對(duì)于電阻應(yīng)變片式測(cè)力傳感器，彈性體的結(jié)構(gòu)形狀和相關(guān)尺寸對(duì)測(cè)力傳感器的性能影響很大?？梢哉f，測(cè)力傳感器的性能主要取決于其彈性體的形狀和相關(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有多高，粘貼的電阻應(yīng)變片質(zhì)量有多好，測(cè)力傳感器都很難達(dá)到更高的測(cè)力性能。因此，在測(cè)力傳感器的設(shè)計(jì)過程中，合理設(shè)計(jì)彈性體至關(guān)重要。
彈性體的設(shè)計(jì)基本上屬于機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的范圍，但由于測(cè)力性能的需要，其結(jié)構(gòu)不同于普通機(jī)械零件和零件。一般來說，普通機(jī)械零件和零件只需要滿足足足夠大的安全系數(shù)下的強(qiáng)度和剛度，不需要嚴(yán)格要求受力條件下的零件和零件的應(yīng)力分布。但對(duì)于彈性體，除了滿足機(jī)械強(qiáng)度和剛度要求外，還需要保證電阻應(yīng)變片(以下簡(jiǎn)稱貼片位置)的應(yīng)力(應(yīng)變)和彈性體承受的載荷(被測(cè)力)保持嚴(yán)格的應(yīng)變關(guān)系；同時(shí)，為了提高測(cè)力傳感器測(cè)力的靈敏度，貼片位置應(yīng)達(dá)到更高的應(yīng)力(應(yīng)變)水平。
可見彈性體的設(shè)計(jì)必須滿足以下兩個(gè)要求:
(1)片段應(yīng)具有較高的應(yīng)力水平。
為了滿足上述兩個(gè)要求，應(yīng)力集中的設(shè)計(jì)原則經(jīng)常應(yīng)用于測(cè)力傳感器的彈性體設(shè)計(jì)，以確保芯片部分的應(yīng)力(應(yīng)變)水平高，與被測(cè)力保持嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系，提高設(shè)計(jì)的測(cè)力傳感器的測(cè)力靈敏度和測(cè)力精度。
(2)貼片部位的應(yīng)力(應(yīng)變)應(yīng)與被測(cè)力有嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系。
改善應(yīng)力(應(yīng)力)不規(guī)則分布的應(yīng)力集中原則。
在機(jī)械零件或零件的設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)力(應(yīng)變)通常被視為零件或零件的規(guī)則分布。如果零件或零件的截面形狀沒有變化，就沒有必要考慮應(yīng)力(應(yīng)變)的不規(guī)則分布。事實(shí)上，在機(jī)械零件或零件的設(shè)計(jì)中，應(yīng)力(應(yīng)變)不規(guī)則分布的問題不是不考慮，而是在強(qiáng)度計(jì)算中包含安全系數(shù)。
對(duì)力傳感器而言，通過電阻應(yīng)變片測(cè)量彈性體芯片位置的應(yīng)變來測(cè)量被測(cè)力的大小。為保證芯片位置的應(yīng)力(應(yīng)變)與被測(cè)力有嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系，事實(shí)上，當(dāng)受力傳感器受力時(shí)，彈性體芯片位置的應(yīng)力(應(yīng)變)應(yīng)該按照一定的規(guī)則分布。實(shí)際上，彈性體芯片位置的應(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彈性體受力大小不變時(shí)，力的作用點(diǎn)發(fā)生變化，或者彈性體與相鄰加載部件之間的接觸條件發(fā)生變化。如果在彈性體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中沒有考慮到這種情況，可能會(huì)導(dǎo)致彈性體應(yīng)力(應(yīng)力)分布的不規(guī)則變化。這方面最典型的例子是筒式測(cè)力傳感器。為了減少?gòu)椥泽w受力條件變化引起的測(cè)力誤差，一些傳感器設(shè)計(jì)師使用筒式測(cè)力傳感器彈性體增加貼片數(shù)量的方法，盡量在彈性體貼片部分的圓周應(yīng)力(應(yīng)力)分布不均勻時(shí)進(jìn)行測(cè)量。這種處理方法有一定的效果，可以減少?gòu)椥泽w受力條件變化引起的測(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，但是很難在彈性體圓周應(yīng)力(應(yīng)力)分布不均勻，測(cè)量不均勻。
彈性體受力條件變化引起的測(cè)力誤差的本質(zhì)是彈性體貼片周圍應(yīng)力(應(yīng)力)的不規(guī)則分布。當(dāng)彈性體貼片周圍應(yīng)力(應(yīng)力)分布受到一定條件的限制時(shí)，貼片部分的應(yīng)力(應(yīng)力)按一定規(guī)則分布，使彈性體貼片部分的應(yīng)力(應(yīng)力)與被測(cè)力基本保持嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系，減少?gòu)椥泽w受力條件變化引起的測(cè)力誤差。
提高應(yīng)力(應(yīng)變)水平的應(yīng)力集中原理。
為了使測(cè)力傳感器達(dá)到更高的靈敏度，電阻應(yīng)變片通常應(yīng)該具有更高的應(yīng)變水平，即彈性體上的片段應(yīng)該具有更高的應(yīng)力(應(yīng)變)水平。
有兩種常見的方法可以使彈性體上的貼片部分達(dá)到更高的應(yīng)力(應(yīng)變)水平:
(1)在貼片部位附近局部削弱彈性體，提高貼片部位的局部應(yīng)力(應(yīng)力)水平，彈性體其他部位的應(yīng)力(應(yīng)力)水平幾乎不變。
以上兩種方法都能提高芯片部位的應(yīng)力(應(yīng)變)水平，但但對(duì)于彈性體的整體性能，局部削弱彈性體的效果遠(yuǎn)大于整體削弱彈性體。局部削弱彈性體不僅可以提高芯片部分的應(yīng)力(應(yīng)變)水平，還可以保持整個(gè)彈性體的高強(qiáng)度和剛性，有助于提高傳感器的性能和使用效果。
局部削弱彈性體提高芯片部位應(yīng)力(應(yīng)力)水平的原理是局部削弱彈性體，引起局部應(yīng)力集中，應(yīng)力集中部位的應(yīng)力(應(yīng)變)水平明顯高于彈性體其他部位的應(yīng)力水平，將電阻應(yīng)變器粘貼到應(yīng)力集中部位，可以測(cè)量高應(yīng)變水平。
局部應(yīng)力(應(yīng)變)集中法常用于測(cè)力傳感器的設(shè)計(jì)，尤其是在梁式測(cè)力傳感器(如彎梁式和剪梁式測(cè)力傳感器)的彈性體設(shè)計(jì)中。局部應(yīng)力(應(yīng)變)集中法廣泛應(yīng)用于當(dāng)數(shù)剪切梁式測(cè)力傳感器。剪切梁式測(cè)力傳感器通過檢測(cè)梁彈性體上的剪切應(yīng)力(剪切應(yīng)變)來實(shí)現(xiàn)測(cè)力。
對(duì)于梁型零件，其彎曲強(qiáng)度是主要矛盾。當(dāng)梁達(dá)到彎曲強(qiáng)度時(shí)，剪切強(qiáng)度通常有很大的余量。盲孔被挖出后，截面上腹板上的剪切應(yīng)力(剪切應(yīng)力)明顯增加，但截面上的彎曲應(yīng)力增加較小。所以剪斷梁彈性體采用局部應(yīng)力集中方案后，檢測(cè)到的剪斷應(yīng)力大大提高，測(cè)力傳感器的靈敏度明顯提高，對(duì)整個(gè)梁的彎曲應(yīng)力影響較小，使整個(gè)梁保持良好的強(qiáng)度和剛度。
(2)整體減小彈性體尺寸，全面提高彈性體應(yīng)力水平。
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