基于应变片的力传感器带有一个所谓的 弹性体 或者 承载体,测量的力加载在其上面。

弹性体产生变形,并在其表面产生应变。弹性体的作用是尽可能线性并高重复性地转换力为应变。许多力传感器的特性材料和弹性体的结构来决定。

传感器的实际测量部件是 应变片(SG), 其包括一个绝缘层, 通常称基底,测量栅丝附在其上面。然后应变片被粘合到弹性体的合适的点上。一般来说,会采用4个应变片,两个被拉伸,另外两个被压缩

四个应变片被组成一个惠斯通电桥。如下图所示,惠斯通电桥需要通过一个激励电压来进行测量。当四个电阻不同时,也就是当应变片的由应变产生的电阻变化时,将产生一个输出电压

基于应变片的力传感器的工作原理,采用扭环式传感器(型号: C18)

输出信号 取决于应变片的电阻变化,直接反应作用力的大小。

应变测量原理的优势

这种原理久经验证,并且有多种优势,最重要的如下:

  • 如果应变电阻在同一方向,变化相同成都,电压不会产生变化。这意味着很多寄生负载例如,温度对零点的影响,侧向力影响等都可以进行补偿(见下图)
  • 测量原理能够使力传感器具有非常高的精度,并且成本低。
  • 力传感器的额定量程由弹性体的硬度决定。HBM 传感器的额定量程从10 N 到 5 MN.

第一点非常重要,这意味着使用惠斯通电桥可以补偿很多不必要的影响温度对零点的影响 (TKZero) 可以补偿到非常高的水平。即使温度变化,也不会有明显的应变产生。

图 1: 温度对应变片的输出信号影响

补偿

温度将会使4个应变片的应变信号(电阻)在相同方向和程度变化。因为两个正向应变和两个负向应变被列入等式,因此温度将不会产生输出信号

剩下微小的残余误差可以通过连接到惠斯通电桥上特殊的镍金属来进行修正。

另外,应变片需要进行温度对灵敏度的补偿 (TCS)。等温度变化时,材料的 E 模量 将会降低,导致产生应变。另外,应变片的灵敏度依赖于温度。在高温状况下电阻的补偿将产生更大的压降。这将降低惠斯通电桥的输出信号。

在负载状态下,线性误差 也将产生变化。这可以通过对弹性体材料结构的优化以及选择精确的测量点来完成。

图 2 列出了补偿方法的总结。除了以上描述的 TKzero 和 TCS,也可以通过调整对线性和灵敏度进行补偿。

图 2: TKzero 和 TCS 补偿,以及对灵敏度和线性进行调整。

应变技术也可对机械影响进行补偿,例如弯矩和侧向力

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