測力傳感器設(shè)計的應(yīng)力集中原則

摘要：文中介紹了在測力傳感器的設(shè)計過程中經(jīng)常運用的兩種應(yīng)力集中的設(shè)計原則。按照這兩種應(yīng)力集中的原則，對彈性體進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，能夠收到提高測力傳感器的測力精度和測力靈敏度的良好效果。

關(guān)鍵詞：測力傳感器，應(yīng)力集中，精度，靈敏度

一、概述

對于電阻應(yīng)變片式測力傳感器（以下簡稱“測力傳感器”）來說，彈性體的結(jié)構(gòu)形狀與相關(guān)尺寸對測力傳感器性能的影響極大。可以說，測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。如果測力傳感器的彈性體設(shè)計不合理，無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，測力傳感器都難以達到較高的測力性能。因此，在測力傳感器的設(shè)計過程中，對彈性體進行合理的設(shè)計至關(guān)重要。

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

由此可見，在彈性體的設(shè)計過程中必須滿足以下兩項要求：

（1）貼片部位的應(yīng)力（應(yīng)變）應(yīng)與被測力保持嚴格的對應(yīng)關(guān)系；

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

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

二、改善應(yīng)力（應(yīng)變）不規(guī)則分布的“應(yīng)力集中”原則

在機械零件或構(gòu)件的設(shè)計過程中，通常認為應(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)則的問題。其實，在機械零件或構(gòu)件的設(shè)計中，對于應(yīng)力（應(yīng)變）不規(guī)則分布的問題并非不予考慮，而是通過強度計算中的安全系數(shù)將其包容在內(nèi)了。

對于測力傳感器來說，它是通過電阻應(yīng)變片測量彈性體上貼片部位的應(yīng)變來測量被測力的大小。若要保證貼片部位的應(yīng)力（應(yīng)變）與被測力保持嚴格的對應(yīng)關(guān)系，實際上就是保證在測力傳感器受力時，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。在實際應(yīng)用中，對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彈性體受力的大小不變時，力的作用點發(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)計時，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。這方面最典型的實例是筒式測力傳感器（見圖1）。 當筒式測力傳感器上、下端面均勻受力時，在彈性體貼片部位的整個圓周上應(yīng)力（應(yīng)變）的分布是均勻的。當上、下兩個端面上受力情況發(fā)生變化后，力在兩個端面的作用情況不再是均勻分布的，這時彈性體貼片部位圓周上應(yīng)力（應(yīng)變）的分布情況就難以預(yù)料了。如果筒式測力傳感器彈性體的高度與直徑之比

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