力、力矩检测

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所属分类:机电一体化
1. 柱形或筒形弹性元件
如图1所示,这种弹性元件结构简单,可承受较大的载荷,常用于测量较大力的拉(压)力传感器中,但其抗偏心载荷和测向力的能力差,制成的传感器高度大。应变片在柱形和筒形弹性元件上的粘贴位置及接桥方法如图1所示。

图1 柱形和筒形弹性元件组成的测力传感器
若在弹性元件上施加一压力p,则筒形弹性元件的轴向应变εL为

用电阻应变仪测出的指示应变为
ε=2(1+μ)εL (4-21)
式中: ;
p——作用于弹性元件上的载荷; 
E——圆筒材料的弹性模量; 
μ——圆筒材料的泊松系数; 
A——筒体截面积,A=π(D1-D2) +2/4。其中,D1为筒体外径, D2为筒体内径。
2. 梁式弹性元件
1 悬臂梁式弹性元件
它的特点是结构简单,容易加工,粘贴应变片方便,灵敏度较高,适用于测量小载荷的传感器。
图2所示为一截面悬臂梁弹性元件,在其同一截面正反两面粘贴应变片,组成差动工作形式的电桥输出。

图2 悬臂梁式测力传感器示意图
若梁的自由端有一被测力p,则应变片感受的应变为

电桥输出为
USC=KεU 0 (4-23)
式中: ;
l——应变计中心处距受力点距离; 
b——悬臂梁宽度; 
h——悬臂梁厚度; 
E——悬臂梁材料的弹性模量; 
K——应变计的灵敏系数。
2 两端固定梁
这种弹性元件的结构形状、参数以及应变片粘贴组成桥的形式如图3所示。它的悬臂梁刚度大,抗侧向能力强。粘贴应变片感受应变与被测力p之间的关系为

它的电桥输出与式(4-23)相同。

图3 两端固定式测力传感器示意图
3 梁式剪切弹性元件
与梁式弹性元件相比,它的线性好、抗偏心载荷和侧向力的能力大,其结构和粘贴应变片的位置如图4所示。
图4 梁式剪切型测力传感器示意图
粘贴应变片处的应变与被测力p之间的关系近似为
式中: G为弹性元件的剪切模量;bh为粘贴应变片处梁截面的宽度和高度。

3. 扭矩测量
图5为电阻应变转矩传感器。应变片感受的应变与被测试件的扭矩MT的关系如下式:
MT=2GWT (4-26)
式中: G=E/2(1+μ)为剪切弹性量;
WT为抗扭截面模量,实心圆轴的WT=πD +3/16,
空心圆轴的WT=πD3(1-α +4)/16,α=d/D,
d为空心圆柱内径,D为外径。 

图5 转矩传感器示意图
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