一种(Θ)型张力传感器结构设计

一种(Θ)型张力传感器结构设计
田晓涵;赵敏;邬琳琳
【摘要】翼伞伞绳牵引力测量对传感器外形有着特殊的要求,为此提出了一种Θ型张力传感器.它不但外形紧凑光滑,且受力结构弹性体可将绳索的张力转换成线性变
化的应变,也不会破坏伞绳的结构,传感器安装和拆卸方便.通过对该结构弹性体的有限元分析,验证了这种结构的合理性.并对受力结构进一步分析,得到了绳索张力与考察应力线之间的一元线性回归方程,及弹性体的线性度指标.分析结果表明,所提出的弹性体结构的体积小、线性度好,灵敏度合理,可封装在光滑的外壳内用于翼伞伞绳
等比较苛刻条件下的张力测量.
【期刊名称】《机械制造与自动化》
【年(卷),期】2016(045)002
【总页数】4页(P192-195)
【关键词】张力传感器;弹性体;有限元;线性度
【作者】田晓涵;赵敏;邬琳琳
【作者单位】南京航空航天大学自动化学院,江苏南京210016;南京航空航天大学
自动化学院,江苏南京210016;南京航空航天大学自动化学院,江苏南京210016【正文语种】中文
【中图分类】TP212
张力传感器可用来测量绳/带的张力、钢索张力以及膜张力等，是一种较为常用的
传感器。

通常接触式张力传感器有两种工作方式：一种是串接在绳索上的直接测量，
但对绳索有破坏；另一种是夹持的方式通过绳索的张紧力对夹持结构的作用来测量张力，属于并联间接测量，优点是非破坏性的。

翼伞伞绳、牵引绳的张力测量必须采用并联测量方式。

目前可见的张力传感器有美国MEAS的EL20-S458、法国kortis的FMI、德国施密特张力仪等等。

但这些传感器属于通用的张力传感器，因其结构上的特点不适用于翼伞伞绳张力的测量，主要问题是这类传感器外形突出物比较多，引线不易隐藏，体积偏大。

因为翼伞在张开瞬间，外形体积大，不光滑的传感器会对翼伞的张开带来不利的影响，也容易造成传感器的损坏。

为了解决以上问题，本文提出了一种Θ型张力传感器设计方案。

它通过沿张力方
向的三点受力一体化布局，将张力转换成应力，在敏感区有很好的线性度和灵敏度，而且也不会破坏伞绳的结构，易于安装和拆卸。

通过有限元力学分析、受力区域数值处理等方法对传感器的张力—应变的变化进行了分析，对该结构的弹性体部分
的线性度指标进行了计算、分析，结果表明这种张力传感器结构设计是合理性的。

由于测量原理不同，张力传感器的结构也大相径庭。

结构简单的张力传感器一般都是串接到绳索当中，破坏了绳索自身的结构[1-3]。

而其他的张力传感器例如基于
电磁场、光纤光栅等原理的张力传感器，测量原理复杂而且结构也很复杂，很难运用到翼伞伞绳张力的测量上[4-8]。

对于翼伞伞绳张力的测量，要求传感器对伞绳是无破坏的；传感器本体外形应尽量“光滑”，即不能有突出的结构影响伞的开启；传感器体积应尽量小等。

针对这个特点本文提出了一种Θ型张力传感器。

如图1、图2所示。

图1和图2分别为张力传感器的弹性体图和整体图。

图2中的外壳主要起到固定
并保护弹性体以及后续电路的作用。

待测绳索依次从左到右(或者从右到左)穿过传感器弹性体上的凹槽，然后安装上保护外壳。

绳索受力后绷紧，在与传感器弹性体的凹槽接触面上产生压力，从而引起弹性体的变形。

在弹性体背部梁的应变比较大的某处粘贴应变片，再加上后续的电路处理，最终得到绳索张力与输出信号的关系。

传感器将张力转换成敏感区的变化在力学上是比较复杂的，难以采用简单力学方程表述，为了得到比较精确的结果，可采用有限元分析软件ANSYS14.5来分析弹性体的受力及变形状况。

2.1 前处理
这款传感器是针对翼伞的操纵绳，操纵绳的最大受力为500N。

对于这种小量程的传感器，在弹性体材料方面一般选用铝合金，其中LY12应用最广[9]。

其弹性模量为72GPa，泊松比为0.33，屈服强度为390MPa。

绳索是通过弹性体的3个圆环面，将自身的张力传递给弹性体的。

因此，在弹性体的3个接触面上，施加面压力载荷，如图3所示。

图4为伞绳张力T与弹性体3个接触面上力F1、F2、F3的关系图。

根据设计的传感器实际尺寸得到α为13.97°，β为83.015°。

由受力关系，可以得到：
由于是面接触，所以将力F1、F2、F3转换为面压力Press1、Press2、Press3，接触面S1=278.98×10-6m2，S2=S3=108.09×10-6m2。

使用多载荷步方式施加多个数值的载荷。

为了得到变形量与绳索张力之间的关系，在仿真过程中施加了10个载荷步，既从绳索张力T从0开始，以50N为步长加到500N，。

根据式(1)-式(5)，可以算得每个载荷步施加的具体载荷值Press1、Press2、Press3。

2.2 求解
由于在前面的定义了10个载荷步，因此求解时应当选择Solution-Solve-From LS Files，LSMIN为1，LSMAX为10，LSINC为1。

2.3 后处理
通过使用剖面图处理技术，可以很方便地找到应力应变比较明显的位置。

图5为绳索张力为50N时候弹性体背部的应变剖面图。

从图中可以看到，在背部梁的中
部有比较明显的应变，适合粘贴应变片。

图6为应变片粘贴位置示意图，既应变
片粘贴在背部梁正反面的中心处。

因为受力后背部梁上应变片粘贴处直线的长度变化值和应变片的电阻栅丝的长度变化值是一致的，为方便表述，将该条直线命名为应力线。

所以通过对应力线长度变化值的计算研究，可以得到应变片的长度变化[10] 。

由于ANSYS无法对一条直线直接给出变形量，因此通过路径划分技术的使用，可以得到应力线上的各种数据。

为了抵消环境的干扰，一般都成对的粘贴应变片。

在这里背部梁的正反面的中心位置处都粘贴一片应变片。

在各自平行于电阻栅丝方向的中心位置定义了路径BM和IM。

考虑到应变片的尺寸，将两条应力线定为3 mm，既路径BM、IM的长度为3 mm。

为了计算应力线BM和IM的长度变化量，将两条应力线都均分成了30等份，每份长度为0.1mm，通过式(6)-式(11)可以得到。

线性度的定义为：在规定条件下，传感器校准曲线与拟合直线间的最大偏差
(ΔYmax)与满量程输出(Y)的百分比，公式为：
绳索张力T从0加载到500N，通过Matlab编程计算可以得到10组应力线BM、IM的长度变化数据，如表1和图7所示。

考察应力线的长度LBM、LIM长度均为3mm，因而应变εBM 、εIM 的取值范围分别为0～460.667με和0～-519.733με，适用于应变片测量。

图7(a)为应力线BM的数据及拟合直线，图7(b)为应力线IM的数据及拟合直线
应力线。

应力线BM和IM处的一元线性回归直线方程分别为：
对于应力线BM，最大偏差发生在绳索张力T为0的时候，由式(13)得出理论变形量为8.018×10-10，而仿真的实际值为0。

所以应力线IM处的线性度为：
对于应力线IM，最大偏差发生在绳索张力T为50N时候，由式(14)得出理论变形量为-1.61495×10-7，而仿真的实际值为-1.8225×10-7。

所以应力线IM处的线
性度为：
由式(15)、式(16)得出，IM考察应力线的线性度最大，因此，整个弹性体的线性
度为1.331 1%。

通过使用SolidWorks建模， ANSYS有限元仿真以及Matlab数据处理，验证了提出的一种Θ型绳索类张力传感器的弹性体结构的合理性。

即当绳索受拉后产生
张力，对弹性体施加了压力，从而引起了弹性体的变形。

弹性体的背部梁的应变和应力最为明显，和设计结构时假设的结果一致。

进一步的研究还得到：
1) 通过ANSYS有限元仿真得知，弹性体在受到0～500 N张力时，背部梁的变形量均为最明显的。

通过剖面技术，找到了应变片适合粘贴的位置。

应变绝对值范围在0～500 με左右，适用于应变片测量。

2)通过使用Matlab数据处理，计算出了考察应力线BM、IM的线性度分别为
0.058 0%和1.331 1%，该线性度指标的偏差可以通过采集系统简单处理加以消除。

本文提出的传感器结构在较小的外形基础上有很好的灵敏度和线性度，可为该结构体传感器进一步的研究包括传感器的无线、或者无线无源化设计提供参考。