基于大型人造板压机的新型位移传感器的研制

作者/陈芳芳，江苏联合职业技术学院南京分院，南京高等职业技术学校

基于大型人造板压机的新型位移传感器的研制

作者/陈芳芳，江苏联合职业技术学院南京分院，南京高等职业技术学校

本文以人造板压机压板的变形检测为工程背景，在成功对人造板压机压板实现应变电测及研究分析的基础上，研制出一款新型位移传感器。对新型位移传感器标定的结果表明，该器件不仅体积小，而且性能强，性价比高。

人造板压机；应变；位移传感器

随着科技的发展和社会的进步，人们对木材的需求也在不断增长。考虑到对天然原木的保护，越来越多地科学家正致力于新产品、新工艺的开发来提高原料的利用率。人造板就是高效利用木材资源的主要方式[1]，产品主要包括，刨花板、纤维板、胶合板等[2]。目前，已被广泛应用于各行各业，需求量达万亿立方米。生产这些人造板的重要设备之一就是人造板压机。

本文主要针对国内单层人造板压机压制小幅面薄板材时，会出现板面塑性变形的现象进行研究，从而自行设计出一款新型位移传感器，为进一步研究提升人造板压机的生产质量而奠定重要基础。

1. 研究背景

借助电阻应变式传感器对人造板压机压板变形的测试中，发现测试结果非常贴近实际生产中受压板材的变形情况，即复杂应力引起压板发生弹性变形，整个形变呈波浪状且各个方向起伏不尽一致，但均是边缘部分幅变较大。这些都将影响压板作业时的稳定性，造成压机在压制小幅面、薄板材时，板材会发生塑性形变。所以，应积极避免压机在此控制方法下工作，设计合理的油缸压力控制值，使压板变形趋势减小或趋于一致。

为了能在以后的测试分析中，进行更加迅速、完美的分析，甚至可以给出精确的砂光量，通过总结经验，针对该类型的人造板压机研制了一款新型的位移传感器，它可以从根本上改善模型等效得不到精确位移变化量的情形，从而可以通过有机会的再次现场测试及相应的数据分析，得到更加精美的控制方法。

2. 新型位移传感器的制作

2.1 位移的测量

本次测试是针对压机压板的接触式非电量的测量，因而选用了电气式位移测量法。它的基本原理是：将应变计粘贴在弹性元件表面上构成传感器，弹性元件受压变形，应变计即将应变转换成相应电阻值的变化，通过连接适当电路测得应变，最后根据传感器的输入/输出特性求出位移的大小。

2.2 弹性元件材料的选择

由于本次是在高压下对高强度的钢板进行测试，故选取了铍青铜（QBe2）作为弹性元件。QBe2（Be1.8～2.1%；Ni0.2～0.5；其他杂质<0.455），号称有色金属弹性之王，具有高强度、高弹性、无磁性、恢复性强等特点，因此被广泛应用于精密仪器和仪表的制造[3]。

铍青铜在有色合金系列中属热处理敏感材料。它的性能强化手段有两种：一般的扎制强化以及特殊的热处理强化手段。从理论机理上讲，就是通过合金微观晶体中的相组织发生变化来达到性能强化的目的。由于本次研究的测试条件是在常温高压下进行，所以采用一般扎制强化的手段就可以了。

2.3 位移传感器机械图

如图1所示，弹性元件一端粘结在钢尺上，另一端悬空为自由端。自由端为直角，测试时直角边直接接触压板的板面为感受应变端。

弹性元件通过粘结剂牢固粘结在钢尺上后，会被安装在固定支架上，支架的刚度会远大于弹性元件的刚度，因此，可把弹性元件的工作段看作是悬臂梁。把固定端至受力端的长度称作弹性元件的理论长度。相当于悬臂梁的端点受力端，可以等效成等截面悬臂梁满足Lbh[4]。这种弹性元件的特点是：横截面处处相等。悬臂梁式结构弹性元件所用电阻应变计为单轴应变计。两枚电阻应变计对称的粘贴在距固定端三分之一长度的表面上，呈对称分布在弹性元件相同位置的上、下表面处，实现温度的差动补偿，同时进一步提高测量的灵敏度和精确度。

图1 电阻应变计位置示意图

悬臂梁式位移传感器梁的自由端的最大即位移为：

可见，该传感器最大不失真所测位移值比较小。

图2 新型位移传感器机械图

2.4 应变计粘贴位置的选择

我们选择将应变计粘贴在弹性元件上制成传感器，此时的应变计的传感部分基本上可以和弹性元件一起变形。只要通过受载分析就可以建立位移与电阻变化间的函数关系，即进行传感器的标定，然后通过这种预先确定的位移标定曲线去获得测量的位移值，这种方法测得的测量结果很精确。

应变计粘贴的位置应尽可能靠近悬壁梁的固定端，这样可以提高传感器的灵敏度。如图1所示，R1(R2)均贴近传感器水平构件部位即其固定端。

2.5 电阻应变计的粘贴方法

2.5.1 构件表面处理

粘贴前，需对构件表面进行必要的处理，使之平整光洁。首先在测点处进行打磨处理，除去其电镀层。为了提高平洁度，增强应变计的粘贴性能，打磨时需先用砂纸进行圆形打磨产生多向痕迹，而后用细砂纸沿主应力方向进行45°角交叉打磨，接着用丙酮棉球进行擦拭，擦拭时需保持恒力单向，直至棉球上没有污物为止。

2.5.2 定位标志线

为了使应变计精确对准测点中心位置的应变区域，需要在弹性元件的表面进行精确定位。我们用直尺和有色笔在贴片位置处轻轻画上垂直线，并注意不使应变区的表面划伤，以避免产生毛刺，影响贴片效果，从而引起测试的不准确性。接着用乙醇棉球擦拭贴片位置，处理后的区域不再触碰。

2.5.3 选片

选择同型号、同阻值的应变计（并做必要的外观和电阻值检查），正确区分其正反面后，将工作片贴在弹性元件测点处，其轴线应顺着应变的方向。再取与压板相同材料的小钢块，将其置于压机附近。

2.5.4 贴片

用乙醇棉球轻拭应变计的粘贴面（反面），在弹性元件定位处滴上502胶水，然后迅速将应变计放在该处。调整应变计，使应变计上的定位标志与先前所画的垂直线中心相重合。再在应变计上覆盖一片聚乙烯塑料薄膜，用拇指在薄膜上做一次无滑动的滚压，保持压力一会以去除气泡和多余胶液。最后，将薄膜揭去，检查应变计引出线是否被粘，以保证其与弹性元件完全脱离。

2.5.5 固化

固化是一个复杂的过程，它需将整个部件置于一个恒温的条件下，持续一段时间，其主要目的是为了保证传感器长期使用的稳定性。

2.5.6 贴片质量检查

检查贴片的位置是否准确，胶层是否均匀，无气泡。

2.5.7 焊接导线

首先，将导线一端的漆包线剥去5mm，并固定在弹性元件上，引出线的端点与应变计的边缘相距5～10mm，焊接在焊盘上，随后剪去多余的引线。用电烙铁把引出线镀上焊锡以方便现场的焊接；为了实现现场迅速良好的接线，需将另一端接上小接线叉以方便连接后面的仪器。

2.5.8 传感器整体质量检查

检查焊点是否小而光亮；用惠斯登电桥测量此时应变计的电阻值，看是否合格；用万用表检查应变计是否断路；用兆欧表检测应变片与压板之间是否绝缘。

2.6 位移传感器防潮处理

应变计粘固化后，为免降低绝缘电阻和粘合强度，影响传感器测试的可靠性，我们进行了防潮处理。具体方法是用南大704硅橡胶涂于应变计及连接线路处，在室温下固化24小时，充分保证应变计工作性能稳定可靠。

2.7 温度补偿

将两片相同的BE120—5AA（11）型电阻应变计分别粘贴在弹性元件相同位置的上、下表面处实现温度的差动补偿，以进一步提高测量的灵敏度和精确度。

3. 小结

本次研究第一次将应变电测技术应用于人造板压机压板的变形检测，并由此制作出一款新型位移传感器，它可以从根本上改善模型等效得不到精确位移变化量的情形，从而可以通过有机会的再次现场测试及相应的数据分析，得到更加精美的控制方法。

＊ [1]庞庆海等著.人造板机械设备[M].东北林业大学出版社，1997.09

＊ [2]梅长彤等著.人造板[M].北京：中国林业出版社，2005.12

＊ [3]狄平著.铍青铜QBe2合金形变时效工艺的研究[J].上海：东华大学学报（自然科学版），2001(2):81—83.

＊ [4]樊尚春等著.新型传感器技术及应用[M].北京：中国电力出版社，2005.08

＊ [5]张洪润等著.传感技术与实验[M].北京：清华大学出版社，2005.07

＊ [6]谢双雄等著.传感器技术[M].北京：中国计量出版社，2005.08

＊ [7]刘则毅等著.科学计算技术与MATLAB[M].北京：科学出版社，2001