提高应变式力传感器综合性能的措施
Methods to improve the performance of resistor strain strength sensors
摘 要：分析了应变式力传感器应变片黏贴位置选取的内在机理,提出了提高应变式力传感器的测试灵敏度,减小其非线性误差的实用措施。
关键词：电阻应变片;力传感器;黏贴位置;电桥;线性度;灵敏度
前言
---电阻应变片能把感受到的力转换为电阻变化,再通过测量电路把电阻变化转化为电压变化。电阻应变式传感器具有测量范围广、精度高、误差小和线性特性好等优点,且能在恶劣环境下工作,在力、压力和重量等测试中有非常广泛的应用。
测力传感器常用的弹性敏感元件有柱式、悬臂梁式、环式和框式等,可根据实际使用情况选取合适的敏感元件,本文要讨论的是柱式弹性敏感元件在测试力时的应用情况。
应变式传感器常用的测量电路有单臂电桥、差动半桥和差动全桥,其中差动全桥可提高电桥的灵敏度,消除电桥的非线性误差,还可消除温度误差等共模干扰。一般在测量中都用4片应变片组成差动全桥,应变片粘贴位置的不同会影响测量的灵敏度和非线性误差,必须合理选取应变片的粘贴位置来提高测量精度。
应变片粘贴位置的选取
选取应变片粘贴位置时,要把4片应变片中的两片粘贴在最大正应变处,另两片放在负的最大应变处,这样可获得最大的灵敏度。
当采用如图1所示的实心柱式弹性敏感元件,分析在自由端受力时梁感受到的应变情况。在受力为F时,在圆柱体的轴向感受到的应变为最大正应变,其值可由式（1）得到。
（1）
式（1）中,εx为圆柱体感受到的轴向应变,设压缩为正,F为施加在圆柱体上的压力,E为材料弹性模量,A为圆柱体的截面积。
而在圆柱体的环向感受到的应变为最大负应变,其值可由式（2）得到。
（2）
式（2）中,εθ为圆柱体感受到的环向应变,设压缩为正,μ为材料的泊松比。
由以上分析可知,圆柱体轴向就是最大正应变处,圆柱体的环向即为最大负应变处。贴片时,在轴向贴两片应变片,在环向贴另两片应变片,可获得最大的灵敏度,贴片方法如图1所示。
把轴向贴的应变片R2和R3接到测量电桥中的相对桥臂上,把在环向贴的应变片R1和R4接到测量电桥的另一相对桥臂上,组成差动全桥电路,可获得最大的灵敏度,另外还可以减小非线性误差和温度误差等,采用的电桥结构如图2所示。
非线性误差分析和改进措施
当施加作用力F时（压缩）,感受环向应变的电阻R1和R4的阻值发生变化,如式（3）所示。
（3）
式（3）中,R0为应变片的初始电阻值,K为应变片的灵敏系数。
此时,感受轴向应变的电阻R2和R3也发生变化,如式（4）所示。
（4）
当采用图2所示的全桥差动电路进行测量时,输出电压可由式（5）得到。
（5）
从式（5）中可以看出,电桥输出电压与被测力并不是线性关系,想获得较大的线性测量范围,就要减小KF（1－μ）的值。可采用两种方法,一是测量较小的力,二是在满足使用要求的情况下,尽量选取泊松比大的材料。
另外,在实际测量中,被测力不可能正好沿着圆柱体的轴线作用,而总是与轴线之间有微小的角度或偏心,使得弹性体除了受纵向力作用以外,还受到横向力和弯矩的作用,带来非线性误差。为了消除横向力的影响,可采用图3所示的承弯膜片结构。
图3所采用的结构为在传感器刚性外壳上端面加一片极薄的膜片。由于膜片在平面方向刚度很大,所以作用在膜片平面内的横向力就经过膜片传递到外壳或底座,在垂直于平面方向的膜片刚度很小,所以沿柱体轴向的变形正比于被测力。这样,膜片就承受了绝大部分横向力和弯曲,消除了对测量精度的影响。
