测力传感器设计的应力集中原则

测力传感器设计的应力集中原则
2006-12-06 来源：中国自动化网浏览：63
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一、概述
电阻应变片式测力传感器（以下简称“测力传感器”）来说，弹性体结构形状与相关尺寸对测力传感器性能影响极大。

可以说，测力传感器性能主要取决于其弹性体形状及相关尺寸。

测力传感器弹性体设计不合理，弹性体加工精度多高、粘贴电阻应变片品质多好，测力传感器都难以达到较高测力性能。

，测力传感器设计过程中，对弹性体进行合理设计至关重要。

弹性体设计基本属于机械结构设计范围，但因测力性能需要，其结构上与普通机械零件和构件有所不同。

一般说来，普通机械零件和构件只须满足足够大安全系数下强度和刚度即可，对受力条件下零件或构件上应力分布情况不必严格要求。

，弹性体来说，需要满足机械强度和刚度要求以外，必须保证弹性体上粘贴电阻应变片部位（以下简称“贴片部位”）应力（应变）与弹性体承受载荷（被测力）保持严格对应关系；同时，提高测力传感器测力灵敏度，还应使贴片部位达到较高应力（应变）水平。

由此可见，弹性体设计过程中必须满足以下两项要求：
（1）贴片部位应力（应变）应与被测力保持严格对应关系；
（2）贴片部位应具有较高应力（应变）水平。

满足上述两项要求，测力传感器弹性体设计方面，经常应用“应力集中”设计原则，确保贴片部位应力（应变）水平较高，并与被测力保持严格对应关系，以提高所设计测力传感器测力灵敏度和测力精度。

二、改善应力（应变）不规则分布“应力集中”原则
机械零件或构件设计过程中，通常认为应力（应变）零件或构件上是规则分布，零件或构件截面形状不发生变化，不必考虑应力（应变）分布不规则问题。

其实，机械零件或构件设计中，应力（应变）不规则分布问题并非不予考虑，强度计算中安全系数将其包容内了。

测力传感器来说，它是电阻应变片测量弹性体上贴片部位应变来测量被测力大小。

若要保证贴片部位应力（应变）与被测力保持严格对应关系，实际上就是保证测力传感器受力时，弹性体上贴片部位应力（应变）要某一规律分布。

实际应用中，弹性体贴片部位应力（应变）分布影响较大因素主弹性体受力条件变化。

弹性体受力条件变化是指当弹性体受力大小不变时，力作用点发生变化或弹性体相邻加载构件和承载构件接触条件发生变化。

弹性体结构设计时，未能考虑这一情况，就可能造成弹性体上应力（应变）分布不规则变化。

这方面最典型实例是筒式测力传感器（见图1）。

当筒式测力传感器上、下端面均匀受力时，弹性体贴片部位整个圆周上应力（应变）分布是均匀。

当上、下两个端面上受力情况发生变化后，力两个端面作用情况不再是均匀分布，这时弹性体贴片部位圆周上应力（应变）分布情况就难以预料了。

筒式测力传感器弹性体高度与直径之比足够大，弹性体贴片部位圆周上应力（应变）基本上均匀分布。

，实际应用中，通常很少能为测力传感器提供较大安装空间位置，筒式测力传感器弹性体高度与直径之比很难做到足够大，弹性体贴片部位圆周上应力（应变）将不均匀分布，不均匀分布情况随弹性体受力情况变化而改变。

这样条
件下，弹性体贴片部位应力（应变）与被测力不能保持严格对应关系，将造成明显测力误差。

减小弹性体受力条件变化引起测力误差，有些传感器设计者采取筒式测力传感器弹性体上增加贴片数量方法，尽可能将弹性体上贴片部位圆周上应力（应变）分布不均匀情况测量出来。

这样处理方法有一定效果，可以减小弹性体受力条件变化引起测力误差。

但这种方法毕竟是一种被动方法，增加贴片数量总是有限，很难把弹性体上贴片部位圆周上应力（应变）分布不均匀情况全部测量出来，测力误差减小程度不够显著。

弹性体受力条件变化引起测力误差实质是弹性体贴片部位圆周上应力（应变）不规则分布，能使弹性体贴片部位圆周上应力（应变）分布受到一定条件约束，迫使贴片部位应力（应变）某一规律分布，使弹性体贴片部位应力（应变）与被测力基本保持严格对应关系，由此来减小因弹性体受力条件变化引起测力误差。

筒式测力传感器来说，承载强度足够条件下，将弹性体贴片部位圆周上不贴片部位挖空（见图2），使应力只能未挖空部位分布，大大改善了应力（应变）不规则分布情况。

说，应力（应变）不规则分布仅仅限于未挖空部位，其不规则分布程度不会很大。

，未挖空部位粘贴电阻应变片，就能使测应力（应变）与被测力基本保持严格对应关系。

上述处理方法实际上出于这样一个原理：某种措施，使弹性体上应力（应变）集中分布便于贴片检测部位，实现测应力（应变）与被测力基本保持严格对应关系，以保证传感器测力精度。

作者曾用上述方法对筒式测力传感器进行改进。

改进前普通筒式传感器测力误差大于1% F.S.，改进后（局部挖空）筒式传感器测力误差为0.1~0.3%F.S.，测力精度明显提高。

三、提高应力（应变）水平应力集中原则
若要测力传感器达到较高灵敏度，通常应该使电阻应变片有较高应变水平，即弹性体上贴片部位应该有较高应力（应变）水平。

实现弹性体上贴片部位达到较高应力（应变）水平有两种常用方法：
（1）整体减小弹性体尺寸，全面提高弹性体上应力（应变）水平；
（2）贴片部位附近对弹性体进行局部削弱，使贴片部位局部应力（应变）水平提高，而弹性体其它部位应力（应变）水平基本不变。

以上两种方法都可以提高贴片部位应力（应变）水平，但对弹性体整体性能而言，局部削弱弹性体效果要远好于整体减小弹性体尺寸。

局部削弱弹性体既能提高贴片部位应力（应变）水平，又使弹性体整体保持较高强度和刚度，有利于提高传感器性能和使用效果。

局部削弱弹性体提高贴片部位应力（应变）水平原理是：局部削弱弹性体，造成局部应力集中，使应力集中部位应力（应变）水平明显高于弹性体其它部位应力水平，将电阻应变片粘贴于应力集中部位，就可以测较高应变水平。

局部应力（应变）集中方法测力传感器设计中经常被采用，尤其梁式测力传感器（如弯曲梁式和剪切梁式测力传感器）弹性体设计中被广泛应用。

局部应力（应变）集中方法应用较为成功当数剪切梁式测力传感器。

剪切梁式测力传感器是检测梁式弹性体上剪应力（剪应变）实现测力，其弹性体结构如图3所示（便于说明问题，这里仅以一简支梁式弹性体为例）。

由材料力学中有关梁应力分布知识可知，当梁承受横向（弯曲）载荷时，梁中性层处剪应力（剪应变）最大。

要检测梁上剪应变，应该梁中性层处贴片。

提高贴片处剪应力（剪应变）水平，可将弹性体两侧各挖一个盲孔（见图32处），盲孔中心应中性层处。

电阻应变片应该粘贴盲孔底面上，即图3中工字形断面（A－A剖面）腹板上。

梁形构件来说，其弯曲强度是主要矛盾。

一个梁满足弯曲强度情况下，剪切强度一般裕量较大。

当中性层附近挖盲孔后，该截面上腹板上剪应力（剪应变）明显提高，该截面上弯曲应力提高很小。

，剪切梁式弹性体应用局部应力集中方案后，被检测剪应变大大提高，使该测力传感器灵敏度显著提高，而对整个梁弯曲强度影响很小，使整个梁保持了良好强度和刚度。

四、小结
测力传感器设计过程中，如能自觉上述两种应力集中原则，对弹性体进行结构设计，就能够收到提高测力传感器测力精度和测力灵敏度良好效果。

灵活、恰当运用应力集中原则，设计和生产高性能测力传感器具有重要实用意义。