各种测力传感器的解决方案都在这了

测力传感器通常将力转换为正比于作用力大小的电信号，使用十分方便，因而在工程领域及其他各种场合应用最为广泛。测力传感器种类繁多，依据不同的物理效应和检测原理可分为电阻应变式、压磁式、压电式、振弦式力传感器等。

应变式力传感器

在所有力传感器中，应变式力传感器应用最为广泛。它能应用于从极小到很大的动、静态力的测量，且测量精度高，其使用量约占力传感器总量的90％左右。

应变式力传感器的工作原理与应变式压力传感器基本相同，它也是由弹性敏感元件和贴在其上的应变片组成。应变式力传感器首先把被测力转变成弹性元件的应变，再利用电阻应变效应测出应变，从而间接地测出力的大小。弹性元件的结构形式有柱形、筒形、环形、梁形、轮辐形、s形等。

应变片的布置和接桥方式，对于提高传感器的灵敏度和消除有害因素的影响有很大关系。根据电桥的加减特性和弹性元件的受力性质，在贴片位置许可的情况下，可贴4或8片应变片，其位置应是弹性元件应变最大的地方。

柱形应变式力传感器

图1给出了常见的柱形、筒形、梁形弹性元件及应变片的贴片方式。图1（a）为柱形弹性元件；图1（b）为筒形弹性元件；图1（c）为梁形弹性元件。

 

图1 几种弹性元件及应变片贴片方式

柱形弹性元件通常都做成圆柱形和方柱形，用于测量较大的力。最大量程可达10MN。在载荷较小时（1——100kN），为便于粘贴应变片和减小由于载荷偏心或侧向分力引起的弯曲影响，同时为了提高灵敏度，多采用空心柱体。四个应变片粘贴的位置和方向应保证其中两片感受纵向应变，另外两片感受横向应变（因为纵向应变与横向应变是互为反向变化的），如图1（a）所示。

当被测力F沿柱体轴向作用在弹性体上时，其纵向应变和横向应变分别为

 

式中，E为材料的弹性模量；S为柱体的截面积；μ为材料的泊松比。

在实际测量中，被测力不可能正好沿着柱体的轴线作用，而总是与轴线成一微小的角度或微小的偏心，这就使得弹性柱体除了受纵向力作用外，还受到横向力和弯矩的作用，从而影响测量精度。

轮辐式力传感器

简单的柱式、筒式、梁式等弹性元件是根据正应力与载荷成正比的关系来测量的，它们存在着一些不易克服的缺点。

为了进一步提高力传感器性能和测量精度，要求力传感器有抗偏心、抗侧向力和抗过载能力。20世纪70年代开始已成功地研制出切应力传感器。图2是较常用的轮辐式切应力传感器的结构简图。

 

图2 轮辐式力传感器

轮辐式力传感器由轮圈、轮轱、辐条和应变片组成。辐条成对且对称地连接轮圈和轮轱，当外力作用在轮轱上端面和轮轱下端面时，矩形辐条就产生平行四边形变形，如图2（b）所示，形成与外力成正比的切应变。此切应变能引起与中性轴成450方向的相互垂直的两个正负正应力，即由切应力引起的拉应力和压应力，通过测量拉应力或压应力值就可知切应力值的大小。

因此，在轮辐式传感器中，把应变片贴到与切应力成45度的位置上，使它感受的仍是拉伸和压缩应变，但该应变不是由弯距产生的，而主要是由剪切力产生的，此即这类传感器的基本工作原理。这类传感器最突出的优点是抗过载能力强，能承受几倍于额定量程的过载。此外，其抗偏心、抗侧向力的能力也较强，精度在0.1％之内。

审核编辑：符乾江