筒式力传感器结构（空心）

筒式力传感器结构（空心）

定义

筒式力传感器（空心）是一种电阻应变式力传感器，其弹性敏感元件为空心圆柱（筒）状结构。通常采用高强度合金钢或铝合金制成，在筒壁的外表面（或内表面）沿轴向和周向粘贴多片应变片，并连成全桥或半桥电路。

作用

将施加在筒体端部的轴向力（压力或拉力）转换为应变片电阻的相对变化，进而通过惠斯通电桥输出电压信号，实现非电量（力）到电量（电压）的线性转换。

工程理解

• 弹性体受力分析：轴向力 F 作用于筒体，横截面积 A = π(R² - r²)（R 为外径，r 为内径），筒壁产生均匀的正应力 σ = F / A。根据胡克定律，轴向应变 ε = σ / E = F / (A·E)，其中 E 为弹性模量。
• 应变片布局：常沿轴向粘贴应变片以感受最大正应变，沿周向粘贴应变片作为温度补偿或组成差动桥路。例如，四个应变片分别贴于筒壁对称位置，接成全桥，输出 U₀ = (1/4) · (ΔR/R) · Uᵢ · K ≈ (Uᵢ·K·F)/(4A·E)。
• 空心结构特点：与实心柱式相比，相同外力下空心筒的截面积更小，因此应变量更大，灵敏度更高；但抗过载能力和刚度略低。常用于 10³~10⁵ N 量程的力传感器。
• 实际考量：需保证筒体高度与直径比适当，避免失稳；内孔可通导线或用于安装；通常采用双膜片密封结构以消除侧向力干扰。