应变片式测力传感器弹性体的结构形状和相关尺寸

对于电阻应变片式测力传感器，弹性体的结构形状和相关尺寸对测力传感器的性能有很大的影响。可以说，测力传感器的性能主要取决于其弹性体的形状和相关尺寸。如果测力传感器的弹性体设计不合理，无论加工精度有多高，粘贴的电阻应变片质量有多好，测力传感器都难以达到较高的测力性能。因此，在测力传感器的设计过程中，合理设计弹性体至关重要。

弹性体的设计基本上属于机械结构设计的范围，但由于测力性能的需要，其结构不同于普通的机械部件和部件。一般来说，普通的机械部件和部件只能满足足足够大的安全系数下的强度和刚度，不需要严格要求部件或部件的应力分布。但对于弹性体，除了满足机械强度和刚度要求外，还必须保证电阻应变片（以下简称贴片部分）的应力（应变）与弹性体承受的载荷（应变）保持严格的对应关系，提高应力传感器的灵敏度，使贴片部分达到较高的应力（应变）水平。

由此可见，弹性体的设计必须满足以下两个要求：

(1)应力(应变)应与被测力保持严格对应；

(2)贴片应具有较高的应力(应变)水平。

为了满足上述两个要求，应力集中的设计原则经常应用于测力传感器的弹性体设计，以确保补丁部分的应力（应变）水平较高，并与测力保持严格的对应关系，以提高设计测力传感器的测力灵敏度和测力精度。

在机械部件或部件的设计过程中，应力（应变）通常被认为是零件或部件的规则分布。如果零件或部件的截面形状不改变，则无需考虑应力（应变）分布的不规则问题。事实上，在机械部件或部件的设计中，不考虑应力（应变）的不规则分布，而是通过强度计算中的安全系数。

对于测力传感器，它通过电阻应变片测量弹性体上贴片部分的应变来测量被测力的大小。为了保证贴片部分的应力（应变）与被测力保持严格的对应关系，实际上是为了保证弹性体贴片部分的应力（应变）应按照一定的规律分布。在实际应用中，对弹性体贴片部分应力（应变）分布影响较大的因素主要是弹性体应力条件的变化。

弹性体受力条件的变化是指当弹性体受力大小不变时，力的作用点发生变化或弹性体与相邻加载构件和承载构件的接触条件发生变化。如果在设计弹性体结构时不考虑这种情况，可能会导致弹性体上应力(应变)分布的不规则变化。这方面最典型的例子是筒式测力传感器。为了减少弹性体受力条件变化引起的测力误差，一些传感器设计师采用增加筒式测力传感器弹性体贴片数量的方法，尽可能测量弹性体贴片周应力(应变)分布不均匀的情况。这种处理方法有一定的效果，可以减少弹性体受力条件变化引起的测力误差。但这种方法毕竟是被动的方法，增加的贴片数量总是有限的，弹性体贴片周应力(应变)分布不均匀，测力误差不够明显。

弹性体受力条件变化引起的测力误差的本质是弹性体贴片周围应力（应变）的不规则分布。如果弹性体贴片周围的应力（应变）分布受到一定条件的限制，则迫使贴片部分的应力（应变）按规律分布，因此弹性体贴片部分的应力（应变）与被测力基本保持严格的对应关系，从而减少弹性体受力条件变化引起的测力误差。

我们将用上述方法改进了筒式测力传感器，改进前普通筒式传感器的测力误差大于1%

F.S.改进后(局部挖空)筒式传感器测力误差为0.1~0.3%F.S.，测力精度显著提高。

如果测力传感器达到较高的灵敏度，电阻应变片通常应具有较高的应变水平，即弹性体贴片应具有较高的应力（应变）水平。

有两种常用的方法可以实现弹性体贴片的高应力（应变）水平：

(1)全面降低弹性体尺寸，全面提高弹性体应力(应变)水平；

(2)局部削弱贴片附近的弹性体，提高贴片附近的局部应力(应变)水平，而弹性体其他部位的应力(应变)水平基本不变。

以上两种方法都可以提高补丁部分的应力（应变）水平，但对于弹性体的整体性能，局部削弱弹性体的效果远远好于整体减小弹性体的尺寸。由于局部削弱弹性体不仅可以提高补丁部分的应力（应变）水平，而且可以保持弹性体的高强度和刚度，有利于提高传感器的性能和使用效果。

局部削弱弹性体提高补丁应力（应变）水平的原理是：局部削弱弹性体，导致局部应力集中，使应力集中应力（应变）水平明显高于弹性体其他应力水平，将电阻应变片粘贴在应力集中，可测量较高的应变水平。

局部应力（应变）集中的方法常用于测力传感器的设计，尤其是梁式测力传感器(如弯曲梁式和剪切梁式测力传感器)的弹性体设计。局部应力(应变)集中方法采用成功的当数剪切梁式测力传感器。剪切梁式测力传感器通过检测梁式弹性体上的剪应力(剪应变)来实现测力。

对于梁构件，其弯曲强度是主要矛盾。当梁满足弯曲强度时，剪切强度一般较大。在中性层附近挖盲孔时，截面上腹板上的剪切应力（剪切应变）显著增加，但截面上的弯曲应力很小。因此，在采用局部应力集中方案后，检测到的剪切应力大大提高，显著提高了测力传感器的灵敏度，对整个梁的弯曲强度影响不大，使整个梁保持了良好的强度和刚度。

在测力传感器的设计过程中，如果能有意识地按照上述两种应力集中的原则设计弹性体，就能获得提高测力传感器测力精度和测力灵敏度的良好效果。灵活、适当地运用应力集中的原则对高性能测力传感器的设计和生产具有重要的实用意义。