测力传感器设计技术原理及分析

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。

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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。

参考文献

[1]. 刘鸿文主编，《材料力学》，高等教育出版社，1979年

Principles of Concentrating Stress in the Design of Load Cells

Abstract: This paper introduces two principles of concentrating stress, which are usually used in the design of load cells. According to the principles the elastic bodies of load cells are designed and the fine accuracy and sensitivity of measurement can be obtained.

Keywords: Load cell, concentrating stress , accuracy, sensitivity

作者简介

朱超甫：北京科技大学机械工程学院，

陈虎平：马鞍山钢铁股份有限公司港务原料厂

刘 哲：石家庄钢铁公司