测力传感器解决方案

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。

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

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。

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。

图2　轮辐式力传感器

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。

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。

图3 压磁式传感器

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。

压电式传感器 是基于压电效应的传感器。是一种自发电式和机电转换式传感器。它的敏感元件由压电材料制成。压电材料受力后表面产生电荷。此电荷经电荷放大器和测量电路放大和变换阻抗后就成为正比于所受外力的电量输出。压电式传感器用于测量力和能变换为力的非电物理量。它的优点是频带宽、灵敏度高、信噪比高、结构简单、工作可靠和重量轻等。缺点是某些压电材料需要防潮措施，而且输出的直流响应差，需要采用高输入阻抗电路或电荷放大器来克服这一缺陷。利用压电材料（石英晶体、压电陶瓷）的压电效应，将被测力转换为与其成正比的电荷量输出；

石英晶体：性能稳定，动态效应好，机械强度高，线性范围宽，多用于高精度，大量程测量，mN-MN.

压电陶瓷：压电常数远高于压电晶体，价格便宜，用途广泛。

主要用于动态测量：

振弦式传感器（vibrating wire transducer）是以拉紧的金属弦作为敏感元件的谐振式传感器。当弦的长度确定之后，其固有振动频率的变化量即可表征弦所受拉力的大小,通过相应的测量电路,就可得到与拉力成一定关系的电信号。振弦的固有振动频率f与拉力T的关系为，式中l为振弦的长度，ρ为单位弦长的质量。振弦的材料与质量直接影响传感器的精度、灵敏度和稳定性。钨丝的性能稳定、硬度、熔点和抗拉强度都很高,是常用的振弦材料。此外,还可用提琴弦、高强度钢丝、钛丝等作为振弦材料。振弦式传感器由振弦、磁铁、夹紧装置和受力机构组成。振弦一端固定、一端连接在受力机构上。

早期的压力传感器即采用振弦式。这种传感器的振弦一端固定，另一端连结在弹性感压膜片上。弦的中部装有一块软铁，置于磁铁和线圈构成的激励器的磁场中。激励器在停止激励时兼作拾振器，或单设拾振器。工作时,振弦在激励器的激励下振动,其振动频率与膜片所受压力的大小有关。

拾振器则通过电磁感应获取振动频率信号。振弦振动的激励方式有间歇式和连续式两种。在间歇激励方式中，采用张弛振荡器给出激励脉冲，并通过一个继电器使线圈通电、磁铁吸住弦上的软铁块。

激励脉冲停止后，磁铁被松开，使振弦自由振动。此时在线圈中即产生感应电势，其交变频率即为振弦的固有振动频率。连续激励方式又可分为电流法和电磁法。电流法将振弦作为等效的LC回路并联于振荡电路中，使电路以振弦的固有频率振荡。

电磁法采用两个装有线圈的磁铁，分别作为激励线圈和拾振线圈。拾振线圈的感应信号被放大后又送至激励线圈去补充振动的能量。为减小传感器非线性对测量精度的影响，需要选择适中的最佳工作频段和设置预应力，或采用在感压膜的两侧各设一根振弦的差动式结构。