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测力传感器的性能要求与应力水平概述

时间:2021-10-08 点击次数:

测力传感器的性能中:弹性体的结构形状和相关尺寸对测力传感器的性能有很大影响。可以说,测力传感器的性能主要取决于其弹性体的形状和相关尺寸。如果测力传感器的弹性体设计不合理,无论弹性体的加工精度有多高,粘贴的电阻应变片的质量有多好,测力传感器都很难达到更高的测力性能。因此,在测力传感器的设计过程中,弹性体的合理设计非常重要。

弹性体的设计基本上属于机械结构设计的范围,但由于测力性能的需要,其结构与普通机械零件和构件不同。一般来说,普通机械零件和构件只需要满足足大的安全系数下满足强度和刚度,不需要在受力条件下严格要求零件或构件的应力分布。但对于弹性体来说,除了满足机械强度和刚度的要求外,还必须保证电阻应变片(以下简称贴片)的应力(应变)与弹性体的载荷(被测力)保持严格的对应关系;同时,为了提高测力传感器的灵敏度,贴片应达到较高的应力(应变)水平。

由此可见,弹性体的设计必须满足以下两个要求:

(1)贴片部位的应力(应变)应与被测力保持严格的对应关系;

(2)贴片应具有较高的应力(应变)水平。

为了满足上述两个要求,应力集中的设计原则经常应用于测力传感器的弹性体设计,以确保贴片的应力(应变)水平较高,并与测力保持严格的对应关系,从而提高测力传感器的测力灵敏度和精度。

提高应力(应变)不规则分布的应力集中原则;

在机械零件或构件的设计过程中,应力(应变)通常分布在零件或构件上。如果零件或构件的截面形状没有改变,则不需要考虑不规则的应力分布。事实上,在机械零件或构件的设计中,不考虑应力(应变)的不规则分布,而是通过强度计算中的安全系数来包容。

测力传感器通过电阻应变片测量弹性体上贴片的应变来测量测力。如果要保证贴片部分的应力(应变)与被测力保持严格的对应关系,其实就是保证贴片部分的应力(应变)在测力传感器受力时定期分布在弹性体上。影响弹性体贴片应力(应变)分布的主要因素是弹性体应力条件的变化。

弹性体受力条件的变化是指当弹性体受力大小不变时,力的作用点或弹性体与相邻加载构件和承载构件的接触条件发生变化。如果不考虑弹性体结构的设计,可能会导致弹性体上应力(应变)分布的不规则变化。最典型的例子是筒式测力传感器。为了减少弹性体受力条件变化引起的测力误差,一些传感器设计师采用增加缸式测力传感器弹性体上分布不均匀的方法。这种处理方法可以减少弹性体受力条件变化引起的测力误差。但这种方法毕竟是一种被动的方法,增加的贴片数量总是有限的,仍然很难测量弹性体贴片周围的应力(应变)分布不均匀,测力误差不够显著。

弹性体受力条件变化引起的测力误差的本质是弹性体贴片圆周应力(应变)的不规则分布。如果弹性贴片的圆周应力(应变)应变分布受到一定条件的限制,则会迫使贴片的应力(应变)按一定规律分布,使弹性贴片的应力(应变)与被测力基本保持严格的对应关系,从而减少弹性体应力条件变化引起的测力误差。

上述方法改进了筒式测力传感器。改进前,普通筒式传感器的测力误差大于1%

改进后(局部挖空)筒式传感器的测力误差为0.1~0.3%F.S,测力精度明显提高。

提高应力(应变)水平的应力集中原则;

如果测力传感器灵敏度高,电阻应变片通常应具有较高的应变水平,即弹性体上的贴片应具有较高的应力(应变)水平。

实现弹性体水平有两种常用方法:

(1)降低弹性体整体尺寸,全面提高弹性体应力(应变)水平;

(2)局部削弱贴片部位附近的弹性体,提高贴片部位的局部应力(应变)水平,而弹性体其他部位的应力(应变)水平基本不变。

以上两种方法都可以提高贴片的应力(应变)水平,但对于弹性体的整体性能,局部削弱弹性体的效果远好于整体减小弹性体的尺寸。由于局部削弱弹性体不仅可以提高贴片的应力(应变)水平,而且可以保持弹性体的高强度和刚度,有利于提高传感器的性能和使用效果。

提高贴片应力水平的原理是局部削弱弹性体,导致局部应力集中,使应力集中部分的应力水平明显高于弹性体的其他部分。如果电阻应变片粘贴在应力集中位置,则可以测量更高的应变水平。

局部应力(应变)集中法常用于测力传感器的设计,尤其是梁式测力传感器(如弯曲梁式和剪切梁式测力传感器)的弹性体设计。当数剪切梁测力传感器成功应用局部应力(应变)集中方法。剪切梁测力传感器通过检测梁弹性体上的剪应力(剪应变)来实现测力。

弯曲强度是梁构件的主要矛盾。当梁符合弯曲强度时,剪切强度一般较大。在中性层附近挖盲孔时,截面上腹板上的剪应力(剪应变)明显增加,但截面上的弯应力增加不大。因此,剪切梁弹性体采用局部应力集中方案后,检测到的剪切应变大大提高了测力传感器的灵敏度,对整个梁的弯曲强度影响不大,使整个梁保持了良好的强度和刚度。

总结:

测力传感器的设计过程中,如果弹性体能按照上述两种应力集中原则自觉设计,就能提高测力传感器的测力精度和灵敏度。高性能测力传感器的设计和生产具有重要的实用意义。

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