摘要:针对用于测试旋转型行波超声电机工作状态下定子转子摩擦力/力矩的特殊要求 ,并利用有限元法对传感器进行了结构优化 ,设计了组合式二维传感器 ,该传感器的一维测量法向正压力;另一维测量扭矩。法向力的量程为0～200 N ,准确度为0.09% ;扭矩的量程为0～2N·m , 准确度为0.41 %。 满足了试验要求。

　　关键词:力传感器;扭矩;超声电机;测量;有限元法

　　0　引　言

　　超声电机是一种基于压电陶瓷逆压电效应和超声振动的新型电机。目前,超声电机已广泛应用于照相机及摄像机的自动调焦系统 ,在精密仪器以及航空航天领域也有许多应用。 超声电机是通过摩擦驱动的,其定子、转子摩擦系数和适当的预压力对其输出扭矩和使用寿命有直接影响,因此 ,准确的扭矩和法向力 ( 预压力 ) 的测量显得格外重要 ,这就需要研制专用的力传感器对其进行准确测量 。

　　本文针对试验要求设计了一种力传感器 ,它可以测量最大量程为2 N·m的扭矩 , 分辨力达到0.002Nm , 同时,可以测量最大量程为 200 N 的法向力 ,分辨力达到0.2N。

　　1　结构设计

　　弹性体设计是力/力矩传感器设计的关键 。在保证一定刚度的前提下 ,应尽量提高弹性体的灵敏度。试验要求法向力和扭矩独立测量 ,为了将维间耦合影响尽量减少,分别设计了测量扭矩的弹性体和测量法向力的弹性体 。

　　1.1扭矩弹性体设计

　　通常的薄壁圆筒型弹性体虽然有较好的刚度 , 但其测量小量程扭矩的灵敏度较低。本文采用的是一板两杆式结构,如图1所示。这样,可以把扭矩的测量转换为弯矩的测量 ,从而可以获得较大的应变。同时,这种结构也减少了在竖直方向上力对其主应变的影响,维间耦合小 。

　　图1测扭矩的弹性体示意图

　　弹性体中的一板两杆是整个扭矩弹性体的设计核心 。原则是保证足够的轴向刚度的前提下 ,又能获得大的测量范围和高的测量准确度 ,即在测量范围内 ,保证测量准确度的前提下有良好的线性度 。

　　首先 ,可以利用材料力学理论对弹性体进行简化分析 。当弹性体受到扭力矩 M 后 , 一板两杆弯曲 , 这时 , 可以将一板简化为两杆 , 这样 , 每根杆端的受力为M/4R,弯矩为 m , 可以通过材料力学中解超静定杆的方法 , 并利用杆件左端的转角等于零的条件 , 求解出杆端的弯矩为

　　式中 M 为施加的扭矩, Nm; R为弹性体半径,m; l为杆长 , m; m 为弯矩 , N · m。
粘贴电阻应变计处的应变为

　　式中a为粘贴应变计处与杆端的距离 , m; E 为材料的弹性模量, M Pa ; W 为杆件的截面参数 , m3; δ 为杆件的厚度 ,m; h为杆件的高度, m。

　　同时 , 利用有限元软件, 对弹性元件的扭矩M 、不同结构参数、应力之间线性关系进行了仿真分析和优化 ,其应力分布图如图2所示。

　　图 2　 扭矩弹性体应力分布图

　　最终确定参数:弹性体半径R =0.01 m , 杆件高度 h =0.002m ,杆件厚度 δ= 0.005m , 杆件长度 L=0.03m。 材料为硬铝合金 ,在应变最大处的对称地粘贴两对电阻应变计,组成惠斯登电桥 。

　　1.2 法向力弹性体设计

　　商业化的一维力传感器一般不仅对所测方向灵敏度较高 ,而对其他方向的力也敏感 ,即其他方向的力和力矩对其主应变也有影响 。 而这一点应该尽量避免 ,日本学者 KoyuAbe
提出了一种H型结构的平行梁结构,很好地解决了这个问题 。

　　本文中,法向力的测量采用与其类似的双孔平行梁式弹性体。这种结构也利用了应力集中, 在不减弱弹性体刚度的条件下,同样可以测得较大应变。同时,消除了测力的位置改变对法向力测量的影响 ,符合试验的要求。弹性体设计中 ,也利用有限元法对其进行了仿真分析和优化 ,其应力分布如图 3所示 。

　　图 3　 法向力弹性体应力分布图

　　2 　 检测电路

　　检测电路利用 8个应变计组成两组惠斯登电桥 , 将弹性体的形变转换成应变计的电压信号输出 。 电桥的输出电压信号后接电压放大电路 , 然后 , 由 200k/s速率的数据采集卡将放大后的电压信号读入计算机 , 最终 , 利labvi ew软件编程得到数值 ,如图4所示。

　　图 4　 检测电路示意图

　　3 　 传感器的标定

　　扭矩传感器标定如图 5 所示 ,所施加力的方向平行于所贴电阻应变计的平面 ,这样 ,电阻应变计测量的应变就是纯扭矩所产生的。经过多次加载试验测试 , 获得结果如图6和表1所示 。

 
　　在图 6中 ,利用最小二乘法对数据进行了拟合 ,数据曲线上面的拟合公式为加载拟合公式 , 下面拟合公式为减载拟合公式 。

　　同时 ,对传感器的维间耦合也作了测试 。当扭矩弹性体受到200N法向力(即图5中Z向 ) 的作用时 , 耦合影响小于0.084 %。 当法向力弹性体受到2N·m 扭矩的作用时 ,耦合影响小于0.13 %。另外,当扭矩弹性体分别受到图5中 X 方向和Y方向各50N力, 耦合影响分别小于0.9 %和0.6 % ,这一方面表明了扭矩传感器对空间3个方向上的力不敏感 ,另一方面 ,也证明了图 5 的扭矩加载方法
的可靠 。

　　4　结　论

　　通过用材料力学理论对传感器进行设计 , 用有限元方法进行分析 ,试验方法进行验证 , 得出这种力/力矩传感器的性能是可靠的 ,它不但能够消除微小扭杆在测量过程中的不对称加载、附加弯矩 、 摩擦力等的影响 ,同时 ,还获得了在 0～2 N · m 作用范围内的 0 . 002 N ·m 的分辨力 ,满足了超声电机的摩擦力/力矩的测量要求 。
　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　（作者：沈辉,吉爱红,颜化冰,黄卫清,戴振东）

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