應(yīng)變片測力傳感器的設(shè)計要求與測力原則

對于電阻應(yīng)變片式測力傳感器，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的影響?？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)計不合理，無論加工精度有多高，粘貼的電阻應(yīng)變片質(zhì)量有多好，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，合理設(shè)計彈性體至關(guān)重要。

彈性體的設(shè)計基本上屬于機械結(jié)構(gòu)設(shè)計的范圍，但由于測力性能的需要，其結(jié)構(gòu)不同于普通的機械部件和部件。一般來說，普通的機械部件和部件只能滿足足夠夠大的安全系數(shù)下的強度和剛度，不需要嚴(yán)格要求部件或部件的應(yīng)力分布。但對于彈性體，除了滿足機械強度和剛度要求外，還必須保證電阻應(yīng)變片（以下簡稱貼片部分）的應(yīng)力（應(yīng)變）與彈性體承受的載荷（應(yīng)變）保持嚴(yán)格的對應(yīng)關(guān)系，提高應(yīng)力傳感器的靈敏度，使貼片部分達到較高的應(yīng)力（應(yīng)變）水平。

由此可見，彈性體的設(shè)計必須滿足以下兩個要求：

(1)應(yīng)力(應(yīng)變)應(yīng)與被測力保持嚴(yán)格對應(yīng)；

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

為了滿足上述兩個要求，應(yīng)力集中的設(shè)計原則經(jīng)常應(yīng)用于測力傳感器的彈性體設(shè)計，以確保補丁部分的應(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，以提高設(shè)計測力傳感器的測力靈敏度和測力精度。

改善應(yīng)力(應(yīng)變)不規(guī)則分布的應(yīng)力集中原則。

在機械部件或部件的設(shè)計過程中，應(yīng)力（應(yīng)變）通常被認(rèn)為是零件或部件的規(guī)則分布。如果零件或部件的截面形狀不改變，則無須考慮應(yīng)力（應(yīng)變）分布的不規(guī)則問題。事實上，在機械部件或部件的設(shè)計中，不考慮應(yīng)力（應(yīng)變）的不規(guī)則分布，而是通過強度計算中的安全系數(shù)。

對于測力傳感器，它通過電阻應(yīng)變片測量彈性體上貼片部分的應(yīng)變來測量被測力的大小。為了保證貼片部分的應(yīng)力（應(yīng)變）與被測力保持嚴(yán)格的對應(yīng)關(guān)系，實際上是為了保證彈性體貼片部分的應(yīng)力（應(yīng)變）應(yīng)按照一定的規(guī)律分布。在實際應(yīng)用中，對彈性體貼片部分應(yīng)力（應(yīng)變）分布影響較大的因素主要是彈性體應(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，力的作用點發(fā)生變化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。如果在設(shè)計彈性體結(jié)構(gòu)時不考慮這種情況，可能會導(dǎo)致彈性體上應(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)計師采用增加筒式測力傳感器彈性體貼片數(shù)量的方法，盡可能測量彈性體貼片周應(yīng)力(應(yīng)變)分布不均勻的情況。這種處理方法有一定的效果，可以減少彈性體受力條件變化引起的測力誤差。但這種方法畢竟是被動的方法，增加的貼片數(shù)量總是有限的，彈性體貼片周應(yīng)力(應(yīng)變)分布不均勻，測力誤差不夠明顯。

彈性體受力條件變化引起的測力誤差的本質(zhì)是彈性體貼片周圍應(yīng)力（應(yīng)變）的不規(guī)則分布。如果彈性體貼片周圍的應(yīng)力（應(yīng)變）分布受到一定條件的限制，則迫使貼片部分的應(yīng)力（應(yīng)變）按規(guī)律分布，因此彈性體貼片部分的應(yīng)力（應(yīng)變）與被測力基本保持嚴(yán)格的對應(yīng)關(guān)系，從而減少彈性體受力條件變化引起的測力誤差。

采用上述方法改進筒式測力傳感器。改進前普通筒式傳感器的測力誤差大于1%

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

提高應(yīng)力(應(yīng)變)水平的應(yīng)力集中原則。

如果測力傳感器達到較高的靈敏度，電阻應(yīng)變片通常應(yīng)具有較高的應(yīng)變水平，即彈性體貼片應(yīng)具有較高的應(yīng)力（應(yīng)變）水平。

有兩種常用的方法可以實現(xiàn)彈性體貼片的高應(yīng)力（應(yīng)變）水平：

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

(2)局部削弱貼片附近的彈性體，提高貼片附近的局部應(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補丁部分的應(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遠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補丁部分的應(yīng)力（應(yīng)變）水平，而且可以保持彈性體的高強度和剛度，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補丁應(yīng)力（應(yīng)變）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)力集中應(yīng)力（應(yīng)變）水平明顯高于彈性體其他應(yīng)力水平，將電阻應(yīng)變片粘貼在應(yīng)力集中，可測量較高的應(yīng)變水平。

局部應(yīng)力（應(yīng)變）集中的方法常用于測力傳感器的設(shè)計，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。局部應(yīng)力(應(yīng)變)集中方法采用成功的當(dāng)數(shù)剪切梁式測力傳感器。剪切梁式測力傳感器通過檢測梁式彈性體上的剪應(yīng)力(剪應(yīng)變)來實現(xiàn)測力。

對于梁構(gòu)件，其彎曲強度是主要矛盾。當(dāng)梁滿足彎曲強度時，剪切強度一般較大。在中性層附近挖盲孔時，截面上腹板上的剪切應(yīng)力（剪切應(yīng)變）顯著增加，但截面上的彎曲應(yīng)力很小。因此，在采用局部應(yīng)力集中方案后，檢測到的剪切應(yīng)力大大提高，顯著提高了測力傳感器的靈敏度，對整個梁的彎曲強度影響不大，使整個梁保持了良好的強度和剛度。

在測力傳感器的設(shè)計過程中，如果能有意識地按照上述兩種應(yīng)力集中的原則設(shè)計彈性體，就能獲得提高測力傳感器測力精度和測力靈敏度的良好效果。靈活、適當(dāng)?shù)剡\用應(yīng)力集中的原則對高性能測力傳感器的設(shè)計和生產(chǎn)具有重要的實用意義。