高精度电阻应变式测力传感器的弹性体设计

桑震扬（上海西派埃自动化仪表工程有限责任公司，201612）



高精度电阻应变式测力传感器的弹性体设计

桑震扬
（上海西派埃自动化仪表工程有限责任公司，201612）

介绍了双圆孔梁式传感器弹性体的工作原理和设计计算，该形式的弹性体与传统的悬臂梁式传感器在性能上具有精度高、性能稳定可靠等特点，已经在机动车检测仪表中得到了广大的应用。

双圆孔梁式传感器；弹性体；应变计

0　前言

高精度电阻应变式测力传感器由弹性体、电阻应变计等组成，弹性体是高精度测力传感器的基础，而应变计是传感器的核心。

传感器弹性体的形式繁多、结构复杂，设计高精度测力传感器必须根据它的量程大小和精度高低对其弹性体的几何形状、材料进行合理选择和设计。而设计高精度测力传感器的指导思想是：追求良好的自然线性、提高传感器的输出灵敏度，使传感器的抗侧向能力强。同时，使传感器的结构简单，易于密封、加工容易等。

1　工作原理和设计计算

双圆孔梁式弹性体和其他应变弹性体一样，其工作原理是以金属弹性体变形原理和电阻应变计的应变原理为基础的，即在外加重量和力的作用下电阻应变计随弹性体一起变形而改变电阻值的物理现象。电阻应变计用热固性树脂粘结剂牢固的粘贴在双圆孔梁式弹性表面，四片电阻应变计连接成惠斯登电桥线路。在外力作用之前，电桥预先调至平衡。在外力作用下，电阻应变计随双圆孔弹性体一起变形而改变电阻值，从而使应变电桥产生一个与重量或外力成正比的电压输出信号。

根据虎克定律，在弹性极限范围以内，弹性体的变形与应力成正比，也就是与所受之力成正比。

当电阻应变计随弹性体的变形而变形时，电阻应变计随之改变几何尺寸及物理性能，从而改变电阻值。

传感器的弹性体结构如图1所示，它是一种单端固定而另一端受力的双圆孔式双梁：此双梁由整块材料加工而成，故结构极为稳定可靠。当外力或重量作用于双圆孔梁弹性体时，它便产生变形，为简化传感器的计算，可把双圆孔式双梁简化为一端固定而另一端只沿力方向移动而不能转动的静不定矩形双梁，计算时要用组合计算方法，每根梁的变形量根据以下公式而定：

应变计粘贴部位的应变量为：

图1　双圆孔双梁

图2　矩形双梁

应变计随弹性梁变形后，其结果是二片应变计受拉伸变形后增加电阻值+Δk，而另二片受压缩变形后减小电阻值-Δk，其电阻值变化的关系式为：

电阻应变计组成如图3所示的惠斯登等臂电桥，当供桥电压为U时，电阻应变计的电阻变化使电桥失去平衡，从而输出与P成正比的不平衡电压输出符号ΔU，此符号可根据下列公式计算：

由于应变电桥中，各电阻应变计的电阻值相同，故可以变成：

将（5）、（10）式代入（9）式使得出双圆孔梁式传感器的灵敏度计算的基本公式（11）

对于量程较小的力传感器，为防止外力或重量的超载，应采取机械保护措施：通常称为机械过载保护，为此必须精确的计算出弹性梁的挠度f，然后在机械装置上加精确调整。

2　双圆孔梁式测力传感器的特点

1）双圆孔梁式传感器具有极强的抗侧向力的能力。

2） 它与悬臂单梁式力传感器相比，具有刚度大、性能好，尤其是抗弯刚度及抗扭刚度大，从而提高了传感器的线性与稳定性，减小了滞后，增强了抗侧向力的能力。

3） 与悬臂双梁式力传感器相比，也在相当程度上提高了抗弯与抗扭刚度，故而适当提高了性能，同时由于双圆孔梁结构上的特点，减小了蠕变，这项指标对高精度力传感器极为重要。

4） 由于双圆孔梁式传感器结构上的特点和电阻应变计在桥路中的连接方法，使双圆孔梁式力传感器的输出信号不受力点位置变动的影响。通常力点位置移动±5mm或±5mm以上，传感器精度等级保持不变，确保了力传感器的现场安装和使用中的精度。

3　传感器弹性体材料、加工及热处理工艺要求

传感器弹性体是测力检测元件的核心部分，它的功能是把重量或力转换成与其严格成正比的弹性体变形，因此对材质要求极高，它必须具备综合的机械物理性能，主要要求有下列六点：

1） 弹性体的滞后（即来回变差）应极小。

2） 材料的蠕变要极小。

3） 材料的线性要好。即力与变形应成严格的线性关系。

4） 材料的弹性模量的温度系数线性要好。

5） 材料的热处理性能要好。

6） 材料的弹性极限要高。强度要高，应选择 比值尽可能高的材料。

4　传感器的技术性能

1）额定载荷：5、7、10、50、70、100、150、300kg等

2） 输入、输出性能：约350Ω

3） 过载性能：额定载荷的120%

4） 非线性：＜±0.05%F·S

5） 来回变差：＜±0.05%F·S

6） 不重复性：＜±0.05%F·S

7） 灵敏度：＜±0.01%F·S

8） 起始点信号值：±3%F·S以内

10） 绝缘电阻：＞2000mv

11） 蠕变：±0.03%F·S

12） 供桥电压：10V（DC）

5　结束语

由于双圆孔梁式传感器的优良技术性能：如精度高、性能稳定可靠，不受力点变动影响，抗侧向力强等。因此在许多领域已经广泛应用。同时，我们也已将双圆孔梁式传感器成功应用于我公司生产的SAF-01型机动车方向盘转向力转向角检测仪。它可用于快速测定各种机动车辆的方向盘转角、自由转角和方向盘切向操纵力，是汽车制造厂、汽车修理厂、汽车安全综合性能检测的必备设备之一。

［1］全国传感器及其应用学术讨论会《机械量传感器论文集》

［2］林自强：“国外高精度应变测力传感器技术的分析与探讨”计量技术：1978年第二期

Design of the elastomer for the high-precision force strain sensor

Sang Zhenyang
（Shanghai SIPAI Automation Instrumentation Engineering Co.，Ltd，201612）

The working principle and design calculation of the beam type sensor with double holes are introduced in this paper.Compare with the traditional cantilever beam sensor，the elastomer of the sensor has the characteristics of high precision，stable & reliable performance，and so on.And has been the vast number of applications.in the motor vehicle detection.

The beam type sensor with double holes；Elastomer；Strain gauge