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测力传感器的设计过程应注意事项

时间:2021-03-29 点击次数:

对于电阻应变片式测力传感器,弹性体的结构形状和相关尺寸对测力传感器的性能影响很大。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,合理设计弹性体至关重要。

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,其结构不同于普通机械零件和零件。一般来说,普通机械零件和零件只需要满足足足够大的安全系数下的强度和刚度,不需要严格要求受力条件下的零件和零件的应力分布。但对于弹性体,除了满足机械强度和刚度要求外,还需要保证电阻应变片(以下简称贴片位置)的应力(应变)和弹性体承受的载荷(被测力)保持严格的应变关系;同时,为了提高测力传感器测力的灵敏度,贴片位置应达到更高的应力(应变)水平。

可见弹性体的设计必须满足以下两个要求:

(1)片段应具有较高的应力水平。

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,以确保芯片部分的应力(应变)水平高,与被测力保持严格的对应关系,提高设计的测力传感器的测力灵敏度和测力精度。

(2)贴片部位的应力(应变)应与被测力有严格的对应关系。

改善应力(应力)不规则分布的应力集中原则。

在机械零件或零件的设计过程中,应力(应变)通常被视为零件或零件的规则分布。如果零件或零件的截面形状没有变化,就没有必要考虑应力(应变)的不规则分布。事实上,在机械零件或零件的设计中,应力(应变)不规则分布的问题不是不考虑,而是在强度计算中包含安全系数。

对力传感器而言,通过电阻应变片测量弹性体芯片位置的应变来测量被测力的大小。为保证芯片位置的应力(应变)与被测力有严格的对应关系,事实上,当受力传感器受力时,弹性体芯片位置的应力(应变)应该按照一定的规则分布。实际上,弹性体芯片位置的应力(应变)分布影响较大的因素主要是弹性体受力条件的变化。

弹性体受力条件的变化是指弹性体受力大小不变时,力的作用点发生变化,或者弹性体与相邻加载部件之间的接触条件发生变化。如果在弹性体结构设计中没有考虑到这种情况,可能会导致弹性体应力(应力)分布的不规则变化。这方面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,一些传感器设计师使用筒式测力传感器弹性体增加贴片数量的方法,尽量在弹性体贴片部分的圆周应力(应力)分布不均匀时进行测量。这种处理方法有一定的效果,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,但是很难在弹性体圆周应力(应力)分布不均匀,测量不均匀。

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周围应力(应力)的不规则分布。当弹性体贴片周围应力(应力)分布受到一定条件的限制时,贴片部分的应力(应力)按一定规则分布,使弹性体贴片部分的应力(应力)与被测力基本保持严格的对应关系,减少弹性体受力条件变化引起的测力误差。

提高应力(应变)水平的应力集中原理。

为了使测力传感器达到更高的灵敏度,电阻应变片通常应该具有更高的应变水平,即弹性体上的片段应该具有更高的应力(应变)水平。

有两种常见的方法可以使弹性体上的贴片部分达到更高的应力(应变)水平:

(1)在贴片部位附近局部削弱弹性体,提高贴片部位的局部应力(应力)水平,弹性体其他部位的应力(应力)水平几乎不变。

以上两种方法都能提高芯片部位的应力(应变)水平,但但对于弹性体的整体性能,局部削弱弹性体的效果远大于整体削弱弹性体。局部削弱弹性体不仅可以提高芯片部分的应力(应变)水平,还可以保持整个弹性体的高强度和刚性,有助于提高传感器的性能和使用效果。

局部削弱弹性体提高芯片部位应力(应力)水平的原理是局部削弱弹性体,引起局部应力集中,应力集中部位的应力(应变)水平明显高于弹性体其他部位的应力水平,将电阻应变器粘贴到应力集中部位,可以测量高应变水平。

局部应力(应变)集中法常用于测力传感器的设计,尤其是在梁式测力传感器(如弯梁式和剪梁式测力传感器)的弹性体设计中。局部应力(应变)集中法广泛应用于当数剪切梁式测力传感器。剪切梁式测力传感器通过检测梁弹性体上的剪切应力(剪切应变)来实现测力。

对于梁型零件,其弯曲强度是主要矛盾。当梁达到弯曲强度时,剪切强度通常有很大的余量。盲孔被挖出后,截面上腹板上的剪切应力(剪切应力)明显增加,但截面上的弯曲应力增加较小。所以剪断梁弹性体采用局部应力集中方案后,检测到的剪断应力大大提高,测力传感器的灵敏度明显提高,对整个梁的弯曲应力影响较小,使整个梁保持良好的强度和刚度。

(2)整体减小弹性体尺寸,全面提高弹性体应力水平。

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