測力傳感器的性能要求與應(yīng)力水平概述

在測力傳感器的性能中：彈性體的結(jié)構(gòu)形狀和相關(guān)尺寸對測力傳感器的性能有很大影響?？梢哉f，測力傳感器的性能主要取決于其彈性體的形狀和相關(guān)尺寸。如果測力傳感器的彈性體設(shè)計(jì)不合理，無論彈性體的加工精度有多高，粘貼的電阻應(yīng)變片的質(zhì)量有多好，測力傳感器都很難達(dá)到更高的測力性能。因此，在測力傳感器的設(shè)計(jì)過程中，彈性體的合理設(shè)計(jì)非常重要。

彈性體的設(shè)計(jì)基本上屬于機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的范圍，但由于測力性能的需要，其結(jié)構(gòu)與普通機(jī)械零件和構(gòu)件不同。一般來說，普通機(jī)械零件和構(gòu)件只需要滿足足大的安全系數(shù)下滿足強(qiáng)度和剛度，不需要在受力條件下嚴(yán)格要求零件或構(gòu)件的應(yīng)力分布。但對于彈性體來說，除了滿足機(jī)械強(qiáng)度和剛度的要求外，還必須保證電阻應(yīng)變片（以下簡稱貼片）的應(yīng)力（應(yīng)變）與彈性體的載荷（被測力）保持嚴(yán)格的對應(yīng)關(guān)系；同時(shí)，為了提高測力傳感器的靈敏度，貼片應(yīng)達(dá)到較高的應(yīng)力（應(yīng)變）水平。

由此可見，彈性體的設(shè)計(jì)必須滿足以下兩個(gè)要求：

(1)貼片部位的應(yīng)力(應(yīng)變)應(yīng)與被測力保持嚴(yán)格的對應(yīng)關(guān)系；

(2)貼片應(yīng)具有較高的應(yīng)力(應(yīng)變)水平。

為了滿足上述兩個(gè)要求，應(yīng)力集中的設(shè)計(jì)原則經(jīng)常應(yīng)用于測力傳感器的彈性體設(shè)計(jì)，以確保貼片的應(yīng)力（應(yīng)變）水平較高，并與測力保持嚴(yán)格的對應(yīng)關(guān)系，從而提高測力傳感器的測力靈敏度和精度。

提高應(yīng)力(應(yīng)變)不規(guī)則分布的應(yīng)力集中原則；

在機(jī)械零件或構(gòu)件的設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)力(應(yīng)變)通常分布在零件或構(gòu)件上。如果零件或構(gòu)件的截面形狀沒有改變，則不需要考慮不規(guī)則的應(yīng)力分布。事實(shí)上，在機(jī)械零件或構(gòu)件的設(shè)計(jì)中，不考慮應(yīng)力（應(yīng)變）的不規(guī)則分布，而是通過強(qiáng)度計(jì)算中的安全系數(shù)來包容。

測力傳感器通過電阻應(yīng)變片測量彈性體上貼片的應(yīng)變來測量測力。如果要保證貼片部分的應(yīng)力(應(yīng)變)與被測力保持嚴(yán)格的對應(yīng)關(guān)系，其實(shí)就是保證貼片部分的應(yīng)力(應(yīng)變)在測力傳感器受力時(shí)定期分布在彈性體上。影響彈性體貼片應(yīng)力(應(yīng)變)分布的主要因素是彈性體應(yīng)力條件的變化。

彈性體受力條件的變化是指當(dāng)彈性體受力大小不變時(shí)，力的作用點(diǎn)或彈性體與相鄰加載構(gòu)件和承載構(gòu)件的接觸條件發(fā)生變化。如果不考慮彈性體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，可能會(huì)導(dǎo)致彈性體上應(yīng)力(應(yīng)變)分布的不規(guī)則變化。最典型的例子是筒式測力傳感器。為了減少彈性體受力條件變化引起的測力誤差，一些傳感器設(shè)計(jì)師采用增加缸式測力傳感器彈性體上分布不均勻的方法。這種處理方法可以減少彈性體受力條件變化引起的測力誤差。但這種方法畢竟是一種被動(dòng)的方法，增加的貼片數(shù)量總是有限的，仍然很難測量彈性體貼片周圍的應(yīng)力（應(yīng)變）分布不均勻，測力誤差不夠顯著。

彈性體受力條件變化引起的測力誤差的本質(zhì)是彈性體貼片圓周應(yīng)力(應(yīng)變)的不規(guī)則分布。如果彈性貼片的圓周應(yīng)力（應(yīng)變）應(yīng)變分布受到一定條件的限制，則會(huì)迫使貼片的應(yīng)力（應(yīng)變）按一定規(guī)律分布，使彈性貼片的應(yīng)力（應(yīng)變）與被測力基本保持嚴(yán)格的對應(yīng)關(guān)系，從而減少彈性體應(yīng)力條件變化引起的測力誤差。

上述方法改進(jìn)了筒式測力傳感器。改進(jìn)前，普通筒式傳感器的測力誤差大于1%

改進(jìn)后(局部挖空)筒式傳感器的測力誤差為0.1~0.3%F.S，測力精度明顯提高。

提高應(yīng)力(應(yīng)變)水平的應(yīng)力集中原則；

如果測力傳感器靈敏度高，電阻應(yīng)變片通常應(yīng)具有較高的應(yīng)變水平，即彈性體上的貼片應(yīng)具有較高的應(yīng)力(應(yīng)變)水平。

實(shí)現(xiàn)彈性體水平有兩種常用方法：

(1)降低彈性體整體尺寸，全面提高彈性體應(yīng)力(應(yīng)變)水平；

(2)局部削弱貼片部位附近的彈性體，提高貼片部位的局部應(yīng)力(應(yīng)變)水平，而彈性體其他部位的應(yīng)力(應(yīng)變)水平基本不變。

以上兩種方法都可以提高貼片的應(yīng)力(應(yīng)變)水平，但對于彈性體的整體性能，局部削弱彈性體的效果遠(yuǎn)好于整體減小彈性體的尺寸。由于局部削弱彈性體不僅可以提高貼片的應(yīng)力（應(yīng)變）水平，而且可以保持彈性體的高強(qiáng)度和剛度，有利于提高傳感器的性能和使用效果。

提高貼片應(yīng)力水平的原理是局部削弱彈性體，導(dǎo)致局部應(yīng)力集中，使應(yīng)力集中部分的應(yīng)力水平明顯高于彈性體的其他部分。如果電阻應(yīng)變片粘貼在應(yīng)力集中位置，則可以測量更高的應(yīng)變水平。

局部應(yīng)力(應(yīng)變)集中法常用于測力傳感器的設(shè)計(jì)，尤其是梁式測力傳感器(如彎曲梁式和剪切梁式測力傳感器)的彈性體設(shè)計(jì)。當(dāng)數(shù)剪切梁測力傳感器成功應(yīng)用局部應(yīng)力(應(yīng)變)集中方法。剪切梁測力傳感器通過檢測梁彈性體上的剪應(yīng)力(剪應(yīng)變)來實(shí)現(xiàn)測力。

彎曲強(qiáng)度是梁構(gòu)件的主要矛盾。當(dāng)梁符合彎曲強(qiáng)度時(shí)，剪切強(qiáng)度一般較大。在中性層附近挖盲孔時(shí)，截面上腹板上的剪應(yīng)力(剪應(yīng)變)明顯增加，但截面上的彎應(yīng)力增加不大。因此，剪切梁彈性體采用局部應(yīng)力集中方案后，檢測到的剪切應(yīng)變大大提高了測力傳感器的靈敏度，對整個(gè)梁的彎曲強(qiáng)度影響不大，使整個(gè)梁保持了良好的強(qiáng)度和剛度。

總結(jié)：

在測力傳感器的設(shè)計(jì)過程中，如果彈性體能按照上述兩種應(yīng)力集中原則自覺設(shè)計(jì)，就能提高測力傳感器的測力精度和靈敏度。高性能測力傳感器的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)具有重要的實(shí)用意義。

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