提高應(yīng)變式力傳感器綜合性能的措施
Methods to improve the performance of resistor strain strength sensors
摘 要：分析了應(yīng)變式力傳感器應(yīng)變片黏貼位置選取的內(nèi)在機(jī)理,提出了提高應(yīng)變式力傳感器的測試靈敏度,減小其非線性誤差的實(shí)用措施。
關(guān)鍵詞：電阻應(yīng)變片;力傳感器;黏貼位置;電橋;線性度;靈敏度
前言
---電阻應(yīng)變片能把感受到的力轉(zhuǎn)換為電阻變化,再通過測量電路把電阻變化轉(zhuǎn)化為電壓變化。電阻應(yīng)變式傳感器具有測量范圍廣、精度高、誤差小和線性特性好等優(yōu)點(diǎn),且能在惡劣環(huán)境下工作,在力、壓力和重量等測試中有非常廣泛的應(yīng)用。
測力傳感器常用的彈性敏感元件有柱式、懸臂梁式、環(huán)式和框式等,可根據(jù)實(shí)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(shí)的應(yīng)用情況。
應(yīng)變式傳感器常用的測量電路有單臂電橋、差動(dòng)半橋和差動(dòng)全橋,其中差動(dòng)全橋可提高電橋的靈敏度,消除電橋的非線性誤差,還可消除溫度誤差等共模干擾。一般在測量中都用4片應(yīng)變片組成差動(dòng)全橋,應(yīng)變片粘貼位置的不同會(huì)影響測量的靈敏度和非線性誤差,必須合理選取應(yīng)變片的粘貼位置來提高測量精度。
應(yīng)變片粘貼位置的選取
選取應(yīng)變片粘貼位置時(shí),要把4片應(yīng)變片中的兩片粘貼在最大正應(yīng)變處,另兩片放在負(fù)的最大應(yīng)變處,這樣可獲得最大的靈敏度。
當(dāng)采用如圖1所示的實(shí)心柱式彈性敏感元件,分析在自由端受力時(shí)梁感受到的應(yīng)變情況。在受力為F時(shí),在圓柱體的軸向感受到的應(yīng)變?yōu)樽畲笳龖?yīng)變,其值可由式（1）得到。
（1）
式（1）中,εx為圓柱體感受到的軸向應(yīng)變,設(shè)壓縮為正,F為施加在圓柱體上的壓力,E為材料彈性模量,A為圓柱體的截面積。
而在圓柱體的環(huán)向感受到的應(yīng)變?yōu)樽畲筘?fù)應(yīng)變,其值可由式（2）得到。
（2）
式（2）中,εθ為圓柱體感受到的環(huán)向應(yīng)變,設(shè)壓縮為正,μ為材料的泊松比。
由以上分析可知,圓柱體軸向就是最大正應(yīng)變處,圓柱體的環(huán)向即為最大負(fù)應(yīng)變處。貼片時(shí),在軸向貼兩片應(yīng)變片,在環(huán)向貼另兩片應(yīng)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(yīng)變片R2和R3接到測量電橋中的相對(duì)橋臂上,把在環(huán)向貼的應(yīng)變片R1和R4接到測量電橋的另一相對(duì)橋臂上,組成差動(dòng)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(jié)構(gòu)如圖2所示。
非線性誤差分析和改進(jìn)措施
當(dāng)施加作用力F時(shí)（壓縮）,感受環(huán)向應(yīng)變的電阻R1和R4的阻值發(fā)生變化,如式（3）所示。
（3）
式（3）中,R0為應(yīng)變片的初始電阻值,K為應(yīng)變片的靈敏系數(shù)。
此時(shí),感受軸向應(yīng)變的電阻R2和R3也發(fā)生變化,如式（4）所示。
（4）
當(dāng)采用圖2所示的全橋差動(dòng)電路進(jìn)行測量時(shí),輸出電壓可由式（5）得到。
（5）
從式（5）中可以看出,電橋輸出電壓與被測力并不是線性關(guān)系,想獲得較大的線性測量范圍,就要減小KF（1－μ）的值�？刹捎脙煞N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(shí)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,帶來非線性誤差。為了消除橫向力的影響,可采用圖3所示的承彎膜片結(jié)構(gòu)。
圖3所采用的結(jié)構(gòu)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(nèi)的橫向力就經(jīng)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(duì)測量精度的影響。
