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PCB沖擊和跌落測(cè)試中力傳感器的選擇
點(diǎn)擊次數(shù):1602 更新時(shí)間:2021-05-17

如何在沖擊和跌落測(cè)試中選擇合適的力傳感器?

    石英、壓電力與應(yīng)變傳感器可靠性高,它具有杰出的動(dòng)態(tài)力和應(yīng)變測(cè)量特性。典型的測(cè)量包括在驅(qū)動(dòng)、壓縮、沖擊、脈沖、反作用與張力過(guò)程中的動(dòng)態(tài)力和準(zhǔn)靜態(tài)力。下面讓我們通過(guò)理論公式和實(shí)際例子相結(jié)合,詳細(xì)分析該如何選擇:

 

能量與力的關(guān)系:

 

    根據(jù)能量守恒定律,UUT(被測(cè)設(shè)備)勢(shì)能PE與動(dòng)能KE的變化是相等的,即:

PE = KE

    針對(duì)跌落測(cè)試, m =質(zhì)量, h =跌落高度, g = 重力加速度, v =沖擊速度, 則能量守恒等式為: 

mgh = ½ mv²

    沖擊速度V不受質(zhì)量影響,在忽略空氣阻力的前提下,速度可按下面等式近似計(jì)算:

v = √2gh

 

沖擊位移與力的關(guān)系:

    根據(jù)能量定理沖擊過(guò)程中的純功等于平均力乘以沖擊位移,可得到預(yù)估的力:

W = ½ mv²    - ½ mv²

    在跌落測(cè)試中,初速度為零,所以

W = ½ mv²

    如果假設(shè)沖擊位移為d,則平均力F可按照如下等式計(jì)算:

F = W/d

  但是在實(shí)際測(cè)試中,d不是很容易確定,我們可以通過(guò)一個(gè)鋼球落到鋼板,塑料,或者泡沫等幫助理解;如下表所以,針對(duì)不同材料的不同的沖擊位移會(huì)對(duì)應(yīng)不同的沖擊力,條件: 4.5 公斤 的UUT(被測(cè)設(shè)備)從 1米的高度自由下落:

 

時(shí)間與力的關(guān)系:   

     另外,還可以利用力的脈寬Tp和牛頓運(yùn)動(dòng)定律F=ma來(lái)近似計(jì)算沖擊力。利用等式v = √2gh計(jì)算終速度,并確定和計(jì)算沖擊加速度的值。

   計(jì)算加速度需要依據(jù)力-時(shí)間曲線的脈沖寬度,需要根據(jù)不同的材料的來(lái)進(jìn)行預(yù)估,就像預(yù)估沖擊位移一樣。

      沖擊加速度可根據(jù)脈寬時(shí)間內(nèi)速度的變化的進(jìn)行計(jì)算,即:

a = dv/ dt = dv/ Tp

     大峰值沖擊力出現(xiàn)在剛性碰撞的情況下,在這種情況下,的回彈是的初速度和終速度大小相等,方向相反,這時(shí)可用如下等式計(jì)算:

a = (v - v)/Tp  = (2 * √2gh)/Tp

      然后通過(guò)牛頓運(yùn)動(dòng)定律進(jìn)行計(jì)算,即: 

F = ma=m(2 * √2gh)/Tp

     脈寬會(huì)因?yàn)橹疤岬降臎_擊位移的不同而不同,越軟的沖擊表面具有更長(zhǎng)的沖擊脈寬,會(huì)引起更小的沖擊力。運(yùn)用牛頓定律,針對(duì)三種不同材料的計(jì)算出的沖擊力,如下表所示,條件: 4.5 公斤 的UUT(被測(cè)設(shè)備)從 1米的高度自由下落:

 

舉例說(shuō)明:

    我們用英斯特朗(Instron)的一個(gè)試驗(yàn)機(jī)作為例子,比如某汽車保險(xiǎn)杠在設(shè)計(jì)要求上需要滿足在特性區(qū)域能夠吸收3000焦耳的能量。

     如圖1所示8150跌落試驗(yàn)機(jī),1,000 磅 (454公斤) 的UUT(被測(cè)設(shè)備),在96英尺 (2.4米) 高度跌落,可以產(chǎn)生27.8 kJ的能量。沖擊頭上安裝203B ICP®石英力傳感器(4支),每支傳感器具有20 klb (90kN)壓力量程,總量程為80 klb (355.9 kN)。圖2為是沖擊頭的近距離圖片,傳感器配有484B06 ICP®信號(hào)適調(diào)儀。所有的信號(hào)適調(diào)儀的輸出通道,提供獨(dú)立的DC信號(hào),然后傳送到數(shù)據(jù)采集卡(Dynatup®脈沖數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)),然后顯示輸出時(shí)間波形。

英斯特朗在選擇203B ICP®力傳感器之前使用的就是上面提到的原則。盡管沖擊緩沖區(qū)的設(shè)計(jì)通過(guò)金屬的形變來(lái)吸收能量,避免剛性回彈,但是工程師需要通過(guò)假設(shè)的剛性回彈來(lái)確保力傳感器具有足夠的能力來(lái)完成保險(xiǎn)杠失效試驗(yàn)。試驗(yàn)件重量793.8 lb (360 kg),跌落高度為35.4in (0.9 m),假設(shè)的脈寬為10毫秒。通過(guò)牛頓定律的到的預(yù)估力的大小為68,000 lb (302.5 kN)。

 

   實(shí)際的跌落測(cè)試數(shù)據(jù)如下圖所示,具有3,196焦耳的動(dòng)能,峰值力為36,035 lb (160.3 kN), 脈寬為15.17 毫秒。使用真實(shí)的脈寬來(lái)計(jì)算的話,計(jì)算得到的期望力的大小為44,826 lb (199.4 kN)。這表明回彈的假設(shè)足以保證我們選擇合適的力傳感器上。

使用能量公式進(jìn)行交叉檢驗(yàn),保險(xiǎn)杠的實(shí)際位移大約為1.5 in (0.038 m),上圖中的平均力估算大約為19,108 lbs (85 kN), 則能量值計(jì)算如下: 

W = F * d = 19,108 lb * 1.5 in = 28,662 in-lb = 3,238 N-m = 3,238 J 

這種計(jì)算是可信的,因?yàn)樗麄兌荚谕粋€(gè)量級(jí)。

 

力傳感器的選擇:   

     綜上所述,越硬的材料具有更大沖擊力和更小的脈寬。測(cè)試中我們要選擇的傳感器剛度是UUT(被測(cè)設(shè)備)的好幾倍。否則傳感器會(huì)吸收能量,并引起測(cè)量誤差。

     雖然應(yīng)變測(cè)量技術(shù)也可以進(jìn)行沖擊測(cè)量,但是石英力傳感器具有更高的剛度,而且比應(yīng)變載荷傳感器高好幾個(gè)數(shù)量級(jí),能夠輕松測(cè)量幾十KHz的信號(hào),大大過(guò)大多數(shù)載荷傳感器的振鈴頻率。 

     多數(shù)應(yīng)變片要達(dá)到滿量程輸出需要0.001 到 0.003 inches (0.025 到 0.076 mm) 的變形。對(duì)于100 lb和10k lb (450 N 和45 kN) 的滿量程測(cè)量來(lái)講, 剛度分別相當(dāng)于只有 0.03到6.7 lbs/in (0.005 到1.173 kN/ m) 。 

     傳感器的自然頻率可通過(guò)如下等式計(jì)算 :

fn (kHz)= ½π* √k/m,  k = 剛度(N/m),m =質(zhì)量(kg)

    因?yàn)镮CP® 力傳感器剛度的平方根與頻率成正比,而與質(zhì)量的平方根成反比,所以具有更高的頻響。 

     力傳感器的上升時(shí)間相對(duì)于沖擊脈寬也足夠快,以便實(shí)現(xiàn)的測(cè)量。由于特定的應(yīng)用不同,力傳感器的上升時(shí)間也很難確定。力傳感器上面的質(zhì)量越大,安裝頻率就會(huì)越低,上升時(shí)間也會(huì)越慢。ICP®力傳感器的上升時(shí)間可以按照如下公式計(jì)算: 

Tp = ½*(1/fn), fn = 自然頻率, Tp = 峰值時(shí)間

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