摘要：應(yīng)變式傳感器在力和壓力擁試領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用，分析了應(yīng)變式力傳感器應(yīng)變片粘貼位S選取的內(nèi)在機(jī)理，提出了提高應(yīng)變式力傳感器的測(cè)試靈敏度，戚小其非線性誤差的實(shí)用措施。

　　關(guān)鍵詞：電E應(yīng)變片;力傳感器;粘貼位置;測(cè)量電路;線性度;靈敏度

　　1　前言

　　電阻應(yīng)變片能把感受到的力轉(zhuǎn)換為電阻變化，再通過(guò)測(cè)童電路把電阻變化轉(zhuǎn)化為電壓變化。電阻應(yīng) 變式傳感器具有測(cè)量范圍廣,精度髙，測(cè)量誤差小，線 性特性好等優(yōu)點(diǎn)，且能在惡劣環(huán)境下工作，在力、壓力 和重量等測(cè)試中有非常廣泛的應(yīng)用。

　　其中測(cè)力傳感器常用的彈性敏感元件有柱式、懸 臂梁式、環(huán)式和框式等，可根據(jù)實(shí)際使用情況選取合 適的敏感元件，本文要討論的是柱式彈性敏感元件在 測(cè)試力時(shí)的應(yīng)用情況。

　　應(yīng)變式傳感器常用的測(cè)量電路有單臂電橋、差動(dòng) 半橋和差動(dòng)全橋，其中差動(dòng)全橋可提高電橋的靈敏度，消除電橋的非線性誤差，并可消除溫度誤差等共 模干擾。一般在測(cè)量中都使用4片應(yīng)變片組成差動(dòng)全橋,應(yīng)變片粘貼位置不同會(huì)影響測(cè)量的靈敏度和非線 性誤差，必須合理選取應(yīng)變片的粘貼位置來(lái)提高測(cè)量 精度。

　　2　應(yīng)變片分布設(shè)計(jì)

　　選取應(yīng)變片粘貼位置時(shí)，要把四片應(yīng)變片中的兩 片粘貼在最大正應(yīng)變處，把兩片放在負(fù)的最大應(yīng)變處，這樣可獲得最大的靈敏度。

　　當(dāng)采用如圖1所示的實(shí)心柱式彈性敏感元件，分 析在自由端力受力時(shí)的梁感受到的應(yīng)變情況,在受力f時(shí)，在圓柱體的軸向感受到的應(yīng)變?yōu)樽畲笳龖?yīng)變，其值為：

　　式中:―圓柱體感受到的軸向應(yīng)變，設(shè)定壓縮為正;F一施加在圓柱體上的壓力;E_材料彈性模量; A一圓柱體的截面積。

　　而在圓柱體的環(huán)向感受到的應(yīng)變?yōu)闉樽畲筘?fù)應(yīng)變，其值為

　　式中,一圓柱體感受到的環(huán)向應(yīng)變，設(shè)定壓縮為正μ一材料的泊松比。

　　由以上分析可知，圓柱體軸向就是最大正應(yīng)變 處，圓柱體的環(huán)向即為最大負(fù)應(yīng)變處。貼片時(shí)，在軸 向貼兩片應(yīng)變片,在環(huán)向貼兩片應(yīng)變片，可獲得最大 的靈敏度,貼片方法如圖1所示。

　　把軸向貼的應(yīng)變片R2和R3接到測(cè)量電橋中的相對(duì)橋臂上，在環(huán)向貼的應(yīng)變片盡和札接到測(cè)量電橋的另一相對(duì)橋臂上，組成差動(dòng)全橋電路，可獲得最大的靈敏度，另外還可以減小非線性誤差和溫度誤差等，采用的電橋結(jié)構(gòu)如圖2所示。

　
　　3　提高線性精度措施

　　當(dāng)施加作用力F時(shí)(壓縮），感受環(huán)向應(yīng)變的電阻R1和R4的阻值發(fā)生變化,變化成

　　式中:R0一應(yīng)變片的初始電阻值;K一應(yīng)變片的靈敏系數(shù)。

　　此時(shí)，感受軸向應(yīng)變的電阻R1與R3也發(fā)生變化， 變化成

　　當(dāng)采用圖2所示的全橋差動(dòng)電路進(jìn)行測(cè)量時(shí)，輸出電壓為：

　　由上式可以看出，電橋輸出電壓與被測(cè)力并不是線性關(guān)系，要獲得較大的線性測(cè)量范圍,要減小KF(1 -μ)的值�？刹捎脙煞N方法，一是測(cè)量較小的力，二是在滿足使用要求的情況下，盡量選取泊松比大的材料。

　　另外在實(shí)際測(cè)量中，被測(cè)力不可能正好沿著圓柱體的軸線作用，而總是與軸線之間有微小的角度或偏心,使得彈性體除了受縱向力作用以外，還受到橫向力和彎矩的作用，帶來(lái)非線行誤差。為了消除橫向力 的影響，可采用圖3所示的承彎膜片結(jié)構(gòu)。

　　圖3所采用的結(jié)構(gòu)為在傳感器剛性外殼上端面加 一片極薄的膜片，由于膜片在平面方向剛度很大，所以 作用在膜片平面內(nèi)的橫向力就經(jīng)過(guò)膜片傳遞到外殼或 底座,在垂直于平面方向的膜片剛度很小，所以沿柱體 軸向的變形正比于被測(cè)力。這樣，膜片就承受了絕大部 分橫向力和彎曲,消除了對(duì)測(cè)量精度的影響。

　　4　提高測(cè)試靈敏度方法

　　為提高應(yīng)變傳感器的測(cè)量靈敏度,可采用8片相同的應(yīng)變片，其中4片沿著軸向粘貼，另外4片沿著軸向粘貼，如圖4所示。

　　釆用8片應(yīng)變片組成應(yīng)變式測(cè)力傳感器，相比4片應(yīng)變片組成的電橋結(jié)構(gòu)，可提高靈敏度1倍左右，還可以提髙傳感器測(cè)量的線性特性。

　　由式(5)可知，要想提高傳感器的靈敏度，可以在 滿足使用要求的情況下減小橫截面積。但要考慮橫 截面積減小時(shí)，其抗彎能力減弱，對(duì)橫向干擾的敏感 程度增加。為了解決這一矛盾，在測(cè)置小集中力時(shí), 可以采用空心圓筒或承彎膜片,因?yàn)橄鄬?duì)于實(shí)心圓柱 體，空心圓筒在同樣橫截面積情況下，橫向剛度大，橫向穩(wěn)定性好。

　　另外,彈性圓柱體的高度對(duì)傳感器的精度和動(dòng)態(tài)特性都有影響，當(dāng)高度與外徑的比值大于1時(shí)，沿其中 間斷面上的應(yīng)力狀態(tài)和變形狀態(tài)與其端面上作用的 載荷性質(zhì)和接觸條件無(wú)關(guān)，在實(shí)際應(yīng)用中，一般采用 圓柱體的高度為外徑的2倍。

　　5　結(jié)構(gòu)優(yōu)化提高綜合精度

　　使用應(yīng)變式傳感器測(cè)量力時(shí)，可以采用輪輻結(jié)構(gòu) 彈性元件來(lái)減小非線性誤差，提髙靈敏度，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

　　輪輻式測(cè)力傳感器由輪圈、輪轱、輪輻條和應(yīng)變 片組成。輪輻條成對(duì)且對(duì)稱地連接輪圈和輪轱，當(dāng)外力作用在輪軸的上端面或者下端面時(shí),矩形輪輻條就 產(chǎn)生平行四邊形變形，形成與外力成正比的切應(yīng)變,8 片應(yīng)變片與輻條水平中心成45°角，分別粘貼在四根 輻條的正反兩面，并接成差動(dòng)全橋測(cè)量電路,當(dāng)被測(cè) 力作用在輪軸端面上時(shí)，沿輻條對(duì)角線縮短方向的應(yīng) 變片受壓，電阻值減小，沿輻條對(duì)角線伸長(zhǎng)方向的應(yīng) 變片受拉，電阻值增加,并且電橋的輸出電壓與被測(cè) 力之間具有良好的線性特性。且由于是按照剪切力 作用原理設(shè)計(jì)的,力作用點(diǎn)位置的精度對(duì)傳感器測(cè)量 精度影響不大。輪輻和輪圈的剛度很大，因此過(guò)載能力很強(qiáng)，線性測(cè)童范圍比較寬。（作者：高連軍）

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