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测力传感器设计的应力集中原则

时间:02-01 来源:内江科技 朱超甫 陈虎平 刘哲 点击:

未挖空的部位分布,大大改善了应力(应变)不规则分布的情况。或者说,应力(应变)的不规则分布仅仅限于未挖空的部位,并且其不规则分布的程度不会很大。因此,在未挖空的部位粘贴电阻应变片,就能使测得的应力(应变)与被测力基本保持严格的对应关系。

  上述处理方法实际上出于这样一个原理:通过某种措施,使弹性体上的应力(应变)集中分布在便于贴片检测的部位,实现测得的应力(应变)与被测力基本保持严格的对应关系,以保证传感器的测力精度。

作者曾用上述方法对筒式测力传感器进行改进。改进前的普通筒式传感器测力误差大于1% F.S.,改进后(局部挖空)的筒式传感器测力误差为0.1~0.3%F.S.,测力精度明显提高。

  三、提高应力(应变)水平的应力集中原则

  若要测力传感器达到较高的灵敏度,通常应该使电阻应变片有较高的应变水平,即在弹性体上贴片部位应该有较高的应力(应变)水平。

  实现弹性体上贴片部位达到较高应力(应变)水平有两种常用的方法:

  (1)整体减小弹性体的尺寸,全面提高弹性体上的应力(应变)水平;

  (2)在贴片部位附近对弹性体进行局部削弱,使贴片部位局部应力(应变)水平提高,而弹性体其它部位的应力(应变)水平基本不变。

  以上两种方法都可以提高贴片部位的应力(应变)水平,但对弹性体整体性能而言,局部削弱弹性体的效果要远好于整体减小弹性体尺寸。因为局部削弱弹性体既能提高贴片部位的应力(应变)水平,又使得弹性体整体保持较高的强度和刚度,有利于提高传感器的性能和使用效果。

  局部削弱弹性体提高贴片部位应力(应变)水平的原理是:通过局部削弱弹性体,造成局部的应力集中,使得应力集中部位的应力(应变)水平明显高于弹性体其它部位的应力水平,将电阻应变片粘贴于应力集中部位,就可以测得较高的应变水平。

  局部应力(应变)集中的方法在测力传感器的设计中经常被采用,尤其在梁式测力传感器(如弯曲梁式和剪切梁式测力传感器)的弹性体设计中被广泛应用。局部应力(应变)集中方法应用较为成功的当数剪切梁式测力传感器。剪切梁式测力传感器是通过检测梁式弹性体上的剪应力(剪应变)实现测力的,其弹性体的结构如图3 所示(为了便于说明问题,这里仅以一简支梁式的弹性体为例)。

  由材料力学中有关梁的应力分布知识可知,当梁承受横向(弯曲)载荷时,在梁的中性层处剪应力(剪应变)最大。如果要检测梁上的剪应变,应该在梁的中性层处贴片。为了提高贴片处的剪应力(剪应变)水平,可将弹性体两侧各挖一个盲孔(见图3的2处),盲孔的中心应在中性层处。电阻应变片应该粘贴在盲孔的底面上,即图3中工字形断面(A-A剖面)的腹板上。

  对于梁形构件来说,其弯曲强度是主要矛盾。在一个梁满足弯曲强度的情况下,剪切强度一般裕量较大。当在中性层附近挖盲孔后,该截面上腹板上的剪应力(剪应变)明显提高,然而该截面上的弯曲应力提高很小。因此,剪切梁式弹性体应用局部应力集中方案后,被检测的剪应变大大提高,使该测力传感器的灵敏度显著提高,而对整个梁的弯曲强度影响很小,使整个梁保持了良好的强度和刚度。

  四、小结

  在测力传感器的设计过程中,如能自觉地按照上述两种应力集中的原则,对弹性体进行结构设计,就能够收到提高测力传感器的测力精度和测力灵敏度的良好效果。灵活、恰当地运用应力集中的原则,对于设计和生产高性能的测力传感器具有重要的实用意义。

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