- 高精度測力傳感器的設計
- 來源：賽斯維傳感器網 發表于 2014/8/6
摘要：應變式傳感器在力和壓力擁試領域有廣泛的應用，分析了應變式力傳感器應變片粘貼位S選取的內在機理，提出了提高應變式力傳感器的測試靈敏度，戚小其非線性誤差的實用措施。
關鍵詞：電E應變片;力傳感器;粘貼位置;測量電路;線性度;靈敏度
1 前言
電阻應變片能把感受到的力轉換為電阻變化，再通過測童電路把電阻變化轉化為電壓變化。電阻應 變式傳感器具有測量范圍廣,精度髙，測量誤差小，線 性特性好等優點，且能在惡劣環境下工作，在力、壓力 和重量等測試中有非常廣泛的應用。
其中測力傳感器常用的彈性敏感元件有柱式、懸 臂梁式、環式和框式等，可根據實際使用情況選取合 適的敏感元件，本文要討論的是柱式彈性敏感元件在 測試力時的應用情況。
應變式傳感器常用的測量電路有單臂電橋、差動 半橋和差動全橋，其中差動全橋可提高電橋的靈敏度，消除電橋的非線性誤差，并可消除溫度誤差等共 模干擾。一般在測量中都使用4片應變片組成差動全橋,應變片粘貼位置不同會影響測量的靈敏度和非線 性誤差，必須合理選取應變片的粘貼位置來提高測量 精度。
2 應變片分布設計
選取應變片粘貼位置時，要把四片應變片中的兩 片粘貼在最大正應變處，把兩片放在負的最大應變處，這樣可獲得最大的靈敏度。
當采用如圖1所示的實心柱式彈性敏感元件，分 析在自由端力受力時的梁感受到的應變情況,在受力f時，在圓柱體的軸向感受到的應變為最大正應變，其值為：
式中:
―圓柱體感受到的軸向應變，設定壓縮為正;F一施加在圓柱體上的壓力;E_材料彈性模量; A一圓柱體的截面積。
而在圓柱體的環向感受到的應變為為最大負應變，其值為
式中,
一圓柱體感受到的環向應變，設定壓縮為正μ一材料的泊松比。
由以上分析可知，圓柱體軸向就是最大正應變 處，圓柱體的環向即為最大負應變處。貼片時，在軸 向貼兩片應變片,在環向貼兩片應變片，可獲得最大 的靈敏度,貼片方法如圖1所示。
把軸向貼的應變片R2和R3接到測量電橋中的相對橋臂上，在環向貼的應變片盡和札接到測量電橋的另一相對橋臂上，組成差動全橋電路，可獲得最大的靈敏度，另外還可以減小非線性誤差和溫度誤差等，采用的電橋結構如圖2所示。
3 提高線性精度措施
當施加作用力F時(壓縮），感受環向應變的電阻R1和R4的阻值發生變化,變化成
式中:R0一應變片的初始電阻值;K一應變片的靈敏系數。
此時，感受軸向應變的電阻R1與R3也發生變化， 變化成
當采用圖2所示的全橋差動電路進行測量時，輸出電壓為：
由上式可以看出，電橋輸出電壓與被測力并不是線性關系，要獲得較大的線性測量范圍,要減小KF(1 -μ)的值。可采用兩種方法，一是測量較小的力，二是在滿足使用要求的情況下，盡量選取泊松比大的材料。
另外在實際測量中，被測力不可能正好沿著圓柱體的軸線作用，而總是與軸線之間有微小的角度或偏心,使得彈性體除了受縱向力作用以外，還受到橫向力和彎矩的作用，帶來非線行誤差。為了消除橫向力 的影響，可采用圖3所示的承彎膜片結構。
圖3所采用的結構為在傳感器剛性外殼上端面加 一片極薄的膜片，由于膜片在平面方向剛度很大，所以 作用在膜片平面內的橫向力就經過膜片傳遞到外殼或 底座,在垂直于平面方向的膜片剛度很小，所以沿柱體 軸向的變形正比于被測力。這樣，膜片就承受了絕大部 分橫向力和彎曲,消除了對測量精度的影響。
4 提高測試靈敏度方法
為提高應變傳感器的測量靈敏度,可采用8片相同的應變片，其中4片沿著軸向粘貼，另外4片沿著軸向粘貼，如圖4所示。
釆用8片應變片組成應變式測力傳感器，相比4片應變片組成的電橋結構，可提高靈敏度1倍左右，還可以提髙傳感器測量的線性特性。
由式(5)可知，要想提高傳感器的靈敏度，可以在 滿足使用要求的情況下減小橫截面積。但要考慮橫 截面積減小時，其抗彎能力減弱，對橫向干擾的敏感 程度增加。為了解決這一矛盾，在測置小集中力時, 可以采用空心圓筒或承彎膜片,因為相對于實心圓柱 體，空心圓筒在同樣橫截面積情況下，橫向剛度大，橫向穩定性好。
另外,彈性圓柱體的高度對傳感器的精度和動態特性都有影響，當高度與外徑的比值大于1時，沿其中 間斷面上的應力狀態和變形狀態與其端面上作用的 載荷性質和接觸條件無關，在實際應用中，一般采用 圓柱體的高度為外徑的2倍。
5 結構優化提高綜合精度
使用應變式傳感器測量力時，可以采用輪輻結構 彈性元件來減小非線性誤差，提髙靈敏度，其結構如圖5所示。
輪輻式測力傳感器由輪圈、輪轱、輪輻條和應變 片組成。輪輻條成對且對稱地連接輪圈和輪轱，當外力作用在輪軸的上端面或者下端面時,矩形輪輻條就 產生平行四邊形變形，形成與外力成正比的切應變,8 片應變片與輻條水平中心成45°角，分別粘貼在四根 輻條的正反兩面，并接成差動全橋測量電路,當被測 力作用在輪軸端面上時，沿輻條對角線縮短方向的應 變片受壓，電阻值減小，沿輻條對角線伸長方向的應 變片受拉，電阻值增加,并且電橋的輸出電壓與被測 力之間具有良好的線性特性。且由于是按照剪切力 作用原理設計的,力作用點位置的精度對傳感器測量 精度影響不大。輪輻和輪圈的剛度很大，因此過載能力很強，線性測童范圍比較寬。（作者：高連軍）
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