為了達(dá)到較高的靈敏度,測力傳感器通常應(yīng)使電阻應(yīng)變片具有較高的應(yīng)變水平,即彈性體上的補(bǔ)丁部分應(yīng)具有較高的應(yīng)力(應(yīng)變)水平。通常有兩種常用的方法可以實(shí)現(xiàn)彈性體上貼片部位的高應(yīng)力(應(yīng)變)水平:
(1)整體減小彈性體的尺寸,全面提高彈性體的應(yīng)力(應(yīng)變)水平;
(2)局部削弱貼片部位附近的彈性體,提高貼片部位的局部應(yīng)力(應(yīng)變)水平,而彈性體其他部位的應(yīng)力(應(yīng)變)水平基本不變。
上述兩種方法都可以提高貼片部分的應(yīng)力(應(yīng)變)水平,但對于彈性體的整體性能,局部削弱彈性體的效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于整體減小彈性體的尺寸。因?yàn)榫植咳趸瘡椥泽w不僅可以提高貼片部分的應(yīng)力(應(yīng)變)水平,而且可以使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。
局部弱化彈性體提高貼片部分應(yīng)力(應(yīng)變)水平的原理是:局部弱化彈性體導(dǎo)致局部應(yīng)力集中,使應(yīng)力集中部分的應(yīng)力(應(yīng)變)水平明顯高于彈性體其他部分的應(yīng)力水平。通過將電阻應(yīng)變貼片粘貼在應(yīng)力集中部分,可以測量較高的應(yīng)變水平。
在測力傳感器的研發(fā)中,經(jīng)常采用局部應(yīng)力(應(yīng)變)集中法,尤其是在梁式測力傳感器(如彎梁式和剪切梁式測力傳感器)的彈性體研發(fā)中。當(dāng)數(shù)剪切梁式測力傳感器應(yīng)用于局部應(yīng)力(應(yīng)變)集中方法。剪梁測力傳感器通過檢測梁彈性體上的剪應(yīng)力(剪應(yīng)變)來實(shí)現(xiàn)測力。彈性體的結(jié)構(gòu)如圖3所示(為了便于解釋問題,這里僅以一個(gè)簡單的支梁彈性體為例)。
從材料力學(xué)中梁的應(yīng)力分布知識可以看出,當(dāng)梁承受橫向(彎曲)載荷時(shí),應(yīng)力(剪應(yīng)變)在梁的中性層處最大。若要檢測梁上的剪應(yīng)變,應(yīng)在梁的中性層上貼片。為提高貼片處的剪應(yīng)力(剪應(yīng)變)水平,可在彈性體兩側(cè)各挖一個(gè)盲孔,盲孔的中心應(yīng)位于中性層。應(yīng)在盲孔底面粘貼電阻應(yīng)變片,即圖3中工字形截面(A-A剖面)的腹板。
對梁形構(gòu)件而言,其彎曲強(qiáng)度是主要矛盾。當(dāng)一梁滿足彎曲強(qiáng)度時(shí),剪切強(qiáng)度一般較大。當(dāng)盲孔在中性層附近挖掘時(shí),截面上腹板上的剪應(yīng)力(剪應(yīng)變)明顯增加,但截面上的彎應(yīng)力卻略有增加。因此,在剪切梁彈性體應(yīng)用局部應(yīng)力集中方案后,檢測到的剪切應(yīng)變大大提高,顯著提高了測力傳感器的靈敏度,對整個(gè)梁的彎曲強(qiáng)度影響不大,使整個(gè)梁保持良好的強(qiáng)度和剛度。
因此,在測力傳感器的研發(fā)過程中,如果能夠根據(jù)上述兩種應(yīng)力集中的原則,有意識地研發(fā)彈性體的結(jié)構(gòu),就能獲得提高測力傳感器測力精度和測力靈敏度的良好效果。對于高性能測力傳感器的研發(fā)和生產(chǎn),靈活、恰當(dāng)?shù)剡\(yùn)用應(yīng)力集中的原則具有重要的實(shí)用意義。