應變片測力傳感器的設計要求與測力原則

對于電阻應變片式測力傳感器，彈性體的結構形狀和相關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尺寸。如果測力傳感器的彈性體設計不合理，無論加工精度有多高，粘貼的電阻應變片質量有多好，測力傳感器都難以達到較高的測力性能。因此，在測力傳感器的設計過程中，合理設計彈性體至關重要。

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，不需要嚴格要求部件或部件的應力分布。但對于彈性體，除了滿足機械強度和剛度要求外，還必須保證電阻應變片（以下簡稱貼片部分）的應力（應變）與彈性體承受的載荷（應變）保持嚴格的對應關系，提高應力傳感器的靈敏度，使貼片部分達到較高的應力（應變）水平。

由此可見，彈性體的設計必須滿足以下兩個要求：

(1)應力(應變)應與被測力保持嚴格對應；

(2)貼片應具有較高的應力(應變)水平。

為了滿足上述兩個要求，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，以確保補丁部分的應力（應變）水平較高，并與測力保持嚴格的對應關系，以提高設計測力傳感器的測力靈敏度和測力精度。

改善應力(應變)不規(guī)則分布的應力集中原則。

在機械部件或部件的設計過程中，應力（應變）通常被認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，則無須考慮應力（應變）分布的不規(guī)則問題。事實上，在機械部件或部件的設計中，不考慮應力（應變）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，它通過電阻應變片測量彈性體上貼片部分的應變來測量被測力的大小。為了保證貼片部分的應力（應變）與被測力保持嚴格的對應關系，實際上是為了保證彈性體貼片部分的應力（應變）應按照一定的規(guī)律分布。在實際應用中，對彈性體貼片部分應力（應變）分布影響較大的因素主要是彈性體應力條件的變化。

彈性體受力條件的變化是指當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件和承載構件的接觸條件發(fā)生變化。如果在設計彈性體結構時不考慮這種情況，可能會導致彈性體上應力(應變)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力(應變)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，彈性體貼片周應力(應變)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是彈性體貼片周圍應力（應變）的不規(guī)則分布。如果彈性體貼片周圍的應力（應變）分布受到一定條件的限制，則迫使貼片部分的應力（應變）按規(guī)律分布，因此彈性體貼片部分的應力（應變）與被測力基本保持嚴格的對應關系，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。

提高應力(應變)水平的應力集中原則。

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

有兩種常用的方法可以實現(xiàn)彈性體貼片的高應力（應變）水平：

(1)全面降低彈性體尺寸，全面提高彈性體應力(應變)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力(應變)水平，而彈性體其他部位的應力(應變)水平基本不變。

以上兩種方法都可以提高補丁部分的應力（應變）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力（應變）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力（應變）水平的原理是：局部削弱彈性體，導致局部應力集中，使應力集中應力（應變）水平明顯高于彈性體其他應力水平，將電阻應變片粘貼在應力集中，可測量較高的應變水平。

局部應力（應變）集中的方法常用于測力傳感器的設計，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)的彈性體設計。局部應力(應變)集中方法采用成功的當數(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力(剪應變)來實現(xiàn)測力。

對于梁構件，其彎曲強度是主要矛盾。當梁滿足彎曲強度時，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力（剪切應變）顯著增加，但截面上的彎曲應力很小。因此，在采用局部應力集中方案后，檢測到的剪切應力大大提高，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。

在測力傳感器的設計過程中，如果能有意識地按照上述兩種應力集中的原則設計彈性體，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?shù)剡\用應力集中的原則對高性能測力傳感器的設計和生產(chǎn)具有重要的實用意義。