基于力传感器的粘性力与弹性力测试技术的研究及应用

摘要

测试和测量技术在现代工业发展中占有举足轻重的地位。非电物理量的测试与控制技术已经覆盖并渗透到国防和民用工业的方方面面，如航空航天、交通运输、轻工化工、机械制造以及生物医药等等。测试技术与自动控制技术水平的高低已成为衡量科学技术现代化程度的重要标志。力特性是评定材料性质、考察机械元件性能以及校核结构强度的关键指标，是材料和元件在生产应用中的首要环节，因此较之其他测试技术，力测试技术具有更为直接的应用价值和研究意义。本论文以基于力传感器的印刷油墨粘性测试仪和液压张紧器性能测试系统作为典型实施案例，对粘性力与弹性力测试技术进行了负载特性建模、测试方程推导、相关试验研究以及测试系统研制。
　　 针对印刷油墨粘性测试技术，获得了粘性测试方程，分析了各结构和流变参数对粘性测试值的影响，并获得粘性力与辊筒转速呈线性，与油墨温度呈指数关系的重要结论，试验研究与理论分析基本吻合，基于前述研究成果，研制了基于力传感器的印刷油墨粘性测试仪，提高了传统粘性测试仪测量精度、温控精度以及自动化程度，并对系统进行了误差研究；针对液压张紧器性能测试技术，分别推导了某型液压张紧器的启动张紧力和工作张紧力方程，方程描述了弹簧力和液压力对输出张紧力的影响方式，然后分析了张紧器在止回工况下回退位移的形成过程，基于前述研究成果，研制了基于力传感器的液压张紧器性能测试系统，解决了传统直线机构在定位加载时具有偏心力矩、电机过载以及顶杆失稳的问题，试验研究与理论分析基本吻合。
　　 有关各章节内容分述如下：
　　 第1章，在综合分析国内外文献的基础上，介绍了力测试技术的发展、类型与机电一体化特征。从测试对象负载特征角度给出了粘性力与弹性力测试技术的分类基础，并以印刷油墨粘性仪和液压张紧器性能测试系统为典型应用，分别介绍了粘性力与弹性力测试技术的研究现状。介绍了三类主要测力传感器的原理、应用与研究现状。最后，概括了本论文的研究意义与研究内容。
　　 第2章，介绍了印刷油墨的组成及其流变学特性；分析了油墨的粘度和粘性模型，并对油墨在印刷过程中的一些现象进行了解释；介绍了粘性测试方法的相关标准；详细推导了基于Reed式粘性检测结构的动力学过程，运用粘度和粘性模型分别对油墨辊间压延流动和拉伸流动进行建模，并采用Matlab进行计算分析，最终获得粘性测试方程，讨论了各结构和流变参数对粘性力的影响；设计并搭建了粘性试验系统，完成了转速-粘性力、温度-粘性力和粘性增值等相关试验；基于粘性试验系统和国家标准，研制了基于力传感器的印刷油墨粘性测试仪，对其关键模块进行了设计和选型说明；最后对油墨粘性测试技术中的误差进行了理论和试验研究。
　　 第3章，介绍了液压张紧器的主要功能和应用背景；分析了无需外部供油和需外部供油两类液压张紧器的典型结构；以某型号锯齿型液压张紧器为研究对象，介绍了其工作原理，并详细推导了其张紧过程和止回过程的数学模型，介绍了液压张紧器性能测试内容；基于数学模型的研究结论以及张紧器性能测试方法，研制了基于力传感器的液压张紧器性能测试系统，对其关键模块进行了设计和选型，特别设计了一种新型直线定位加载机构，实现了直线机构的定位与加载；最后，基于该系统完成了该型锯齿型液压张紧器张紧与止回性能的试验研究。
　　 第4章，对主要研究工作和得到的成果进行了概括，并展望了下一步的研究工作和方向。

目录

文摘

英文文摘

致谢

1 绪论

1.1 研究背景

1.1.1 力测试技术的发展

1.1.2 力测试技术的类型

1.1.3 力测试技术的机电一体化特征

1.2 粘性力测试技术的应用及研究现状

1.2.1 典型应用-印刷油墨粘性测试仪

1.2.2 印刷油墨粘性测试仪的研究现状

1.3 弹性力测试技术的应用及研究现状

1.3.1 典型应用-液压张紧器性能测试系统

1.3.2 液压张紧器性能测试系统的研究现状

1.4 主要测力传感器的原理及研究现状

1.4.1 基于弹性元件应变和应变片的测力传感器

1.4.2 基于弹性元件形变和微位移传感器的测力传感器

1.4.3 基于压电效应和压磁效应的测力传感器

1.5 课题的研究意义与研究内容

1.5.1 研究意义

1.5.2 研究内容

1.6 小结

2 印刷油墨粘性测试技术的理论分析与试验研究

2.1 印刷油墨概述

2.1.1 分散体系

2.1.2 油墨的组成

2.2 印刷油墨的流变学特性

2.2.1 粘度模型

2.2.2 粘性模型

2.2.3 粘性测试方法

2.3 Reed式粘性检测结构的动力学方程

2.3.1 压延流动

2.3.2 拉伸流动

2.3.3 粘性测试方程

2.4 印刷油墨粘性测试的试验研究

2.4.1 试验内容

2.4.2 试验系统

2.4.3 转速-粘性力试验

2.4.4 温度-粘性力试验

2.4.5 粘性增值

2.5 基于力传感器的印刷油墨粘性测试仪

2.5.1 系统结构组成

2.5.2 系统主要模块

2.5.3 系统初始化标定

2.5.4 系统测试流程

2.6 印刷油墨粘性测试仪的误差研究

2.6.1 测试过程中的多余力

2.6.2 误差来源

2.6.3 试验研究

2.7 小结

3 液压张紧器性能测试技术的理论分析与试验研究

3.1 液压张紧器概述

3.1.1 液压张紧器的张紧与止回过程

3.1.2 无需外部供油的液压张紧器

3.1.3 需外部供油的液压张紧器

3.2 锯齿型液压张紧器的建模分析

3.2.1 工作原理

3.2.2 张紧过程的数学模型

3.2.3 止回过程的数学模型

3.2.4 液压张紧器性能测试方法

3.3 基于力传感器的液压张紧器性能测试系统

3.3.1 系统结构组成

3.3.2 系统主要模块

3.3.3 控制方案与系统误差

3.3.4 系统测试流程

3.4 液压张紧器张紧与止回性能的试验研究

3.4.1 试验内容

3.4.2 张紧性能试验

3.4.3 止回性能试验

3.5 小结

4 总结与展望

4.1 总结

4.2 展望

参考文献

附录 设备照片

作者简历