地磅稱重傳感器彈性元件的設計與研究

彈性體是地磅應變式稱重傳感器的關鍵部件，對其合理的尺寸設計，是保證傳感器性能如線性度、靈敏度的關鍵。經典的傳感器彈性體設計方法是以解析法設計，其設計周期長、效率低、廢品率高。采用 Ansys workbench 有限元優化設計法，對傳感器的彈性體尺寸設計及優化，有效避免了解析法設計的不足，且能模擬工況加載，確定彈性體應力應變敏感區，找到貼片位置，提高傳感器的設計效率。

隨著現代科技的發展，自動化在日常生活中運用越來越普遍，作為實現自動采集數據的主要設備—傳感器，在日常生活中廣泛應用。應用的廣泛性帶動對其性能的嚴格要求，高的靈敏度、精度是最基本的性能要求。尺寸的合理設計才能保證基本性能。

本文以地磅稱重傳感器某型號為例，利用有限元方法對彈性體進行了尺寸優化設計。

1.稱重傳感器的原理

如圖 1 所示為稱重傳感器結構圖，稱重原理如下：重物放在稱重托盤 1 上，彈性體 2 左側與稱重托盤螺栓固定，右側與稱重底座 3 螺栓固定。彈性元件在重力作用下發生變形，帶動粘結在彈性體孔內 a、c、b、d 處的應變片發生應變，再經過測量電路的放大和數據轉化，便可顯示重物的質量。設計的重點是合適的孔徑使得加載后應變最大，并保證在量程內彈性體不會損壞。孔設計以應力集中為原則，保證應變片的貼片區域加載后應變最大，實際上就是建立較好的應變與載荷的一一對應關系。

2.彈性元件優化參數設定

應用于稱重和測力領域的稱重傳感器，承受拉壓和彎曲變形。雙孔平行梁型具有對加載方式和受力點移動不敏感 抗偏心和側向力等優點，符合設計需求。所以選擇內部雙孔結構的平行梁型結構作為彈性元件結構。該結構的幾何尺寸可用低階曲線如直線和圓弧線來描述，將結構尺寸和圓弧半徑用變量表示即可得到參數化模型，如圖 2 所示。

彈性元件的尺寸可用 x1、x2、x3、x4、x5、x6、x7、x8 決定，不同的設計變量值對應不同的設計，倒圓角在此設計中不重要，不做設計。而在這些尺寸中，x1、x2、x3、x7、x8 的尺寸為已知，稱為獨立變量。x4、x5、x6 尺寸需要優化后確定，為非獨立變量。各尺寸間的關系為：

3.有限元三維設計及靜態特性分析

在 ANSYSworkbench 里建立有限元模型如圖 3所示，并對非獨立變量 x4、x5、x6 參數化設置 。

有限元分析中網格的劃分直接影響求解準確性及順利程度。靜力分析時，如只需要形狀的變化，則網格劃分疏些；如需要計算應力，則網格劃分相對要密些。網格多計算速度慢，計算時間長；網格少，計算時間短，分析結果不夠準確。因此，若能滿足準確度要求的前提下，選用網格少劃分方式。本文綜合考慮彈性體結構選擇自動劃分網格，但對應力集中部位孔周圍進行局部細化。節點數為 33 078，單元數 19 040.

在進行有限元應力應變分析時，首先確定材料屬性。彈性體材料為 2A12 鋁合金；彈性模量 E = 71 GPa，泊松比 = 0.3，彈性極限 = 425 MPa；彈性體單側固定在托盤上，另一側與載重板螺栓連接，可簡化為懸臂梁結構的有限元加載模，F = 400 N.彈性體應變如圖 4 所示。

根據應變云圖可以看出，最大應變發生在右側孔徑內側，最大應變 0.0016 小于材料最大應變

0.006，因此在優化尺寸時可以將應變作為目標變量，設定為參數。在此基礎上對孔徑 x5 及孔中心到左右兩側距離 x4 進行優化，優化的結果見圖 5.

4.結果分析

由優化表及優化曲線可以看成，在孔半徑 x5 = 8 mm，兩孔中心到左、右側邊界距離 x4 = 32 mm 時，應變最大。將此尺寸結合給定尺寸后再次進行應力分析。

ε1、ε2、ε3、ε4 分別為貼應變片部位 a、c、b、d 處最大應變值。

優化前后對比可知，優化后的平均應變大于優化前的平均應變，在載荷不變的前提下，應變大小與應變片的變形程度有關，應變越大，彈性體變形越大，彈性體的靈敏度越高。

5.結束語

用有限元的方法對彈性體參數化設計、分析，既能迅速的分析彈性體的尺寸變化對應變的影響，找到應變最大部位，提高了彈性體設計的準確度，又能根據工況快速設計不同量程的彈性體，使得設計周期大大縮短，提高企業生產效率，應用前景廣闊，對未來彈性體更精確度設計具有參考作用。