电阻式传感器典型应用（一）：力传感器结构与设计

电阻式传感器典型应用（一）：力传感器结构与设计

本文档详细介绍了电阻式力传感器的三种典型弹性元件结构——柱（筒）式、环式和悬臂梁式，以及相应的应变片粘贴方法和桥路设计。文档通过理论分析和计算示例，展示了如何通过差动电桥和温度补偿技术提高测量精度和消除误差。

核心内容

应变电阻式传感器

由弹性元件、电阻应变片及附件（补偿元件、保护罩等）组成的测量装置。弹性元件将力、压力等非电量转换为应变，再由电阻应变片将应变转换为电阻变化。

柱（筒）式力传感器

• 结构简单紧凑，可承受很大载荷（火箭发动机实验可达数千吨）
• 实心柱式用于大载荷，空心筒式用于较小载荷
• 应变片对称粘贴在应力分布均匀的中间部分
• 通过将相对臂应变片串联（R₁与R₃串接，R₂与R₄串接）消除载荷偏心和弯矩影响
• 横向贴片（R₅~R₈）主要作温度补偿用

环式力传感器

• 应力分布复杂且有方向区分，便于构成差动电桥
• C点应变为零，该处贴片起温度补偿作用
• A、B两点应变公式（式3-62、3-63）与简单模型ε=F/AE不完全一致
• 适用于测量较大载荷

悬臂梁式力传感器

• 结构简单、加工方便、灵敏度高，适用于小载荷测量（500N以下）
• 等强度梁（变截面梁）：各点应变相等，便于贴片
• 等截面梁：应变与位置相关，贴片位置要求高
• 应变公式：等强度梁ε=6Fl/(bh²E)，等截面梁εₓ=6F(l-x)/(bh²E)

计算示例

文档包含一个完整的计算示例，定量比较了三种桥路方案：

1. 单臂电桥：输出电压1.5mV，非线性误差0.1%
2. 半桥差动（温度补偿）：保持相同灵敏度，实现温度补偿
3. 全桥差动：输出电压6mV（灵敏度为单臂4倍），非线性误差为零

关键公式

• 柱式：ε = F/AE
• 环式A点：ε_A = ±3F[R-(h/2)]/(bh²E)·(1-2/π)
• 环式B点：ε_B = ±3F[R-(h/2)]/(bh²E)·(2/π)
• 等强度梁：ε = 6Fl/(bh²E)
• 等截面梁：εₓ = 6F(l-x)/(bh²E)

工程要点

• 弹性元件设计是力传感器性能的关键
• 差动电桥可消除非线性误差并提高灵敏度
• 温度补偿可通过横向贴片、零应变点贴片等方式实现
• 理论简化模型与复杂结构实际应力分布存在差异，需工程验证