测力传感器原理

测力传感器通常将力转换为正比于作用力大小的电信号，使用十分方便，因而在工程领域及其他各种场合应用最为广泛。测力传感器种类繁多，依据不同的物理效应和检测原理可分为电阻应变式、压磁式、压电式、振弦式力传感器等。
1．应变式力传感器
在所有力传感器中，应变式力传感器应用最为广泛。它能应用于从极小到很大的动、静态力的测量，且测量精度高，其使用量约占力传感器总量的90％左右。
应变式力传感器的工作原理与应变式压力传感器基本相同，它也是由弹性敏感元件和贴在其上的应变片组成。应变式力传感器首先把被测力转变成弹性元件的应变，再利用电阻应变效应测出应变，从而间接地测出力的大小。弹性元件的结构形式有柱形、筒形、环形、梁形、轮辐形、s形等。
应变片的布置和接桥方式，对于提高传感器的灵敏度和消除有害因素的影响有很大关系。根据电桥的加减特性和弹性元件的受力性质，在贴片位置许可的情况下，可贴4或8片应变片，其位置应是弹性元件应变最大的地方。
图1给出了常见的柱形、筒形、梁形弹性元件及应变片的贴片方式。图1（a）为柱形弹性元件；图1（b）为筒形弹性元件；图1（c）为梁形弹性元件。
（1）柱形应变式力传感器

图1　几种弹性元件及应变片贴片方式
柱形弹性元件通常都做成圆柱形和方柱形，用于测量较大的力。最大量程可达10MN。在载荷较小时（1～100kN），为便于粘贴应变片和减小由于载荷偏心或侧向分力引起的弯曲影响，同时为了提高灵敏度，多采用空心柱体。四个应变片粘贴的位置和方向应保证其中两片感受纵向应变，另外两片感受横向应变（因为纵向应变与横向应变是互为反向变化的），如图1（a）所示。
当被测力F沿柱体轴向作用在弹性体上时，其纵向应变和横向应变分别为
（1）
式中，E为材料的弹性模量；S为柱体的截面积；μ为材料的泊松比。
在实际测量中，被测力不可能正好沿着柱体的轴线作用，而总是与轴线成一微小的角度或微小的偏心，这就使得弹性柱体除了受纵向力作用外，还受到横向力和弯矩的作用，从而影响测量精度。
（2）轮辐式力传感器
简单的柱式、筒式、梁式等弹性元件是根据正应力与载荷成正比的关系来测量的，它们存在着一些不易克服的缺点。为了进一步提高力传感器性能和测量精度，要求力传感器有抗偏心、抗侧向力和抗过载能力。20世纪70年代开始已成功地研制出切应力传感器。图2是较常用的轮辐式切应力传感器的结构简图。
轮辐式力传感器由轮圈、轮轱、辐条和应变片组成。辐条成对且对称地连接轮圈和轮轱，当外力作用在轮轱上端面和轮轱下端面时，矩形辐条就产生平行四边形变形，如图2（b）所示，形成与外力成正比的切应变。此切应变能引起与中性轴成450方向的相互垂直的两个正负正应力，即由切应力引起的拉应力和压应力，通过测量拉应力或压应力值就可知切应力值的大小。因此，在轮辐式传感器中，把应变片贴到与切应力成450的位置上，使它感受的仍是拉伸和压缩应变，但该应变不是由弯距产生的，而主要是由剪切力产生的，此即这类传感器的基本工作原理。这类传感器最突出的优点是抗过载能力强，能承受几倍于额定量程的过载。此外，其抗偏心、抗侧向力的能力也较强，精度在0.1％之内。

（a）轮辐式结构　　　　　　　（b）辐条变形情况
图2　轮辐式力传感器
2．压磁式力传感器
当铁磁材料在受到外力的拉、压作用而在内部产生应力时，其导磁率会随应力的大小和方向而变化：受拉力时，沿力作用方向的导磁率增大，而在垂直于作用力的方向上导磁率略有减小；受压力作用时则导磁率的变化正好相反。这种物理现象就是铁磁材料的压磁效应。这种效应可用于力的测量。
压磁式力传感器一般由压磁元件、传力机构组成，如图3（a）所示。其中主要部分是压磁元件，它由其上开孔的铁磁材料薄片叠成。压磁元件上冲有四个对称分布的孔，孔1和2之间绕有激磁绕组W12 （初级绕组），孔3和4间绕有测量绕组W34。（次级绕组），如图3（b）所示。当激磁绕组W12通有交变电流时，铁磁体中就产生一定大小的磁场。若无外力作用，则磁感应线相对于测量绕组平面对称分布，合成磁场强度日平行于测量绕组W34的平面，磁感应线不与测量绕组W34交连，故绕组W34不产生感应电势，如图3（C）所示。当有压缩力F作用于压磁元件上时，磁感应线的分布图发生变形，不再对称于测量绕组W34的平面（如图3（d）所示），合成磁场强度H不再与测量绕组平面平行，因而就有部分磁感应线与测量绕组W34相交链，而在其上感应出电势。作用力愈大，交链的磁通愈多，感应电势愈大。
压磁式力传感器的输出电势比较大，通常不必再放大，只要经过滤波整流后就可直接输出，但要求有一个稳定的激磁电源。压磁式力传感器可测量很大的力，抗过载能力强，能在恶劣条件下工作。但频率响应不高（1～10 kHz），测量精度一般在1％左右，也有精度更高的新型结构的压磁式力传感器。常用于冶金、矿山等重工业部门作为测力或称重传感器，例如在轧钢机上用来测量大的力以及用在吊车秤中。

图3　压磁式传感器

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