高精度電阻應變式測力傳感器的彈性體設計

桑震揚（上海西派埃自動化儀表工程有限責任公司，201612）

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高精度電阻應變式測力傳感器的彈性體設計

桑震揚
（上海西派埃自動化儀表工程有限責任公司，201612）

介紹了雙圓孔梁式傳感器彈性體的工作原理和設計計算，該形式的彈性體與傳統(tǒng)的懸臂梁式傳感器在性能上具有精度高、性能穩(wěn)定可靠等特點，已經在機動車檢測儀表中得到了廣大的應用。

雙圓孔梁式傳感器；彈性體；應變計

0　前言

高精度電阻應變式測力傳感器由彈性體、電阻應變計等組成，彈性體是高精度測力傳感器的基礎，而應變計是傳感器的核心。

傳感器彈性體的形式繁多、結構復雜，設計高精度測力傳感器必須根據(jù)它的量程大小和精度高低對其彈性體的幾何形狀、材料進行合理選擇和設計。而設計高精度測力傳感器的指導思想是：追求良好的自然線性、提高傳感器的輸出靈敏度，使傳感器的抗側向能力強。同時，使傳感器的結構簡單，易于密封、加工容易等。

1　工作原理和設計計算

雙圓孔梁式彈性體和其他應變彈性體一樣，其工作原理是以金屬彈性體變形原理和電阻應變計的應變原理為基礎的，即在外加重量和力的作用下電阻應變計隨彈性體一起變形而改變電阻值的物理現(xiàn)象。電阻應變計用熱固性樹脂粘結劑牢固的粘貼在雙圓孔梁式彈性表面，四片電阻應變計連接成惠斯登電橋線路。在外力作用之前，電橋預先調至平衡。在外力作用下，電阻應變計隨雙圓孔彈性體一起變形而改變電阻值，從而使應變電橋產生一個與重量或外力成正比的電壓輸出信號。

根據(jù)虎克定律，在彈性極限范圍以內，彈性體的變形與應力成正比，也就是與所受之力成正比。

當電阻應變計隨彈性體的變形而變形時，電阻應變計隨之改變幾何尺寸及物理性能，從而改變電阻值。

傳感器的彈性體結構如圖1所示，它是一種單端固定而另一端受力的雙圓孔式雙梁：此雙梁由整塊材料加工而成，故結構極為穩(wěn)定可靠。當外力或重量作用于雙圓孔梁彈性體時，它便產生變形，為簡化傳感器的計算，可把雙圓孔式雙梁簡化為一端固定而另一端只沿力方向移動而不能轉動的靜不定矩形雙梁，計算時要用組合計算方法，每根梁的變形量根據(jù)以下公式而定：

應變計粘貼部位的應變量為：

圖1　雙圓孔雙梁

圖2　矩形雙梁

應變計隨彈性梁變形后，其結果是二片應變計受拉伸變形后增加電阻值+Δk，而另二片受壓縮變形后減小電阻值-Δk，其電阻值變化的關系式為：

電阻應變計組成如圖3所示的惠斯登等臂電橋，當供橋電壓為U時，電阻應變計的電阻變化使電橋失去平衡，從而輸出與P成正比的不平衡電壓輸出符號ΔU，此符號可根據(jù)下列公式計算：

由于應變電橋中，各電阻應變計的電阻值相同，故可以變成：

將（5）、（10）式代入（9）式使得出雙圓孔梁式傳感器的靈敏度計算的基本公式（11）

對于量程較小的力傳感器，為防止外力或重量的超載，應采取機械保護措施：通常稱為機械過載保護，為此必須精確的計算出彈性梁的撓度f，然后在機械裝置上加精確調整。

2　雙圓孔梁式測力傳感器的特點

1）雙圓孔梁式傳感器具有極強的抗側向力的能力。

2） 它與懸臂單梁式力傳感器相比，具有剛度大、性能好，尤其是抗彎剛度及抗扭剛度大，從而提高了傳感器的線性與穩(wěn)定性，減小了滯后，增強了抗側向力的能力。

3） 與懸臂雙梁式力傳感器相比，也在相當程度上提高了抗彎與抗扭剛度，故而適當提高了性能，同時由于雙圓孔梁結構上的特點，減小了蠕變，這項指標對高精度力傳感器極為重要。

4） 由于雙圓孔梁式傳感器結構上的特點和電阻應變計在橋路中的連接方法，使雙圓孔梁式力傳感器的輸出信號不受力點位置變動的影響。通常力點位置移動±5mm或±5mm以上，傳感器精度等級保持不變，確保了力傳感器的現(xiàn)場安裝和使用中的精度。

3　傳感器彈性體材料、加工及熱處理工藝要求

傳感器彈性體是測力檢測元件的核心部分，它的功能是把重量或力轉換成與其嚴格成正比的彈性體變形，因此對材質要求極高，它必須具備綜合的機械物理性能，主要要求有下列六點：

1） 彈性體的滯后（即來回變差）應極小。

2） 材料的蠕變要極小。

3） 材料的線性要好。即力與變形應成嚴格的線性關系。

4） 材料的彈性模量的溫度系數(shù)線性要好。

5） 材料的熱處理性能要好。

6） 材料的彈性極限要高。強度要高，應選擇 比值盡可能高的材料。

4　傳感器的技術性能

1）額定載荷：5、7、10、50、70、100、150、300kg等

2） 輸入、輸出性能：約350Ω

3） 過載性能：額定載荷的120%

4） 非線性：＜±0.05%F·S

5） 來回變差：＜±0.05%F·S

6） 不重復性：＜±0.05%F·S

7） 靈敏度：＜±0.01%F·S

8） 起始點信號值：±3%F·S以內

10） 絕緣電阻：＞2000mv

11） 蠕變：±0.03%F·S

12） 供橋電壓：10V（DC）

5　結束語

由于雙圓孔梁式傳感器的優(yōu)良技術性能：如精度高、性能穩(wěn)定可靠，不受力點變動影響，抗側向力強等。因此在許多領域已經廣泛應用。同時，我們也已將雙圓孔梁式傳感器成功應用于我公司生產的SAF-01型機動車方向盤轉向力轉向角檢測儀。它可用于快速測定各種機動車輛的方向盤轉角、自由轉角和方向盤切向操縱力，是汽車制造廠、汽車修理廠、汽車安全綜合性能檢測的必備設備之一。

［1］全國傳感器及其應用學術討論會《機械量傳感器論文集》

［2］林自強：“國外高精度應變測力傳感器技術的分析與探討”計量技術：1978年第二期

Design of the elastomer for the high-precision force strain sensor

Sang Zhenyang
（Shanghai SIPAI Automation Instrumentation Engineering Co.，Ltd，201612）

The working principle and design calculation of the beam type sensor with double holes are introduced in this paper.Compare with the traditional cantilever beam sensor，the elastomer of the sensor has the characteristics of high precision，stable & reliable performance，and so on.And has been the vast number of applications.in the motor vehicle detection.

The beam type sensor with double holes；Elastomer；Strain gauge