應變式壓力傳感器原理與結構

　　壓力傳感器的一種，在所有測力傳感器中，應變式測力傳感器應用最為廣泛。它能應用于從極小到很大的動、靜態力的測量，且測量精度高，其使用量約占測力傳感器總量的90％左右。

　　壓力傳感器是由彈性敏感元件和貼在其上的應變片組成。應變式測力傳感器首先把被測力轉變成彈性元件的應變，再利用電阻應變效應測出應變，從而間接地測出力的大小。常見的彈性元件結構形式有柱式、筒式、環形、梁式、輪輻式、s形等。

　　壓力傳感器的布置和接橋方式，對于提高力傳感器的靈敏度和消除有害因素的影響有很大關系。根據電橋的加減特性和彈性元件的受力性質，在貼片位置許可的情況下，可貼4或8片應變片，其位置應是彈性元件應變最大的地方。

　　柱式彈性元件通常都做成圓柱形和方柱形，用于測量較大的力。最大量程可達10MN。在載荷較小時（1～100kN），為便于粘貼應變片和減小由于載荷偏心或側向分力引起的彎曲影響，同時為了提高靈敏度，多采用空心柱體。四個應變片粘貼的位置和方向應保證其中兩片感受縱向應變，另外兩片感受橫向應變（因為縱向應變與橫向應變是互為反向變化的），如上圖（a）所示。

　　當被測力F沿柱體軸向作用在彈性體上時，其縱向應變和橫向應變分別為

　　在實際測量中，被測力不可能正好沿著柱體的軸線作用，而總是與軸線成一微小的角度或微小的偏心，這就使得彈性柱體除了受縱向力作用外，還受到橫向力和彎矩的作用，從而影響測量精度。

　　簡單的柱式、筒式、梁式等彈性元件是根據正應力與載荷成正比的關系來測量的，它們存在著一些不易克服的缺點。為了進一步提高測力傳感器性能和測量精度，要求測力傳感器有抗偏心、抗側向力和抗過載能力。20世紀70年代開始已成功地研制出切應測力傳感器。　　

　　壓力傳感器由輪圈、輪轱、輻條和應變片組成。輻條成對且對稱地連接輪圈和輪轱，當外力作用在輪轱上端面和輪轱下端面時，矩形輻條就產生平行四邊形變形，壓力傳感器形成與外力成正比的切應變。此切應變能引起與中性軸成450方向的相互垂直的兩個正負正應力，即由切應力引起的拉應力和壓應力，通過測量拉應力或壓應力值就可知切應力值的大小。因此，在輪輻式傳感器中，把應變片貼到與切應力成450的位置上，使它感受的仍是拉伸和壓縮應變，但該應變不是由彎距產生的，而主要是由剪切力產生的，此即這類傳感器的基本工作原理。這類傳感器的優點是抗過載能力強，能承受幾倍于額定量程的過載。此外，其抗偏心、抗側向力的能力也較強，精度在0.1％之內。下圖是較常用的輪輻式切應測力傳感器的結構簡圖。

　　壓力傳感器在工業設備上應用非常廣泛，正確合理選用測力傳感器既可以確保測量精度，又可以延長測力傳感器的使用壽命。

　　一、根據實際壓力選擇合適的量程。如用氣缸、液壓缸、電動缸驅動，大致計算出驅動力的大小，以及可能產生的沖擊力。在精度范圍允許內，選大測力傳感器量程，避免測力傳感器過載損壞。

　　二、根據現場使用要求，選用的安裝方式。如需要配合工裝使用，可以選用拉壓型的測力傳感器，方便安裝工裝，也方便工裝置零。如需測拉力，也得選用拉壓式的測力傳感器。如只測壓力而且無需加裝工裝或壓頭，用純壓式的測力傳感器即可。

　　三、根據現場安裝空間大小選用合理的傳感器尺寸。如空間安裝狹小，可選用小尺寸的測力傳感器，如安裝空間沒有要求，可以選用尺寸較大的傳感器，以確保精度和測力傳感器的一致性。

　　四、根據測量誤差要求選擇合適的測力傳感器，如對測量誤差要求高，可選用精度高的傳感器，如S型的傳感器、輪輻式的傳感器也可以是梁式的稱重傳感器，這三種傳感器精度高，重復性好、一致性也高。