傳感器的維間耦合也作了測試 。當扭矩彈性體受到200N法向力(即圖5中Z向 ) 的作用時 , 耦合影響小于0.084 %。 當法向力彈性體受到2N·m 扭矩的作用時 ,耦合影響小于0.13 %。另外,當扭矩彈性體分別受到圖5中 X 方向和Y方向各50N力, 耦合影響分別小于0.9 %和0.6 % ,這一方面表明了扭矩傳感器對空間3個方向上的力不敏感 ,另一方面 ,也證明了圖 5 的扭矩加載方法
的可靠 。

　　4　結　論

　　通過用材料力學理論對傳感器進行設計 , 用有限元方法進行分析 ,試驗方法進行驗證 , 得出這種力/力矩傳感器的性能是可靠的 ,它不但能夠消除微小扭桿在測量過程中的不對稱加載、附加彎矩 、 摩擦力等的影響 ,同時 ,還獲得了在 0～2 N · m 作用范圍內的 0 . 002 N ·m 的分辨力 ,滿足了超聲電機的摩擦力/力矩的測量要求 。
　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　（作者：沈輝,吉愛紅,顏化冰,黃衛清,戴振東）