詳解 | 關于測力傳感器的使用原理及發展應用

傳感器作為人機交流的工具之一 ，能夠及時捕捉機器在運行過程中的各種信息, 為人們的下一步決策提供技術和理論依據 。同時在產品設計和參數研究方面，也能提供準確的技術支持。

隨著科技的進步 ，傳感器的應用也越來越廣泛，目前已滲透到各個領域 。

以農業機械為例 ，黑龍江農墾系統前些年引進的各種型號的拖拉機都裝有不同種類的傳感器，在力調節 、位調節和力位綜合調節方面均由傳感器直接控制 ，充分顯示了機器作業過程中的先進性和駕駛員操作的方便性。

DP-1測力傳感器

1、電阻應變片式測力傳感器

測力傳感器的組成

傳感器的作用一般是將被測的非電量轉換成電量輸出 ,它主要由敏感元件、轉換元件,測量電路和輔助電源四部分組成 。

○ 敏感元件: 在傳感器中,主要作用是感受被測量的變化 ,同時將被測量變換成易于變換成電量的某一中間變量。如膜片式壓力傳感器 ,它的敏感無件是一個彈性膜片 ,其作用是將壓力信號轉變為膜片的變形,為下一步電信號的輸出做準備 。

○ 轉換元件: 傳感器通過轉換元件將敏感元件輸出的中間非電量轉換為可以被傳感器利用的電量。它主要是利用某些物理的、化學的或生物的效應等來達到這一目的。

如膜片式壓力傳感器的轉換元件 ,它利用電阻應變效應, 也就是金屬導體或半導體的電阻隨著它所受機械變形的大小而發生變化的原理 ,將彈性膜片的變形轉換為電阻值的變化。

○ 測量電路: 轉換元件輸出的電量常常難以直接進行顯示 、 記錄和處理, 需要將其進一步變換成可直接利用的電信號，完成這一功能的是測量電路。

如應變式壓力傳感器中的測量電路是橋式電路, 它可以將應變片輸出的電阻值轉換成一個電壓信號 ,經放大后即可推動記錄裝置和顯示儀表的工作。

○ 輔助電源 : 有些傳感器除電路電源外 ,還需一輔助電源提供給信號。

這四部分的聯系如圖所示:

2、對測力傳感器的基本要求

機械上使用的傳感器型式多種多樣, 但應用較多的還是電阻式傳感器。

電阻應變片式測力傳感器內部電路一般是橋式電路。電阻作為轉換元件，電阻阻值的變化最終以信號的形式輸出。

因具有結構簡單、線性和穩定性好 、輸出精度高等特點 , 在實際中越來越受到重視。其采用的敏感元件是彈性測試元件,主體就是一個彈性體 。其中彈性體的結構形狀與相關尺寸對測力傳感器性能的影響極大。

如果測力傳感器的彈性體設計不合理, 無論彈性體的加工精度多高、粘貼的電阻應變片的品質多好,測力傳感器都難以達到較高的測力性能 。

因此, 在測力傳感器的選擇過程中, 彈性體的結構型式至關重要 。

傳感器的電路工作原理如圖所示：

彈性體的設計基本屬于機械結構設計的范圍 ,但因測力性能的需要, 其結構上與普通的機械零件和構件有所不同 。

一般說來 ,普通的機械零件和構件只須滿足在足夠大的安全系數下的強度和剛度即可 ,對在受力條件下零件或構件上的應力分布情況不必嚴格要求。

然而 ,對于彈性體來說,除了需要滿足機械強度和剛度要求以外 ,必須保證彈性體上粘貼電阻應變片部位 ( 以下簡稱 “貼片部位”) 的應力( 應變) 與彈性體承受的載荷 ( 被測力 ) 保持嚴格的對應關系; 同時, 為了提高測力傳感器測力的靈敏度 ,還應使貼片部位達到較高的應力( 應變 ) 水平 。

TP501測力傳感器

綜上所述,測力傳感器的彈性體在選擇過程中必須滿足以下兩項要求:

(1) 貼片部位的應力( 應變) 應與被測力保持嚴格的對應關系; 能夠真實反映被測構件的變形情況 。

(2) 貼片部位應具有較高的應力 ( 應變) 水平。及時反映出構件的受力情況。

為了滿足上述兩項要求 ,在測力傳感器的彈性體元件選擇方面 ,經常應用 “應力集中”的原則, 確保貼片部位的應力( 應變 ) 水平較高 , 并與被測力保持嚴格的對應關系, 以提高所設計測力傳感器的測力靈敏度和測力精度。

> 改善應力 ( 應變 ) 不規則分布的“應力集中”原則：

在機械零件或構件的測試過程中, 通常認為應力( 應變) 在零件或構件上是規則分布的 , 如果零件或構件的截面形狀不發生變化 , 不必考慮應力 ( 應變) 分布不規則的問題。

其實, 在機械零件或構件的設計中 ,對于應力 ( 應變) 不規則分布的問題并非不予考慮 ,而是通過強度計算中的安全系數將其包容在內了 。

而對于測力傳感器來說, 它是通過電阻應變片測量彈性體上貼片部位的應變來測量被測力的大小。

若要保證貼片部位的應力 ( 應變 ) 與被測力保持嚴格的對應關系 ,實際上就是保證在測力傳感器受力時,彈性體上貼片部位的應力 ( 應變 ) 要按照某一規律分布,即按照被測構件的變化規律分布。

在實際應用中,對于彈性體貼片部位應力 ( 應變 ) 分布影響較大的因素主要是彈性體受力條件的變化。

彈性體受力條件的變化是指當彈性體受力的大小不變時, 力的作用點發生變化或彈性體與其相鄰的加載構件和承載構件的接觸條件發生變化。

如果在彈性體結構設計時 ,未能考慮這一情況 ,就可能造成彈性體上應力 ( 應變) 分布的不規則變化。

TP101測力傳感器

> 下面以筒式測力傳感器為例加以說明：

當筒式測力傳感器上、下端面均勻受力時,在彈性體貼片部位的整個圓周上應力 ( 應變 ) 的分布是均勻的。

當上、 下兩個端面上受力情況發生變化后,力在兩個端面的作用情況不再是均勻分布的, 這時彈性體貼片部位圓周上應力( 應變 ) 的分布情況就難以預料了。

如果筒式測力傳感器彈性體的高度與直徑之比在一定范圍之內 ( 如小于或等于 2 . 5),彈性體貼片部位圓周上的應力(應變 ) 基本上還是均勻分布。

但是 ,在實際應用中 ,受傳感器外形尺寸的影響 ,筒式測力傳感器彈性體的高度與直徑之比有時大于 2.5, 彈性體貼片部位圓周上應力( 應變) 就會發生不均勻分布 ,而且不均勻分布的情況隨彈性體受力情況的變化而改變 。

在這樣的條件下, 彈性體貼片部位的應力 ( 應變 ) 與被測力往往不能保持嚴格的對應關系,將造成明顯的測力誤差。

為了減小由于彈性體受力條件的變化引起的測力誤差,有些傳感器在設計上采取在筒式測力傳感器彈性體上增加貼片數量的方法 , 盡可能將彈性體上貼片部位圓周上應力 ( 應變 ) 分布不均勻的情況測量出來 。

這樣的處理方法有一定的效果, 可以減小彈性體受力條件的變化引起的測力誤差。

但這種方法畢竟是一種被動的方法 ,因為增加的貼片數量總是有限的,還是很難把彈性體上貼片部位圓周上應力( 應變) 分布不均勻的情況全部測量出來 , 測力誤差雖能夠減小 ,但其程度也不夠顯著。

彈性體受力條件的變化引起的測力誤差的實質是彈性體貼片部位圓周上的應力 ( 應變) 的不規則分布, 如果能使彈性體貼片部位圓周上的應力 ( 應變 ) 分布受到一定條件的約束 , 迫使貼片部位的應力 ( 應變 ) 按照某一規律分布 ,因而使得彈性體貼片部位的應力( 應變 ) 與被測力基本保持嚴格的對應關系, 由此來減小因彈性體受力條件的變化引起的測力誤差。

對于筒式測力傳感器來說, 在承載強度足夠的條件下 ,如果將彈性體貼片部位圓周上不貼片的部位挖空 ,使得應力只能在未挖空的部位分布 ,大大改善了應力 ( 應變) 不規則分布的情況。

或者說,應力( 應變) 的不規則分布僅僅限于未挖空的部位, 并且其不規則分布的程度不會很大。

因此 ,在未挖空的部位粘貼電阻應變片,就能使測得的應力 ( 應變 ) 與被測力基本保持嚴格的對應關系。

上述處理方法實際上出于這樣一個原理 : 通過某種措施,使彈性體上的應力 ( 應變 ) 集中分布在便于貼片檢測的部位,實現測得的應力( 應變) 與被測力基本保持嚴格的對應關系 ,以保證傳感器的測力精度。

TP601-1柱式扭環壓式測力傳感器

筆者曾用上述方法對筒式測力傳感器進行改進。測力精度明顯提高。

> 提高應力( 應變) 水平的應力集中原則

若要測力傳感器達到較高的靈敏度, 通常應該使電阻應變片有較高的應變水平, 即在彈性體上貼片部位應該有較高的應力 ( 應變 ) 水平 。

實現彈性體上貼片部位達到較高應力 ( 應變 )水平有兩種常用的方法:

(1) 整體減小彈性體的尺寸, 全面提高彈性體上的應力( 應變) 水平 ;

(2) 在貼片部位附近對彈性體進行局部削弱 ,使貼片部位局部應力 ( 應變) 水平提高 ,而彈性體其它部位的應力( 應變) 水平基本不變。

以上兩種方法都可以提高貼片部位的應力 ( 應變 ) 水平 ,但對彈性體整體性能而言 ,局部削弱彈性體的效果并不影響測試結果。

因為局部削弱彈性體既能提高貼片部位的應力 ( 應變 ) 水平 ,又使得彈性體整體保持較高的強度和剛度 ,有利于提高傳感器的性能和使用效果。

局部削弱彈性體提高貼片部位應力 ( 應變) 水平的原理是: 通過局部削弱彈性體 ,造成局部的應力集中 ,使得應力集中部位的應力 ( 應變) 水平明顯高于彈性體其它部位的應力水平, 將電阻應變片粘貼于應力集中部位,就可以測得較高的應變水平。

局部應力 ( 應變 ) 集中的方法在測力傳感器的設計中經常被采用, 尤其在梁式測力傳感器 (如彎曲梁式和剪切梁式測力傳感器 ) 的彈性體設計中被廣泛應用 。

局部應力 ( 應變 ) 集中方法應用較為成功的當數剪切梁式測力傳感器。剪切梁式測力傳感器是通過檢測梁式彈性體上的剪應力 ( 剪應變 ) 實現測力的 。

3、新技術在傳感器方面的應用

○ 新材料、 新工藝和新技術的開發應用

半導體材料在敏感技術中占有較大的技術優勢, 半導體傳感器不僅靈敏度高 、 響應速度快、體積小、質量輕 ,而且便于集成化 ,仍將占有主要地位 ;。

以一定化學成分 、 經過成型及燒結的功能陶瓷材料 ,其最大特點是耐熱性 ,在敏感技術的發展中具有很大的潛力; 同時將半導體的精密細微加工技術 、靜電封接技術等應用在傳感器的制造中 , 可極大提高傳感器的性能指標 。

○ 傳感器發展的集成化、多維化 、多功能化和智能化

采用集成加工技術 ,將傳感器的各部分制作在同一個芯片上, 從而使傳感器具有了體積小 、質量輕、生產自動化程度高、制造成本低 、穩定性和可靠性高、 安裝調試時間短等優點 。

使用電子掃描技術,將多個傳感器單元做在一起, 就可以研究多維空間的問題,如 CT技術等 ; 智能化傳感器還能將數據的采集 、 存儲 、 處理等一體化,從而實現其多功能化 。

4、結束語

隨著科技的進步,傳感器的發展將是日新月異、突飛猛進 ,其發展趨勢也將是各學科之間的相互交叉、 相互滲透和相輔相成。

由于其結構型式的和原理的不同 ,其功能和數據傳輸的特點也不一樣,在使用時應根據不同情況進行選型。

在測力傳感器的選型和設計方面 ,如果能自覺地按照上述原則 ,對彈性體進行結構設計, 就能夠收到提高測力傳感器的測力精度和測力靈敏度的良好效果 。在機械的自動化應用方面有一定的積極意義。