一种锻锤打击力能检测一体结构的应变式加速度传感器

摘要

本发明公开了一种锻锤打击力能检测一体结构的应变式加速度传感器，包括底座、薄壁弹性体、质量块，还包括有粘贴于薄壁弹性体外表面的应变片，粘贴于底座上表面的焊盘，通过螺杆将传感器底座中心孔的螺孔与被测锤头连接紧固，质量块受到加速度作用时将力传给薄壁筒形弹性体，从而引起弹性体产生弹性变形，使粘贴在薄壁弹性体外表面的应变片产生变形、引起阻值变化，通过焊接与焊盘且固定于底座侧面的穿线孔穿过的引出线将信号输出，所述信号线穿过信号线固定槽并用胶水粘接牢固，所述薄壁弹性体的材质为TC4合金。本发明具有结构简单、疲劳寿命长、抗过载能力强的特点，用于长期在线检测锻锤的打击力能。

说明书

技术领域

本发明涉及一种加速度传感器，具体地说，涉及一种锻锤打击力能检测一体结构的应变式加速度传感器。

背景技术

锻锤是利用锤头与砧座之间的撞击能量对金属进行压力变形，因而产生很大的冲击力，它具有操作简单、通用性强、工艺性好等特点，是一种重要的锻压设备。锻锤打击锻件时，落下部分的能量除一部分使锻件产生塑形变形外，还有相当一部分消耗于锤头的弹跳、砧座的振动和机架的弹性变形。锻锤在工作过程中的打击能量和打击力不能准确获知，锻件的变形能也无从确知，对于现场锤击轻重的指导、设备和模具的安全运行等无法提供实时参考，因此，准确检测打击力能，不仅关系到锻锤能量的有效利用，同时也影响着模具寿命、锻件质量和生产率等技术经济问题。

通过检测锻锤打击过程的加速度，再经过相应的数据处理就可以得到锤击过程的力能，因此传感器是其中的关键。检测锻锤打击时的加速度是获得打击力能的有效手段，由于市场上商品化的加速度传感器普遍存在抗过载能力差、寿命短而不能满足长期在线检测，因此需设计一种耐疲劳、长寿命的加速度传感器。

发明内容

本发明的目的在于克服上述技术存在的结构复杂、疲劳寿命短、抗过载能力差的缺陷，提供一种锻锤打击力能检测一体结构的应变式加速度传感器。

其具体技术方案为：

一种锻锤打击力能检测一体结构的应变式加速度传感器，包括底座3、薄壁弹性体2、质量块1，还包括有粘贴于薄壁弹性体2外表面的全桥方式连接的四片应变片4，粘贴于底座3上表面的焊盘5，使用时通过螺杆将传感器底座3中心孔的螺孔与被测锤头连接紧固，质量块1受到加速度作用时将力传给薄壁筒形弹性体2，从而引起弹性体产生弹性变形，使粘贴在薄壁弹性体2外表面的应变片4产生变形、引起阻值变化，分别将对应的应变片4的引线与焊盘5和固定于底座3侧面的从信号线固定槽7穿过的信号线6焊接起来，以输出测量信号，所述信号线6穿过信号线固定槽7并用胶水粘接牢固，所述包括薄壁弹性体2的一体结构材质为TC4合金。

优选地，所述加速度传感器为圆筒式应变加速度传感器。

进一步，所述薄壁弹性体2的壁厚0.3mm，高度为8mm，圆筒内径为8.5mm。

优选地，所述质量块1的质量为7g。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明用于检测单一方向的撞击加速度，具有结构简单、疲劳寿命长、抗过载能力强的特点，用于长期在线检测锻锤的打击力能。

附图说明

图1为锻锤打击力能检测一体结构的应变式加速度传感器的结构示意图。

图2为壁厚对传感器综合性能的影响；

图3为弹性体高度对传感器综合性能的影响；

图4为质量块质量对传感器综合性能的影响。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案作进一步详细地说明。

参照图1，一种锻锤打击力能检测一体结构的应变式加速度传感器，包括底座3、薄壁弹性体2、质量块1，还包括有粘贴于薄壁弹性体2外表面的应变片4，粘贴于底座3上表面的焊盘5，通过螺杆将传感器底座3中心孔的螺孔与被测锤头连接紧固，质量块1受到加速度作用时将力传给薄壁筒形弹性体2，从而引起弹性体产生弹性变形，使粘贴在薄壁弹性体2外表面的应变片产生变形、引起阻值变化，通过焊接与焊盘且固定于底座3侧面的穿线孔穿过的引出线将信号输出。所述信号线6穿过信号线固定槽7并用胶水粘接牢固。

加速度传感器结构参数理论设计

加速度传感器的使用条件和设计要求决定弹性元件的结构设计。一般在满足使用条件的前提下要求结构简单、保证准确的信号响应。针对被测对象为锻锤的长期在线监测，在保证满足设计要求的情况下，要结构简单，易于加工制作。因此实施例设计了一种一体结构的圆筒式应变加速度传感器。

锻锤锤击过程中产生的撞击加速度信号的最高频率f_max约能达到1000Hz左右，最大加速度值超过2000g。为保证所设计加速度传感器能够准确测量锻锤锤击时的加速度，需要根据固有频率和加速度量程的技术要求，对传感器结构进行初步设计。传感器的设计固有频率f₀和加速度要满足：

f₀≥(3～5)f_max(1)

a≥2000g(2)

对传感器来说，灵敏度和固有频率是其主要性能指标。

固有频率约束：

$>f_0=\frac{1}{2\pi }\sqrt{\frac{K}{m}}\ge 3000HZ---\left(3\right)$>

式中：

K——刚度系数(K＝πd₀hE/l)；

m——等效质量。

$>m=m_1+\frac{1}{3}{m}_2---\left(4\right)$>

式中：

m₁——质量块质量，m₁＝πd₁²h₁/4ρ；

m₂——圆筒部分质量，m₂＝πd₀bh/ρ。

将K、m整理后代入式(3-3)得：

$>f_0=\frac{1}{2\pi }\sqrt{\frac{12d_{0}bE}{h\rho (3{d_1}^2{h}_1+4d_{0}bh)}}---\left(5\right)$>

式中：

f₀——固有频率；

E——弹性模量；

d₁——质量块直径；

b——圆筒壁厚；

h₁——质量块高度；

h——圆筒壁高度；

d₀——圆筒内外径平均直径。

灵敏度约束为：

$>ϵ=\frac{4m}{E\pi (D^2-d^2)}a\ge 500\mu ϵ---\left(6\right)$>

圆筒式加速度传感器中间部位应力：

$>\sigma =\frac{4ma}{\pi (D^2-d^2)}---\left(7\right)$>

式中：

D——弹性元件外径；

d——弹性元件内径。

经理论计算，圆筒式加速度传感器弹性元件尺寸和质量块质量设计为：

h＝10mm，D＝8.9mm，d＝8.5mm，m＝5g

传感器结构的优化

弹性元件的结构参数和质量块的质量直接影响传感器的固有频率和灵敏度，反映传感器性能的优劣。由于解析计算是理想条件下的设计结果，不准确而且误差较大，因此只能作为设计加速度传感器的参考，需要利用有限元模拟检验所设计加速度传感器是否满足要求的灵敏度和固有频率。在此，对传感器进行几何建模，并用ANSYS软件对其进行计算，应用虚拟正交实验分析弹性体的壁厚、高度和质量块质量对传感器性能指标的影响。

1正交实验设计

传感器性能的主要影响因素包括弹性元件壁厚、高度和质量块质量三个因素，根据前面理论计算的结果，每个因素设计三个水平。采用正交实验表L₃(3⁴)，9次实验包含了三因素三水平的均匀搭配，能够代表27次实验。正交实验中选取固有频率f₀和灵敏度即本节定义的应变ε为两个实验指标的乘积W＝f₀×ε为综合性能指标。

W＝f₀*ε(8)

式中：

f₀——传感器固有频率；

ε——传感器灵敏度。

根据传感器的优化目标弹性体壁厚b、弹性体高度h、质量块质量m，分别取壁厚0.2mm，0.25mm，0.3mm，弹性体高度8mm，10mm，12mm和质量块质量5g，6g，7g进行虚拟正交实验。圆筒式加速度传感器的正交实验因素水平表如表1，正交实验表如表2。

表1因素水平表

表2正交实验表

2有限元分析模型

导入模型和材料参数，进行网格划分。由于弹性元件最小壁厚为0.2mm，将网格尺寸设为0.1mm，保证最小网格尺寸小于弹性元件壁厚，计算更加精准。网格划分过大或过小均不利于模拟分析。因此，为了保证模拟结果的准确性并适当减少计算量，本文对质量块、支撑结构、底座和弹性元件分别设定不同的网格大小进行划分，经过网格质量检验，所划分网格全部合符条件。

为了获得传感器弹性元件应力应变分布情况，在质量块上施加均布载荷98N，同时对模型进行约束，在此对弹性元件底面进行全自由度约束。

3弹性元件的材料选择

弹性元件性能由其使用材料直接决定，要使传感器具有良好的使用性能，就要在满足测量的情况下使得材料的弹性模量不变，而且材料在加载和卸载过程中有很好的线性度。作为用于动态测量的传感器，既要满足使用过程中弹性模量的稳定，又要求自身有很高的固有频率避免发生共振。由于锻锤生产现场高湿、粉尘、大振动等恶劣条件，结合弹性材料要求和使用环境，本实施例弹性体材料选用TC4合金，其材料属性如表3所示：

表3TC4合金性能

4正交实验结果分析

分别对9组实验进行模态分析得到每种方案的传感器固有频率，通过结构动力学分析，分别对各种方案的传感器施加98N外载荷，模拟获得相应的应变分布和大小。虚拟正交实验结果见表4。

表4正交实验结果

表中f₀代表不同传感器结构模态分析所得的固有频率，ε表示不同结构对应的动力学分析所得应变即灵敏度，W表示传感器综合性能指标，其越大代表该结构传感器性能越好。k为每因素同一水平综合性能数据之和，L为每一因素三个水平数据的平均值，R代表每一因素对传感器综合性能指标的影响大小。其中各因素随不同水平变化的对传感器综合性指标的影响趋势如图2、图3、图4所示。

根据表中三因素三水平9组实验中综合性能指标W的变化可以优选出实验中较优的方案。由表4和图2、图3、图4可以看出各因素水平变化对传感器综合性能影响可以看出，有限元模拟所得固有频率均满足设计要求。随着壁厚的增加，固有频率呈增大趋势，灵敏度变化呈降低趋势，综合性能指标也呈逐渐下降的；随着弹性元件高度的增加，固有频率呈降低趋势，弹性元件灵敏度逐渐增大，综合性能指标逐渐降低；当质量块从5g，6g到7g增大时，固有频率呈下降趋势，灵敏度上升趋势，综合性能指标亦呈上升趋势。由极差分析法进一步分析实验中的相应因素对指标作用的显著性的强弱。

由极差值R可知不同因素影响指标的主次顺序，R1，R2，R3分别为圆筒壁厚，圆筒高度及质量块质量对传感器综合性能影响的极差，值越大影响越显著。由R2＞R1＞R3知，影响指标的主次顺序为：h→b→m。

由正交实验k值可知各因素水平对弹性元件综合性能指标的影响，选定最优方案为b＝0.2mm，m＝7g，h＝8mm。分析可知，最优方案不在正交实验表中，需另做实验验证。验证结果是：f₀＝4427.2Hz，ε＝4.8×10^-4m/m，比9次实验中最好的1号实验结果要好。考虑实际的加工制造、使用强度要求及疲劳寿命，过薄的壁厚难以保证传感器质量，选取正交实验中的方案7的参数b＝0.3mm，m＝7g，h＝8mm，圆筒内径为d＝8.5mm实际制作传感器，从表4可以看出该方案也是一种较优的设计方案。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换均落入本发明的保护范围内。