測力傳感器的設(shè)計指導(dǎo)

一、概述

　　對于電阻應(yīng)變片式測力傳感器(以下簡稱“測力傳感器”)來說，彈性體的結(jié)構(gòu)形狀與相關(guān)尺寸對測力傳感器性能的影響極大。可以說，測力傳感器的性能主要取決于其彈性體的形狀及相關(guān)尺寸。如果測力傳感器的彈性體設(shè)計不合理，無論彈性體的加工精度多高、粘貼的電阻應(yīng)變片的品質(zhì)多好，測力傳感器都難以達到較高的測力性能。因此，在測力傳感器的設(shè)計過程中，對彈性體進行合理的設(shè)計至關(guān)重要。

　　彈性體的設(shè)計基本屬于機械結(jié)構(gòu)設(shè)計的范圍，但因測力性能的需要，其結(jié)構(gòu)上與普通的機械零件和構(gòu)件有所不同。一般說來，普通的機械零件和構(gòu)件只須滿足在足夠大的安全系數(shù)下的強度和剛度即可，對在受力條件下零件或構(gòu)件上的應(yīng)力分布情況不必嚴(yán)格要求。然而，對于彈性體來說，除了需要滿足機械強度和剛度要求以外，必須保證彈性體上粘貼電阻應(yīng)變片部位(以下簡稱“貼片部位”)的應(yīng)力(應(yīng)變)與彈性體承受的載荷(被測力)保持嚴(yán)格的對應(yīng)關(guān)系;同時，為了提高測力傳感器測力的靈敏度，還應(yīng)使貼片部位達到較高的應(yīng)力(應(yīng)變)水平。

　　由此可見，在彈性體的設(shè)計過程中必須滿足以下兩項要求：

　　(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)貼片部位應(yīng)具有較高的應(yīng)力(應(yīng)變)水平。

　　為了滿足上述兩項要求，在測力傳感器的彈性體設(shè)計方面，經(jīng)常應(yīng)用“應(yīng)力集中”的設(shè)計原則，確保貼片部位的應(yīng)力(應(yīng)變)水平較高，并與被測力保持嚴(yán)格的對應(yīng)關(guān)系，以提高所設(shè)計測力傳感器的測力靈敏度和測力精度。

　　二、改善應(yīng)力(應(yīng)變)不規(guī)則分布的“應(yīng)力集中”原則

　　在機械零件或構(gòu)件的設(shè)計過程中，通常認(rèn)為應(yīng)力(應(yīng)變)在零件或構(gòu)件上是規(guī)則分布的，如果零件或構(gòu)件的截面形狀不發(fā)生變化，不必考慮應(yīng)力(應(yīng)變)分布不規(guī)則的問題。其實，在機械零件或構(gòu)件的設(shè)計中，對于應(yīng)力(應(yīng)變)不規(guī)則分布的問題并非不予考慮，而是通過強度計算中的安全系數(shù)將其包容在內(nèi)了。

　　對于測力傳感器來說，它是通過電阻應(yīng)變片測量彈性體上貼片部位的應(yīng)變來測量被測力的大小。若要保證貼片部位的應(yīng)力(應(yīng)變)與被測力保持嚴(yán)格的對應(yīng)關(guān)系，實際上就是保證在測力傳感器受力時，彈性體上貼片部位的應(yīng)力(應(yīng)變)要按照某一規(guī)律分布。在實際應(yīng)用中，對于彈性體貼片部位應(yīng)力(應(yīng)變)分布影響較大的因素主要是彈性體受力條件的變化。

　　彈性體受力條件的變化是指當(dāng)彈性體受力的大小不變時，力的作用點發(fā)生變化或彈性體與其相鄰的加載構(gòu)件和承載構(gòu)件的接觸條件發(fā)生變化。如果在彈性體結(jié)構(gòu)設(shè)計時，未能考慮這一情況，就可能造成彈性體上應(yīng)力(應(yīng)變)分布的不規(guī)則變化。這方面最典型的實例是筒式測力傳感器。為了減小由于彈性體受力條件的變化引起的測力誤差，有些傳感器設(shè)計者采取在筒式測力傳感器彈性體上增加貼片數(shù)量的方法，盡可能將彈性體上貼片部位圓周上應(yīng)力(應(yīng)變)分布不均勻的情況測量出來。這樣的處理方法有一定的效果，可以減小彈性體受力條件的變化引起的測力誤差。但這種方法畢竟是一種被動的方法，增加的貼片數(shù)量總是有限的，還是很難把彈性體上貼片部位圓周上應(yīng)力(應(yīng)變)分布不均勻的情況全部測量出來，測力誤差減小的程度不夠顯著。

　　由于彈性體受力條件的變化引起的測力誤差的實質(zhì)是彈性體貼片部位圓周上的應(yīng)力(應(yīng)變)的不規(guī)則分布，如果能使彈性體貼片部位圓周上的應(yīng)力(應(yīng)變)分布受到一定條件的約束，迫使貼片部位的應(yīng)力(應(yīng)變)按照某一規(guī)律分布，因而使得彈性體貼片部位的應(yīng)力(應(yīng)變)與被測力基本保持嚴(yán)格的對應(yīng)關(guān)系，由此來減小因彈性體受力條件的變化引起的測力誤差。

　　作者曾用上述方法對筒式測力傳感器進行改進。改進前的普通筒式傳感器測力誤差大于1%

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

　　三、提高應(yīng)力(應(yīng)變)水平的應(yīng)力集中原則

　　若要測力傳感器達到較高的靈敏度，通常應(yīng)該使電阻應(yīng)變片有較高的應(yīng)變水平，即在彈性體上貼片部位應(yīng)該有較高的應(yīng)力(應(yīng)變)水平。

　　實現(xiàn)彈性體上貼片部位達到較高應(yīng)力(應(yīng)變)水平有兩種常用的方法：

　　(1)整體減小彈性體的尺寸，全面提高彈性體上的應(yīng)力(應(yīng)變)水平;

　　(2)在貼片部位附近對彈性體進行局部削弱，使貼片部位局部應(yīng)力(應(yīng)變)水平提高，而彈性體其它部位的應(yīng)力(應(yīng)變)水平基本不變。

　　以上兩種方法都可以提高貼片部位的應(yīng)力(應(yīng)變)水平，但對彈性體整體性能而言，局部削弱彈性體的效果要遠好于整體減小彈性體尺寸。因為局部削弱彈性體既能提高貼片部位的應(yīng)力(應(yīng)變)水平，又使得彈性體整體保持較高的強度和剛度，有利于提高傳感器的性能和使用效果。

　　局部削弱彈性體提高貼片部位應(yīng)力(應(yīng)變)水平的原理是：通過局部削弱彈性體，造成局部的應(yīng)力集中，使得應(yīng)力集中部位的應(yīng)力(應(yīng)變)水平明顯高于彈性體其它部位的應(yīng)力水平，將電阻應(yīng)變片粘貼于應(yīng)力集中部位，就可以測得較高的應(yīng)變水平。

　　局部應(yīng)力(應(yīng)變)集中的方法在測力傳感器的設(shè)計中經(jīng)常被采用，尤其在梁式測力傳感器(如彎曲梁式和剪切梁式測力傳感器)的彈性體設(shè)計中被廣泛應(yīng)用。局部應(yīng)力(應(yīng)變)集中方法應(yīng)用較為成功的當(dāng)數(shù)剪切梁式測力傳感器。剪切梁式測力傳感器是通過檢測梁式彈性體上的剪應(yīng)力(剪應(yīng)變)實現(xiàn)測力的。

　　對于梁形構(gòu)件來說，其彎曲強度是主要矛盾。在一個梁滿足彎曲強度的情況下，剪切強度一般裕量較大。當(dāng)在中性層附近挖盲孔后，該截面上腹板上的剪應(yīng)力(剪應(yīng)變)明顯提高，然而該截面上的彎曲應(yīng)力提高很小。因此，剪切梁式彈性體應(yīng)用局部應(yīng)力集中方案后，被檢測的剪應(yīng)變大大提高，使該測力傳感器的靈敏度顯著提高，而對整個梁的彎曲強度影響很小，使整個梁保持了良好的強度和剛度。

　　四、小結(jié)

　　在測力傳感器的設(shè)計過程中，如能自覺地按照上述兩種應(yīng)力集中的原則，對彈性體進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，就能夠收到提高測力傳感器的測力精度和測力靈敏度的良好效果。靈活、恰當(dāng)?shù)剡\用應(yīng)力集中的原則，對于設(shè)計和生產(chǎn)高性能的測力傳感器具有重要的實用意義。