《電子技術(shù)應(yīng)用》
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測(cè)力傳感器的設(shè)計(jì)過(guò)程應(yīng)力集中原則
摘要: 對(duì)于電阻應(yīng)變片式測(cè)力傳感器(以下簡(jiǎn)稱“測(cè)力傳感器”)來(lái)說(shuō),彈性體的結(jié)構(gòu)形狀與相關(guān)尺寸對(duì)測(cè)力傳感器性能的影響極大,??梢哉f(shuō),測(cè)力傳感器的性能主要取決于其彈性體的形狀及相關(guān)尺寸,。如果測(cè)力傳感器的彈性體設(shè)計(jì)不合理,,無(wú)論彈性體的加工精度多高、粘貼的電阻應(yīng)變片的品質(zhì)多好,,測(cè)力傳感器都難以達(dá)到較高的測(cè)力性能。因此,,在測(cè)力傳感器的設(shè)計(jì)過(guò)程中,,對(duì)彈性體進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。
Abstract:
Key words :

      一,、概述

  對(duì)于電阻應(yīng)變片式測(cè)力傳感器(以下簡(jiǎn)稱“測(cè)力傳感器”)來(lái)說(shuō),,彈性體的結(jié)構(gòu)形狀與相關(guān)尺寸對(duì)測(cè)力傳感器性能的影響極大??梢哉f(shuō),,測(cè)力傳感器的性能主要取決于其彈性體的形狀及相關(guān)尺寸。如果測(cè)力傳感器的彈性體設(shè)計(jì)不合理,,無(wú)論彈性體的加工精度多高,、粘貼的電阻應(yīng)變片的品質(zhì)多好,測(cè)力傳感器都難以達(dá)到較高的測(cè)力性能,。因此,,在測(cè)力傳感器的設(shè)計(jì)過(guò)程中,對(duì)彈性體進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)至關(guān)重要,。

  彈性體的設(shè)計(jì)基本屬于機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的范圍,,但因測(cè)力性能的需要,其結(jié)構(gòu)上與普通的機(jī)械零件和構(gòu)件有所不同,。一般說(shuō)來(lái),,普通的機(jī)械零件和構(gòu)件只須滿足在足夠大的安全系數(shù)下的強(qiáng)度和剛度即可,對(duì)在受力條件下零件或構(gòu)件上的應(yīng)力分布情況不必嚴(yán)格要求,。然而,,對(duì)于彈性體來(lái)說(shuō),除了需要滿足機(jī)械強(qiáng)度和剛度要求以外,,必須保證彈性體上粘貼電阻應(yīng)變片部位(以下簡(jiǎn)稱“貼片部位”)的應(yīng)力(應(yīng)變)與彈性體承受的載荷(被測(cè)力)保持嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系;同時(shí),,為了提高測(cè)力傳感器測(cè)力的靈敏度,還應(yīng)使貼片部位達(dá)到較高的應(yīng)力(應(yīng)變)水平,。

  由此可見(jiàn),,在彈性體的設(shè)計(jì)過(guò)程中必須滿足以下兩項(xiàng)要求:

  (1)貼片部位的應(yīng)力(應(yīng)變)應(yīng)與被測(cè)力保持嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系;

  (2)貼片部位應(yīng)具有較高的應(yīng)力(應(yīng)變)水平。

  為了滿足上述兩項(xiàng)要求,,在測(cè)力傳感器的彈性體設(shè)計(jì)方面,,經(jīng)常應(yīng)用“應(yīng)力集中”的設(shè)計(jì)原則,,確保貼片部位的應(yīng)力(應(yīng)變)水平較高,并與被測(cè)力保持嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系,,以提高所設(shè)計(jì)測(cè)力傳感器的測(cè)力靈敏度和測(cè)力精度,。

  二、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)械零件或構(gòu)件的設(shè)計(jì)過(guò)程中,,通常認(rèn)為應(yīng)力(應(yīng)變)在零件或構(gòu)件上是規(guī)則分布的,,如果零件或構(gòu)件的截面形狀不發(fā)生變化,不必考慮應(yīng)力(應(yīng)變)分布不規(guī)則的問(wèn)題,。其實(shí),,在機(jī)械零件或構(gòu)件的設(shè)計(jì)中,對(duì)于應(yīng)力(應(yīng)變)不規(guī)則分布的問(wèn)題并非不予考慮,,而是通過(guò)強(qiáng)度計(jì)算中的安全系數(shù)將其包容在內(nèi)了,。

  對(duì)于測(cè)力傳感器來(lái)說(shuō),它是通過(guò)電阻應(yīng)變片測(cè)量彈性體上貼片部位的應(yīng)變來(lái)測(cè)量被測(cè)力的大小,。若要保證貼片部位的應(yīng)力(應(yīng)變)與被測(cè)力保持嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系,,實(shí)際上就是保證在測(cè)力傳感器受力時(shí),彈性體上貼片部位的應(yīng)力(應(yīng)變)要按照某一規(guī)律分布,。在實(shí)際應(yīng)用中,,對(duì)于彈性體貼片部位應(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當(dāng)彈性體受力的大小不變時(shí),,力的作用點(diǎn)發(fā)生變化或彈性體與其相鄰的加載構(gòu)件和承載構(gòu)件的接觸條件發(fā)生變化,。如果在彈性體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),未能考慮這一情況,,就可能造成彈性體上應(yīng)力(應(yīng)變)分布的不規(guī)則變化,。這方面最典型的實(shí)例是筒式測(cè)力傳感器。為了減小由于彈性體受力條件的變化引起的測(cè)力誤差,,有些傳感器設(shè)計(jì)者采取在筒式測(cè)力傳感器彈性體上增加貼片數(shù)量的方法,,盡可能將彈性體上貼片部位圓周上應(yīng)力(應(yīng)變)分布不均勻的情況測(cè)量出來(lái)。這樣的處理方法有一定的效果,,可以減小彈性體受力條件的變化引起的測(cè)力誤差,。但這種方法畢竟是一種被動(dòng)的方法,增加的貼片數(shù)量總是有限的,,還是很難把彈性體上貼片部位圓周上應(yīng)力(應(yīng)變)分布不均勻的情況全部測(cè)量出來(lái),,測(cè)力誤差減小的程度不夠顯著。

  由于彈性體受力條件的變化引起的測(cè)力誤差的實(shí)質(zhì)是彈性體貼片部位圓周上的應(yīng)力(應(yīng)變)的不規(guī)則分布,,如果能使彈性體貼片部位圓周上的應(yīng)力(應(yīng)變)分布受到一定條件的約束,,迫使貼片部位的應(yīng)力(應(yīng)變)按照某一規(guī)律分布,因而使得彈性體貼片部位的應(yīng)力(應(yīng)變)與被測(cè)力基本保持嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系,由此來(lái)減小因彈性體受力條件的變化引起的測(cè)力誤差,。

  作者曾用上述方法對(duì)筒式測(cè)力傳感器進(jìn)行改進(jìn),。改進(jìn)前的普通筒式傳感器測(cè)力誤差大于1%

  F.S.,改進(jìn)后(局部挖空)的筒式傳感器測(cè)力誤差為0.1~0.3%F.S.,,測(cè)力精度明顯提高,。

  三、提高應(yīng)力(應(yīng)變)水平的應(yīng)力集中原則

  若要測(cè)力傳感器達(dá)到較高的靈敏度,,通常應(yīng)該使電阻應(yīng)變片有較高的應(yīng)變水平,,即在彈性體上貼片部位應(yīng)該有較高的應(yīng)力(應(yīng)變)水平。

  實(shí)現(xiàn)彈性體上貼片部位達(dá)到較高應(yīng)力(應(yīng)變)水平有兩種常用的方法:

  (1)整體減小彈性體的尺寸,,全面提高彈性體上的應(yīng)力(應(yīng)變)水平;

  (2)在貼片部位附近對(duì)彈性體進(jìn)行局部削弱,,使貼片部位局部應(yīng)力(應(yīng)變)水平提高,而彈性體其它部位的應(yīng)力(應(yīng)變)水平基本不變,。

  以上兩種方法都可以提高貼片部位的應(yīng)力(應(yīng)變)水平,但對(duì)彈性體整體性能而言,,局部削弱彈性體的效果要遠(yuǎn)好于整體減小彈性體尺寸,。因?yàn)榫植肯魅鯊椥泽w既能提高貼片部位的應(yīng)力(應(yīng)變)水平,又使得彈性體整體保持較高的強(qiáng)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貼片部位應(yīng)力(應(yīng)變)水平的原理是:通過(guò)局部削弱彈性體,造成局部的應(yīng)力集中,,使得應(yīng)力集中部位的應(yīng)力(應(yīng)變)水平明顯高于彈性體其它部位的應(yīng)力水平,,將電阻應(yīng)變片粘貼于應(yīng)力集中部位,就可以測(cè)得較高的應(yīng)變水平,。

  局部應(yīng)力(應(yīng)變)集中的方法在測(cè)力傳感器的設(shè)計(jì)中經(jīng)常被采用,,尤其在梁式測(cè)力傳感器(如彎曲梁式和剪切梁式測(cè)力傳感器)的彈性體設(shè)計(jì)中被廣泛應(yīng)用。局部應(yīng)力(應(yīng)變)集中方法應(yīng)用較為成功的當(dāng)數(shù)剪切梁式測(cè)力傳感器,。剪切梁式測(cè)力傳感器是通過(guò)檢測(cè)梁式彈性體上的剪應(yīng)力(剪應(yīng)變)實(shí)現(xiàn)測(cè)力的,。

  對(duì)于梁形構(gòu)件來(lái)說(shuō),其彎曲強(qiáng)度是主要矛盾,。在一個(gè)梁滿足彎曲強(qiáng)度的情況下,,剪切強(qiáng)度一般裕量較大。當(dāng)在中性層附近挖盲孔后,,該截面上腹板上的剪應(yīng)力(剪應(yīng)變)明顯提高,,然而該截面上的彎曲應(yīng)力提高很小。因此,,剪切梁式彈性體應(yīng)用局部應(yīng)力集中方案后,,被檢測(cè)的剪應(yīng)變大大提高,使該測(cè)力傳感器的靈敏度顯著提高,而對(duì)整個(gè)梁的彎曲強(qiáng)度影響很小,,使整個(gè)梁保持了良好的強(qiáng)度和剛度,。

  四、小結(jié)

  在測(cè)力傳感器的設(shè)計(jì)過(guò)程中,,如能自覺(jué)地按照上述兩種應(yīng)力集中的原則,,對(duì)彈性體進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),就能夠收到提高測(cè)力傳感器的測(cè)力精度和測(cè)力靈敏度的良好效果,。靈活,、恰當(dāng)?shù)剡\(yùn)用應(yīng)力集中的原則,對(duì)于設(shè)計(jì)和生產(chǎn)高性能的測(cè)力傳感器具有重要的實(shí)用意義,。
 

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