測力傳感器設(shè)計(jì)應(yīng)遵循的兩種應(yīng)力集中原則

對(duì)于電阻應(yīng)變片式測力(以下簡稱測力)，彈性體的結(jié)構(gòu)形狀和相關(guān)尺寸對(duì)測力性能有很大影響。可以說，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，無論彈性體加工精度有多高，粘貼的電阻應(yīng)變片質(zhì)量有多好，測力傳感器都很難達(dá)到更高的測力性能。因此，在測力傳感器的過程中，合理執(zhí)行彈性體非常重要。

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)不同于普通機(jī)械零件和零件。一般來說，普通機(jī)械零件和零件只需要滿足足足夠大的安全系數(shù)下的強(qiáng)度和剛度，不需要嚴(yán)格要求受力條件下零件和零件的應(yīng)力分布。但是，對(duì)于彈性體，除了滿足機(jī)械強(qiáng)度和剛度的要求外，還必須保證在彈性體上粘貼電阻應(yīng)變片的部分(以下簡稱片的部分)的應(yīng)力(應(yīng)變)和彈性體承受的負(fù)荷(被測量力)保持嚴(yán)格的應(yīng)對(duì)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(dá)到更高的應(yīng)力(應(yīng)變)水平。

因此，在彈性體設(shè)計(jì)過程中必須滿足以下兩個(gè)要求。

(1)芯片部件的應(yīng)力(應(yīng)變)應(yīng)與被測力保持嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

(2)貼片部分應(yīng)具有較高的應(yīng)力(應(yīng)力)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)，以確保芯片部分的應(yīng)力(應(yīng)變)水平高，與被測力保持嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系，提高設(shè)計(jì)的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(jī)械部件或部件的設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)力(應(yīng)變)通常被認(rèn)為是在部件或部件上規(guī)則分布的。如果部件或部件的截面形狀不變，就沒有必要考慮應(yīng)力(應(yīng)變)的不規(guī)則分布。事實(shí)上，在機(jī)械部件和部件的設(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)算的安全系數(shù)來包容。

對(duì)于力傳感器，通過電阻應(yīng)變片測量彈性體芯片的應(yīng)變來測量被測量的尺寸。為了確保芯片部分的應(yīng)力(應(yīng)變)與被測力保持嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系，事實(shí)上，當(dāng)測力傳感器受到影響時(shí)，彈性體芯片部分的應(yīng)力(應(yīng)變)必須按照一定的規(guī)則分布。在實(shí)際應(yīng)用中，彈性體芯片部分的應(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(shè)計(jì)彈性體結(jié)構(gòu)時(shí)，如果不考慮這種情況，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。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(jì)者采用在筒式測力傳感器彈性體上增加芯片數(shù)量的方法，盡量測量彈性體上芯片周圍的應(yīng)力(應(yīng)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(shù)量總是有限的，彈性體芯片部分的圓周應(yīng)力(應(yīng)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)是彈性體芯片周圍應(yīng)力(應(yīng)力)的不規(guī)則分布，彈性體芯片周圍應(yīng)力(應(yīng)力)的分布受到一定條件的限制，使得芯片周圍應(yīng)力(應(yīng)力)按照一定的規(guī)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)力集中原理。

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

有兩種常用的方法可以達(dá)到彈性體貼片的高應(yīng)力(應(yīng)變)水平。

(1)整體減小彈性體尺寸，全面提高彈性體應(yīng)力(應(yīng)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(yīng)力水平，彈性體其他部位的應(yīng)力水平幾乎不變。

上述兩種方法都能提高芯片部位的應(yīng)力(應(yīng)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(yuǎn)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(yīng)力(應(yīng)變)水平，而且能保持整個(gè)彈性體的高強(qiáng)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(yīng)力(應(yīng)變)水平的原理是通過局部削弱彈性體、局部應(yīng)力集中、應(yīng)力集中部應(yīng)力(應(yīng)變)水平明顯高于彈性體其他部應(yīng)力水平，將電阻應(yīng)變片粘貼在應(yīng)力集中部，可以測量高應(yīng)變水平。

在測力傳感器的設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)中，經(jīng)常采用局部應(yīng)力性體設(shè)計(jì)中。局部應(yīng)力(應(yīng)變)集中方法廣泛應(yīng)用于剪切梁式測力傳感器。剪切梁式測力傳感器通過檢測梁彈性體上的剪切應(yīng)力(剪切應(yīng)變)來實(shí)現(xiàn)測力。

對(duì)于梁構(gòu)件而言，其彎曲強(qiáng)度是主要矛盾。當(dāng)梁符合彎曲強(qiáng)度時(shí)，剪切強(qiáng)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(yīng)力(剪切應(yīng)力)明顯增加，但截面的彎曲應(yīng)力較小。因此，在切割梁彈性體采用局部應(yīng)力集中方案后，檢測到的切割應(yīng)力大大提高，測力傳感器的靈敏度明顯提高，對(duì)整個(gè)梁的彎曲強(qiáng)度影響小，使整個(gè)梁保持良好的強(qiáng)度和剛度。

在測力傳感器的設(shè)計(jì)過程中，如果能夠根據(jù)上述兩種應(yīng)力集中原則自覺設(shè)計(jì)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\(yùn)用應(yīng)力集中原則，對(duì)設(shè)計(jì)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(zhǔn)傳感技術(shù)有限公司是專業(yè)研發(fā)生產(chǎn)高品質(zhì)、高精度力值測量傳感器的廠家。主要產(chǎn)品有微型傳感器、拉式傳感器、S型傳感器、軸銷傳感器、測力傳感器、稱重傳感器、變送器/放大器、控制儀表等力控產(chǎn)品達(dá)千余種。

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