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測力傳感器設(shè)計(jì)的應(yīng)力集中原則
摘要：文中介紹了在測力傳感器的設(shè)計(jì)過程中經(jīng)常運(yùn)用的兩種應(yīng)力集中的設(shè)計(jì)原則。按照這兩種應(yīng)力集中的原則，對(duì)彈性體進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，能夠收到提高測力傳感器的測力精度和測力靈敏度的良好效果。關(guān)鍵詞：測力傳感器，應(yīng)力集中，精度，靈敏度
一、概述
對(duì)于電阻應(yīng)變片式測力傳感器（以下簡稱“測力傳感器”）來說，彈性體的結(jié)構(gòu)形狀與相關(guān)尺寸對(duì)測力傳感器性能的影響極大�？梢哉f，測力傳感器的性能主要取決于其彈性體的形狀及相關(guān)尺寸。如果測力傳感器的彈性體設(shè)計(jì)不合理，無論彈性體的加工精度多高、粘貼的電阻應(yīng)變片的品質(zhì)多好，測力傳感器都難以達(dá)到較高的測力性能。因此，在測力傳感器的設(shè)計(jì)過程中，對(duì)彈性體進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。
彈性體的設(shè)計(jì)基本屬于機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的范圍，但因測力性能的需要，其結(jié)構(gòu)上與普通的機(jī)械零件和構(gòu)件有所不同。一般說來，普通的機(jī)械零件和構(gòu)件只須滿足在足夠大的安全系數(shù)下的強(qiáng)度和剛度即可，對(duì)在受力條件下零件或構(gòu)件上的應(yīng)力分布情況不必嚴(yán)格要求。然而，對(duì)于彈性體來說，除了需要滿足機(jī)械強(qiáng)度和剛度要求以外，必須保證彈性體上粘貼電阻應(yīng)變片部位（以下簡稱“貼片部位”）的應(yīng)力（應(yīng)變）與彈性體承受的載荷（被測力）保持嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系；同時(shí)，為了提高測力傳感器測力的靈敏度，還應(yīng)使貼片部位達(dá)到較高的應(yīng)力（應(yīng)變）水平。
由此可見，在彈性體的設(shè)計(jì)過程中必須滿足以下兩項(xiàng)要求：
（1）貼片部位的應(yīng)力（應(yīng)變）應(yīng)與被測力保持嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系；
（2）貼片部位應(yīng)具有較高的應(yīng)力（應(yīng)變）水平。
為了滿足上述兩項(xiàng)要求，在測力傳感器的彈性體設(shè)計(jì)方面，經(jīng)常應(yīng)用“應(yīng)力集中”的設(shè)計(jì)原則，確保貼片部位的應(yīng)力（應(yīng)變）水平較高，并與被測力保持嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系，以提高所設(shè)計(jì)測力傳感器的測力靈敏度和測力精度。
二、改善應(yīng)力（應(yīng)變）不規(guī)則分布的“應(yīng)力集中”原則
在機(jī)械零件或構(gòu)件的設(shè)計(jì)過程中，通常認(rèn)為應(yīng)力（應(yīng)變）在零件或構(gòu)件上是規(guī)則分布的，如果零件或構(gòu)件的截面形狀不發(fā)生變化，不必考慮應(yīng)力（應(yīng)變）分布不規(guī)則的問題。其實(shí)，在機(jī)械零件或構(gòu)件的設(shè)計(jì)中，對(duì)于應(yīng)力（應(yīng)變）不規(guī)則分布的問題并非不予考慮，而是通過強(qiáng)度計(jì)算中的安全系數(shù)將其包容在內(nèi)了。
對(duì)于測力傳感器來說，它是通過電阻應(yīng)變片測量彈性體上貼片部位的應(yīng)變來測量被測力的大小。若要保證貼片部位的應(yīng)力（應(yīng)變）與被測力保持嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系，實(shí)際上就是保證在測力傳感器受力時(shí)，彈性體上貼片部位的應(yīng)力（應(yīng)變）要按照某一規(guī)律分布。在實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)于彈性體貼片部位應(yīng)力（應(yīng)變）分布影響較大的因素主要是彈性體受力條件的變化。
彈性體受力條件的變化是指當(dāng)彈性體受力的大小不變時(shí)，力的作用點(diǎn)發(fā)生變化或彈性體與其相鄰的加載構(gòu)件和承載構(gòu)件的接觸條件發(fā)生變化。如果在彈性體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，未能考慮這一情況，就可能造成彈性體上應(yīng)力（應(yīng)變）分布的不規(guī)則變化。這方面最典型的實(shí)例是筒式測力傳感器（見圖1）。 當(dāng)筒式測力傳感器上、下端面均勻受力時(shí)，在彈性體貼片部位的整個(gè)圓周上應(yīng)力（應(yīng)變）的分布是均勻的。當(dāng)上、下兩個(gè)端面上受力情況發(fā)生變化后，力在兩個(gè)端面的作用情況不再是均勻分布的，這時(shí)彈性體貼片部位圓周上應(yīng)力（應(yīng)變）的分布情況就難以預(yù)料了。如果筒式測力傳感器彈性體的高度與直徑之比
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