测力传感器设计应遵循的两种应力集中原则

对于电阻应变片式测力(以下简称测力)，弹性体的结构形状和相关尺寸对测力性能有很大影响。可以说，性能主要取决于弹性体的形状和相关尺寸。如果测力弹性体不合理，无论弹性体加工精度有多高，粘贴的电阻应变片质量有多好，测力传感器都很难达到更高的测力性能。因此，在测力传感器的过程中，合理执行弹性体非常重要。

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，其结构不同于普通机械零件和零件。一般来说，普通机械零件和零件只需要满足足足够大的安全系数下的强度和刚度，不需要严格要求受力条件下零件和零件的应力分布。但是，对于弹性体，除了满足机械强度和刚度的要求外，还必须保证在弹性体上粘贴电阻应变片的部分(以下简称片的部分)的应力(应变)和弹性体承受的负荷(被测量力)保持严格的应对关系。同时，为了提高测量传感器测量力的灵敏度，片的部分必须达到更高的应力(应变)水平。

因此，在弹性体设计过程中必须满足以下两个要求。

(1)芯片部件的应力(应变)应与被测力保持严格的对应关系。

(2)贴片部分应具有较高的应力(应力)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，以确保芯片部分的应力(应变)水平高，与被测力保持严格的对应关系，提高设计的测力传感器的测力灵敏度和测力精度。

改善应力(应变)不规则分布的应力集中原则。

在机械部件或部件的设计过程中，应力(应变)通常被认为是在部件或部件上规则分布的。如果部件或部件的截面形状不变，就没有必要考虑应力(应变)的不规则分布。事实上，在机械部件和部件的设计中，不考虑应力(应变)的不规则分布，而是通过强度计算的安全系数来包容。

对于力传感器，通过电阻应变片测量弹性体芯片的应变来测量被测量的尺寸。为了确保芯片部分的应力(应变)与被测力保持严格的对应关系，事实上，当测力传感器受到影响时，弹性体芯片部分的应力(应变)必须按照一定的规则分布。在实际应用中，弹性体芯片部分的应力(应变)分布影响较大的因素主要是弹性体受力条件的变化。

弹性体受力条件的变化是指弹性体受力大小不变时，力的作用点发生变化，或者弹性体与其相邻的加载部件和加载部件的接触条件发生变化。在设计弹性体结构时，如果不考虑这种情况，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，一些传感器设计者采用在筒式测力传感器弹性体上增加芯片数量的方法，尽量测量弹性体上芯片周围的应力(应力)分布不均匀。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，增加的芯片数量总是有限的，弹性体芯片部分的圆周应力(应力)分布不均匀，测量误差降低的程度不明显。

弹性体受力条件变化引起的测力误差的本质是弹性体芯片周围应力(应力)的不规则分布，弹性体芯片周围应力(应力)的分布受到一定条件的限制，使得芯片周围应力(应力)按照一定的规则分布。

作者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量误差超过1%

改进后(局部挖空)筒式传感器的测力误差为0.1~0.3%F.S.，测力精度明显提高。

提高应力(应变)水平的应力集中原理。

当测力传感器达到较高的灵敏度时，通常应使电阻应变片具有较高的应变水平，即在弹性体上贴片部分应具有较高的应力水平。

有两种常用的方法可以达到弹性体贴片的高应力(应变)水平。

(1)整体减小弹性体尺寸，全面提高弹性体应力(应力)水平。

(2)在贴片部位附近局部削弱弹性体，提高贴片部位的局部应力水平，弹性体其他部位的应力水平几乎不变。

上述两种方法都能提高芯片部位的应力(应变)水平，但是就弹性体的整体性能而言，局部削弱弹性体的效果远优于整体减小弹性体的尺寸。由于局部减弱弹性体不仅能提高片段的应力(应变)水平，而且能保持整个弹性体的高强度和刚度，有助于改善传感器的性能和使用效果。

局部削弱弹性体提高芯片应力(应变)水平的原理是通过局部削弱弹性体、局部应力集中、应力集中部应力(应变)水平明显高于弹性体其他部应力水平，将电阻应变片粘贴在应力集中部，可以测量高应变水平。

在测力传感器的设计中，尤其是在梁式测力传感器(如弯梁式和剪梁式测力传感器)的弹性体设计中，经常采用局部应力性体设计中。局部应力(应变)集中方法广泛应用于剪切梁式测力传感器。剪切梁式测力传感器通过检测梁弹性体上的剪切应力(剪切应变)来实现测力。

对于梁构件而言，其弯曲强度是主要矛盾。当梁符合弯曲强度时，剪切强度通常较大。在中性层附近挖出盲孔后，截面上腹板的剪切应力(剪切应力)明显增加，但截面的弯曲应力较小。因此，在切割梁弹性体采用局部应力集中方案后，检测到的切割应力大大提高，测力传感器的灵敏度明显提高，对整个梁的弯曲强度影响小，使整个梁保持良好的强度和刚度。

在测力传感器的设计过程中，如果能够根据上述两种应力集中原则自觉设计弹性体，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原则，对设计和生产高性能测力传感器具有重要的实用意义。

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