測力傳感器設計應遵循的兩種應力集中原則

對于電阻應變片式測力(以下簡(jiǎn)稱(chēng)測力)，彈性體的結構形狀和相關(guān)尺寸對測力性能有很大影響?？梢哉f(shuō)，性能主要取決于彈性體的形狀和相關(guān)尺寸。如果測力彈性體不合理，無(wú)論彈性體加工精度有多高，粘貼的電阻應變片質(zhì)量有多好，測力傳感器都很難達到更高的測力性能。因此，在測力傳感器的過(guò)程中，合理執行彈性體非常重要。

彈性體的設計基本上屬于機械結構設計的范圍，但由于測力性能的需要，其結構不同于普通機械零件和零件。一般來(lái)說(shuō)，普通機械零件和零件只需要滿(mǎn)足足足夠大的安全系數下的強度和剛度，不需要嚴格要求受力條件下零件和零件的應力分布。但是，對于彈性體，除了滿(mǎn)足機械強度和剛度的要求外，還必須保證在彈性體上粘貼電阻應變片的部分(以下簡(jiǎn)稱(chēng)片的部分)的應力(應變)和彈性體承受的負荷(被測量力)保持嚴格的應對關(guān)系。同時(shí)，為了提高測量傳感器測量力的靈敏度，片的部分必須達到更高的應力(應變)水平。

因此，在彈性體設計過(guò)程中必須滿(mǎn)足以下兩個(gè)要求。

(1)芯片部件的應力(應變)應與被測力保持嚴格的對應關(guān)系。

(2)貼片部分應具有較高的應力(應力)水平。

為了滿(mǎn)足上述兩個(gè)要求，應力集中的設計原則經(jīng)常應用于測力傳感器的彈性體設計，以確保芯片部分的應力(應變)水平高，與被測力保持嚴格的對應關(guān)系，提高設計的測力傳感器的測力靈敏度和測力精度。

改善應力(應變)不規則分布的應力集中原則。

在機械部件或部件的設計過(guò)程中，應力(應變)通常被認為是在部件或部件上規則分布的。如果部件或部件的截面形狀不變，就沒(méi)有必要考慮應力(應變)的不規則分布。事實(shí)上，在機械部件和部件的設計中，不考慮應力(應變)的不規則分布，而是通過(guò)強度計算的安全系數來(lái)包容。

對于力傳感器，通過(guò)電阻應變片測量彈性體芯片的應變來(lái)測量被測量的尺寸。為了確保芯片部分的應力(應變)與被測力保持嚴格的對應關(guān)系，事實(shí)上，當測力傳感器受到影響時(shí)，彈性體芯片部分的應力(應變)必須按照一定的規則分布。在實(shí)際應用中，彈性體芯片部分的應力(應變)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彈性體受力大小不變時(shí)，力的作用點(diǎn)發(fā)生變化，或者彈性體與其相鄰的加載部件和加載部件的接觸條件發(fā)生變化。在設計彈性體結構時(shí)，如果不考慮這種情況，可能會(huì )導致彈性體上應力(應變)分布的不規則變化。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，一些傳感器設計者采用在筒式測力傳感器彈性體上增加芯片數量的方法，盡量測量彈性體上芯片周?chē)膽?應力)分布不均勻。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(dòng)的，增加的芯片數量總是有限的，彈性體芯片部分的圓周應力(應力)分布不均勻，測量誤差降低的程度不明顯。

彈性體受力條件變化引起的測力誤差的本質(zhì)是彈性體芯片周?chē)鷳?應力)的不規則分布，彈性體芯片周?chē)鷳?應力)的分布受到一定條件的限制，使得芯片周?chē)鷳?應力)按照一定的規則分布。

作者用上述方法改進(jìn)了筒式測力傳感器。改進(jìn)前普通筒式傳感器的測量誤差超過(guò)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。

提高應力(應變)水平的應力集中原理。

當測力傳感器達到較高的靈敏度時(shí)，通常應使電阻應變片具有較高的應變水平，即在彈性體上貼片部分應具有較高的應力水平。

有兩種常用的方法可以達到彈性體貼片的高應力(應變)水平。

(1)整體減小彈性體尺寸，全面提高彈性體應力(應力)水平。

(2)在貼片部位附近局部削弱彈性體，提高貼片部位的局部應力水平，彈性體其他部位的應力水平幾乎不變。

上述兩種方法都能提高芯片部位的應力(應變)水平，但是就彈性體的整體性能而言，局部削弱彈性體的效果遠優(yōu)于整體減小彈性體的尺寸。由于局部減弱彈性體不僅能提高片段的應力(應變)水平，而且能保持整個(gè)彈性體的高強度和剛度，有助于改善傳感器的性能和使用效果。

局部削弱彈性體提高芯片應力(應變)水平的原理是通過(guò)局部削弱彈性體、局部應力集中、應力集中部應力(應變)水平明顯高于彈性體其他部應力水平，將電阻應變片粘貼在應力集中部，可以測量高應變水平。

在測力傳感器的設計中，尤其是在梁式測力傳感器(如彎梁式和剪梁式測力傳感器)的彈性體設計中，經(jīng)常采用局部應力性體設計中。局部應力(應變)集中方法廣泛應用于剪切梁式測力傳感器。剪切梁式測力傳感器通過(guò)檢測梁彈性體上的剪切應力(剪切應變)來(lái)實(shí)現測力。

對于梁構件而言，其彎曲強度是主要矛盾。當梁符合彎曲強度時(shí)，剪切強度通常較大。在中性層附近挖出盲孔后，截面上腹板的剪切應力(剪切應力)明顯增加，但截面的彎曲應力較小。因此，在切割梁彈性體采用局部應力集中方案后，檢測到的切割應力大大提高，測力傳感器的靈敏度明顯提高，對整個(gè)梁的彎曲強度影響小，使整個(gè)梁保持良好的強度和剛度。

在測力傳感器的設計過(guò)程中，如果能夠根據上述兩種應力集中原則自覺(jué)設計彈性體，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。靈活適當地運用應力集中原則，對設計和生產(chǎn)高性能測力傳感器具有重要的實(shí)用意義。

深圳市力準傳感技術(shù)有限公司是專(zhuān)業(yè)研發(fā)生產(chǎn)高品質(zhì)、高精度力值測量傳感器的廠(chǎng)家。主要產(chǎn)品有微型傳感器、拉式傳感器、S型傳感器、軸銷(xiāo)傳感器、測力傳感器、稱(chēng)重傳感器、變送器/放大器、控制儀表等力控產(chǎn)品達千余種。

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