电阻应变式传感器弹性元件的设计探讨
2018-03-22 20:37:57
大应变，指出设计弹性元件时应考虑6.一H确定之后的应变计算和分析方法。
l的弹性元件的形式和弹牲元件上的最勺几个要素。同时，指出了传感器形式表1建议选用的测力传感器弹性元件的形式量程1N-10N10N~3kN3kN~100kN>100kN建议形式悬臂梁式双孔弯曲剪切型剪切型及多圆柱拉压型表2建议选用的压力传感器弹性元件的形式电阻应变式传感器是根据使用要求进行设计的。设计人员首先应分析能否达到使用要求。
在诸多使用要求中，弹性元件的设计占有很重要的位置，本文从三个方面对其进行分析。
一、弹性元件的形式弹性元件的形式是根据传感器量程的大小选择的。表1和表2是建议选用的测力和压力传感器弹性元件的形式。
电阻应变式传感器的工作频率由弹性元件及其上的电阻应变敏感元件决定。电阻应变敏感元件的频率响应很高，通常根据弹性元件确定工作频率。为此设计动态下使用的传感器时，应尽量提高它的固有频率。弹性元件固有频率的计算公式为：量。
二、弹性元件上的最大应变设计弹性元件时，应保证应变敏感元件安装在其上最大应变处，否则当传感器在满量程使用时，弹性元件上某些部位的材料可能进入塑性状态，严重影响传感器的精度。是力传感器的两种弹性元件。
在（a）中，1、2、3、4处的应变最大，还存在着应力集中，由于受应变敏感元件基底尺寸影响，不可能安装在最大应变处，这样，就有可能在应变敏感元件处的应变还没有达到满量技术与应用变与最大压应变相同的结构。在这种情况下，传感器输出灵敏度高，并且不存在电桥非线性。（C）的剪切式弹性元件，安装应7变敏感元件处的最大拉应变和最大压应变是相同的，并且沿轴线方向不变化，沿高度方向变化很小，应变利用系数C接近于1.三、弹性元件的应变分析在传感器的形式确定以后，应首先进行应变的计算和分析，对于一些实际使用中的传感器，承受载荷的形式不一定是单一的，应变的分析也比较复杂。目前的办法是先用材料力学的公式进行初步计算，确定出尺寸，然后用有限元法及光弹性和电阻应变片法进行全面的应变分析，其目的是：应变的确切部位；荷作用时，引起输出电压的误差情况；程值时，最大应变处的材料已超出弹性范围。采用（b）的弹性元件形式，应变敏感元件中心线安装在最大应变处，可以避免上述现象。其次，在设计中还要充分考虑到整个弹性元件上其它部位的应力集中现象，如（b）中A、B处的弯曲应力很大，而且有应力集中现象，必须使它的应变水平低于安装应变敏感元件处的最大应变值。又如（c）的剪切式弹性元件，它是一个超静定结构，A、B、C、D、E、F处的应力较大，又存在应力集中现象，设计时应选用合理的截面尺寸，降低该处的应力值，否则塑性状态后，会降低传感器的精度，出现迟滞，重复性等指标的下降。（a）是圆筒式压力传感器的弹性元件，当弹性元件承受内压力后，在圆柱筒与端头。连接处E会由于变形不协调而引起应力集中现象，它的数据值很大，设计时应采用（b）的合理型式，以减少应力集中现象。
在弹性元件设计时，还要考虑工艺上的影响。（c）、（d）是平膜片安装在基座上的压力传感器。（c）的结构型式是在膜片最大应力处进行焊接，由于焊接处膜片的减薄和材料性能改变，存在内应力等因素，会大大降低膜片允许的最大应变值。（d）是将平膜片改成杯形，并在筒形部分焊接，这样就减少了工艺上造成的影响。
在确定弹性元件尺寸时，还应当考虑应变利用系数，它的定义是：应变敏感元件感受到的平均应变与最大应变的比值，即：到的平均应变值；￡一最大应变值。
设计时，要求应变利用系数C越大越好。如（b）中应变敏感元件中心处是最大应变值，其它部分均小于最大应变，弹性元件上孔的尺寸越小，应变敏感元件尺寸越大，应变利用系数C就越小，因此在传感器尺寸允许条件下尽量增大孔的直径或改为扁圆孔。
在选择弹性元件类型时，还要尽量采用最大拉应数据，可以采用增贴应变片来补偿偏心及其它载荷引起输出电压的误差；计算出多分力传感器的各分力对测量电桥的影响，从而确定出最佳的，相互干涉最小的贴片位置；分析贴片误差、弹性元件尺寸误差等对输出电压造成的影响。
该方法是将弹性元件进行离散化，使弹性元件变成由有限大小的构件在有限多个结点相互联系而成，这些有限大小的构件就称为“有限单元”。然后由结构力学方法计算出弹性元件在各种可能载荷作用下各结点的位移和应力应变，从而得知整个弹性元件的应变分布。有人采用有限元计算法计算了轧机力传感器，由于轧钢时传感器上所作用的力的分布是复杂的，采用有限元法可以计算出各种可能载荷形式下弹性元件上的应变，从而确定出输出电压值的误差。
根据有限元分析出的应变情况，改变了乳机力传感器上应变片的粘贴位置，并可对输出电压数据进行修正，使轧机力传感器的测量误差从7%降低至1%.有人还用有限元法计算了方环形力传感器的贴片误差造成输出电压的误差，发现在偏心载荷作用下，粘贴应变片误差为十分之几毫米时，就可能导致千分之几的输出电压变化。
2、光弹性和电阻应变片实验方法光弹性实验方法是一种应用光学原理的应力分析方法。它用光学各向同性的透明材料按一定比例做成与弹性元件相同或相似的模型，这种材料具有同天然晶体一样的双折射性质，在载荷作用下，模型成为光学各向异性体，当用偏振光装置观察时，模型上显现出与应力相关联的条纹图案，应用弹性力学基本方程，辅以适当的数学分析，可以确定模型表面及内部任一点的应力状态，然后转换成应变。
光弹性法的特点是能给出直观的全场应力光图，特别是对于应力和应变最大值处反映灵敏，也就是可以确定应变片是否粘贴在最大应变处，以及弹性元件中是否有不合理的设计所造成的应力集中区域。
电阻应变片方法就是在弹性元件上粘贴小标距电阻应变片，找出最大应变位置或偏心和其它载荷对输出电压影响最小的位置。另外，设计新型弹性元件时，可以用电阻应变片实验的方法找出最佳的设计方案。
l的弹性元件的形式和弹牲元件上的最勺几个要素。同时，指出了传感器形式表1建议选用的测力传感器弹性元件的形式量程1N-10N10N~3kN3kN~100kN>100kN建议形式悬臂梁式双孔弯曲剪切型剪切型及多圆柱拉压型表2建议选用的压力传感器弹性元件的形式电阻应变式传感器是根据使用要求进行设计的。设计人员首先应分析能否达到使用要求。
在诸多使用要求中，弹性元件的设计占有很重要的位置，本文从三个方面对其进行分析。
一、弹性元件的形式弹性元件的形式是根据传感器量程的大小选择的。表1和表2是建议选用的测力和压力传感器弹性元件的形式。
电阻应变式传感器的工作频率由弹性元件及其上的电阻应变敏感元件决定。电阻应变敏感元件的频率响应很高，通常根据弹性元件确定工作频率。为此设计动态下使用的传感器时，应尽量提高它的固有频率。弹性元件固有频率的计算公式为：量。
二、弹性元件上的最大应变设计弹性元件时，应保证应变敏感元件安装在其上最大应变处，否则当传感器在满量程使用时，弹性元件上某些部位的材料可能进入塑性状态，严重影响传感器的精度。是力传感器的两种弹性元件。
在（a）中，1、2、3、4处的应变最大，还存在着应力集中，由于受应变敏感元件基底尺寸影响，不可能安装在最大应变处，这样，就有可能在应变敏感元件处的应变还没有达到满量技术与应用变与最大压应变相同的结构。在这种情况下，传感器输出灵敏度高，并且不存在电桥非线性。（C）的剪切式弹性元件，安装应7变敏感元件处的最大拉应变和最大压应变是相同的，并且沿轴线方向不变化，沿高度方向变化很小，应变利用系数C接近于1.三、弹性元件的应变分析在传感器的形式确定以后，应首先进行应变的计算和分析，对于一些实际使用中的传感器，承受载荷的形式不一定是单一的，应变的分析也比较复杂。目前的办法是先用材料力学的公式进行初步计算，确定出尺寸，然后用有限元法及光弹性和电阻应变片法进行全面的应变分析，其目的是：应变的确切部位；荷作用时，引起输出电压的误差情况；程值时，最大应变处的材料已超出弹性范围。采用（b）的弹性元件形式，应变敏感元件中心线安装在最大应变处，可以避免上述现象。其次，在设计中还要充分考虑到整个弹性元件上其它部位的应力集中现象，如（b）中A、B处的弯曲应力很大，而且有应力集中现象，必须使它的应变水平低于安装应变敏感元件处的最大应变值。又如（c）的剪切式弹性元件，它是一个超静定结构，A、B、C、D、E、F处的应力较大，又存在应力集中现象，设计时应选用合理的截面尺寸，降低该处的应力值，否则塑性状态后，会降低传感器的精度，出现迟滞，重复性等指标的下降。（a）是圆筒式压力传感器的弹性元件，当弹性元件承受内压力后，在圆柱筒与端头。连接处E会由于变形不协调而引起应力集中现象，它的数据值很大，设计时应采用（b）的合理型式，以减少应力集中现象。
在弹性元件设计时，还要考虑工艺上的影响。（c）、（d）是平膜片安装在基座上的压力传感器。（c）的结构型式是在膜片最大应力处进行焊接，由于焊接处膜片的减薄和材料性能改变，存在内应力等因素，会大大降低膜片允许的最大应变值。（d）是将平膜片改成杯形，并在筒形部分焊接，这样就减少了工艺上造成的影响。
在确定弹性元件尺寸时，还应当考虑应变利用系数，它的定义是：应变敏感元件感受到的平均应变与最大应变的比值，即：到的平均应变值；￡一最大应变值。
设计时，要求应变利用系数C越大越好。如（b）中应变敏感元件中心处是最大应变值，其它部分均小于最大应变，弹性元件上孔的尺寸越小，应变敏感元件尺寸越大，应变利用系数C就越小，因此在传感器尺寸允许条件下尽量增大孔的直径或改为扁圆孔。
在选择弹性元件类型时，还要尽量采用最大拉应数据，可以采用增贴应变片来补偿偏心及其它载荷引起输出电压的误差；计算出多分力传感器的各分力对测量电桥的影响，从而确定出最佳的，相互干涉最小的贴片位置；分析贴片误差、弹性元件尺寸误差等对输出电压造成的影响。
该方法是将弹性元件进行离散化，使弹性元件变成由有限大小的构件在有限多个结点相互联系而成，这些有限大小的构件就称为“有限单元”。然后由结构力学方法计算出弹性元件在各种可能载荷作用下各结点的位移和应力应变，从而得知整个弹性元件的应变分布。有人采用有限元计算法计算了轧机力传感器，由于轧钢时传感器上所作用的力的分布是复杂的，采用有限元法可以计算出各种可能载荷形式下弹性元件上的应变，从而确定出输出电压值的误差。
根据有限元分析出的应变情况，改变了乳机力传感器上应变片的粘贴位置，并可对输出电压数据进行修正，使轧机力传感器的测量误差从7%降低至1%.有人还用有限元法计算了方环形力传感器的贴片误差造成输出电压的误差，发现在偏心载荷作用下，粘贴应变片误差为十分之几毫米时，就可能导致千分之几的输出电压变化。
2、光弹性和电阻应变片实验方法光弹性实验方法是一种应用光学原理的应力分析方法。它用光学各向同性的透明材料按一定比例做成与弹性元件相同或相似的模型，这种材料具有同天然晶体一样的双折射性质，在载荷作用下，模型成为光学各向异性体，当用偏振光装置观察时，模型上显现出与应力相关联的条纹图案，应用弹性力学基本方程，辅以适当的数学分析，可以确定模型表面及内部任一点的应力状态，然后转换成应变。
光弹性法的特点是能给出直观的全场应力光图，特别是对于应力和应变最大值处反映灵敏，也就是可以确定应变片是否粘贴在最大应变处，以及弹性元件中是否有不合理的设计所造成的应力集中区域。
电阻应变片方法就是在弹性元件上粘贴小标距电阻应变片，找出最大应变位置或偏心和其它载荷对输出电压影响最小的位置。另外，设计新型弹性元件时，可以用电阻应变片实验的方法找出最佳的设计方案。