高精度测力传感器的设计——赛斯维传感器网-pg电子游戏官网官方网站

　　摘要：应变式pg电子游戏官网官方网站-pg电子竞技平台在力和压力拥试领域有广泛的应用，分析了应变式力传感器应变片粘贴位s选取的内在机理，提出了提高应变式力传感器的测试灵敏度，戚小其非线性误差的实用措施。

　　关键词：电e应变片;力传感器;粘贴位置;测量电路;线性度;灵敏度

　　1　前言

　　电阻应变片能把感受到的力转换为电阻变化，再通过测童电路把电阻变化转化为电压变化。电阻应 变式传感器具有测量范围广,精度髙，测量误差小，线 性特性好等优点，且能在恶劣环境下工作，在力、压力 和重量等测试中有非常广泛的应用。

　　其中测力传感器常用的弹性敏感元件有柱式、悬 臂梁式、环式和框式等，可根据实际使用情况选取合 适的敏感元件，本文要讨论的是柱式弹性敏感元件在 测试力时的应用情况。

　　应变式传感器常用的测量电路有单臂电桥、差动 半桥和差动全桥，其中差动全桥可提高电桥的灵敏度，消除电桥的非线性误差，并可消除温度误差等共 模干扰。一般在测量中都使用4片应变片组成差动全桥,应变片粘贴位置不同会影响测量的灵敏度和非线 性误差，必须合理选取应变片的粘贴位置来提高测量 精度。

　　2　应变片分布设计

　　选取应变片粘贴位置时，要把四片应变片中的两 片粘贴在最大正应变处，把两片放在负的最大应变处，这样可获得最大的灵敏度。

　　当采用如图1所示的实心柱式弹性敏感元件，分 析在自由端力受力时的梁感受到的应变情况,在受力f时，在圆柱体的轴向感受到的应变为最大正应变，其值为：

　　式中:―圆柱体感受到的轴向应变，设定压缩为正;f一施加在圆柱体上的压力;e_材料弹性模量; a一圆柱体的截面积。

　　而在圆柱体的环向感受到的应变为为最大负应变，其值为

　　式中,一圆柱体感受到的环向应变，设定压缩为正μ一材料的泊松比。

　　由以上分析可知，圆柱体轴向就是最大正应变 处，圆柱体的环向即为最大负应变处。贴片时，在轴 向贴两片应变片,在环向贴两片应变片，可获得最大 的灵敏度,贴片方法如图1所示。

　　把轴向贴的应变片r2和r3接到测量电桥中的相对桥臂上，在环向贴的应变片尽和札接到测量电桥的另一相对桥臂上，组成差动全桥电路，可获得最大的灵敏度，另外还可以减小非线性误差和温度误差等，采用的电桥结构如图2所示。

　
　　3　提高线性精度措施

　　当施加作用力f时(压缩），感受环向应变的电阻r1和r4的阻值发生变化,变化成

　　式中:r0一应变片的初始电阻值;k一应变片的灵敏系数。

　　此时，感受轴向应变的电阻r1与r3也发生变化， 变化成

　　当采用图2所示的全桥差动电路进行测量时，输出电压为：

　　由上式可以看出，电桥输出电压与被测力并不是线性关系，要获得较大的线性测量范围,要减小kf(1 -μ)的值。可采用两种方法，一是测量较小的力，二是在满足使用要求的情况下，尽量选取泊松比大的材料。

　　另外在实际测量中，被测力不可能正好沿着圆柱体的轴线作用，而总是与轴线之间有微小的角度或偏心,使得弹性体除了受纵向力作用以外，还受到横向力和弯矩的作用，带来非线行误差。为了消除横向力 的影响，可采用图3所示的承弯膜片结构。

　　图3所采用的结构为在传感器刚性外壳上端面加 一片极薄的膜片，由于膜片在平面方向刚度很大，所以 作用在膜片平面内的横向力就经过膜片传递到外壳或 底座,在垂直于平面方向的膜片刚度很小，所以沿柱体 轴向的变形正比于被测力。这样，膜片就承受了绝大部 分横向力和弯曲,消除了对测量精度的影响。

　　4　提高测试灵敏度方法

　　为提高应变传感器的测量灵敏度,可采用8片相同的应变片，其中4片沿着轴向粘贴，另外4片沿着轴向粘贴，如图4所示。

　　釆用8片应变片组成应变式测力传感器，相比4片应变片组成的电桥结构，可提高灵敏度1倍左右，还可以提髙传感器测量的线性特性。

　　由式(5)可知，要想提高传感器的灵敏度，可以在 满足使用要求的情况下减小横截面积。但要考虑横 截面积减小时，其抗弯能力减弱，对横向干扰的敏感 程度增加。为了解决这一矛盾，在测置小集中力时, 可以采用空心圆筒或承弯膜片,因为相对于实心圆柱 体，空心圆筒在同样横截面积情况下，横向刚度大，横向稳定性好。

　　另外,弹性圆柱体的高度对传感器的精度和动态特性都有影响，当高度与外径的比值大于1时，沿其中 间断面上的应力状态和变形状态与其端面上作用的 载荷性质和接触条件无关，在实际应用中，一般采用 圆柱体的高度为外径的2倍。

　　5　结构优化提高综合精度

　　使用应变式传感器测量力时，可以采用轮辐结构 弹性元件来减小非线性误差，提髙灵敏度，其结构如图5所示。

　　轮辐式测力传感器由轮圈、轮轱、轮辐条和应变 片组成。轮辐条成对且对称地连接轮圈和轮轱，当外力作用在轮轴的上端面或者下端面时,矩形轮辐条就 产生平行四边形变形，形成与外力成正比的切应变,8 片应变片与辐条水平中心成45°角，分别粘贴在四根 辐条的正反两面，并接成差动全桥测量电路,当被测 力作用在轮轴端面上时，沿辐条对角线缩短方向的应 变片受压，电阻值减小，沿辐条对角线伸长方向的应 变片受拉，电阻值增加,并且电桥的输出电压与被测 力之间具有良好的线性特性。且由于是按照剪切力 作用原理设计的,力作用点位置的精度对传感器测量 精度影响不大。轮辐和轮圈的刚度很大，因此过载能力很强，线性测童范围比较宽。（作者：高连军）

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