力传感器的原理和构造

在机电一体化领域中，力的测量十分重要。力的测量信息可以用于分析和研究零件、结构或机械的受力状况和工作状态，验证设计计算结果的正确性，对于确定整机工作过程中的负载谱和某些物理现象的机理具有重要意义。力传感器还是测量许多相关物理量的重要手段，如应力、扭矩、力矩、功率、压力、刚度等量的测量方法与力的测量都具有密切关系。

力的测量原理和测量方法有很多种，其中最为常见的是利用在被测力作用下弹性元件的变形或应变来测得被测力，这种方法适用于静态力或频率在数千赫兹以下的动态力的测量，是一种应用极广泛的测力方法，下面着重予以介绍。

（1）电阻应变片式力传感器

电阻应变式力传感器的基本原理是使用电阻应变片测量构件的表面应变，并根据应变与应力的关系式，确定构件表面应力状态，进而转化成力，实现力的测量。通过布置电阻应变片在被测构件表面的位置，可以实现弯曲、扭转、拉压和弯扭复合等其他物理量的测量，应变片的布置和接桥方法可参阅其他有关专著。

图4-14a所示是一种用于测量压力的电阻应变片式传感器的典型构造。其中，受力弹性元件是一个圆柱加工成的方柱体，在四侧面上贴电阻应变片。为了提高灵敏度，采用内圆外方的空心柱。传感器的敏感方向为Z轴方向，增加侧向加强板用来增大弹性元件在传感器径向截面的刚度，同时减小对传感器轴向灵敏度的影响。应变片按图4-14b所示粘贴并采用全桥接法，全桥接法可以消除弯矩的影响，同时也具有温度补偿的功能。为了提高力传感器的精度，可在电桥某一臂上串接一个温度敏感电阻R_g，用以补偿应变片电阻温度系数的微小差异，用另一温度敏感电阻R_m和电桥串接，用以改变电桥的激励电压，以补偿弹性元件弹性模量随温度变化而产生的影响。

若在传感器上施加一压缩力F，则传感器弹性元件的轴向应变ε₁为：

图4-14 贴应变片柱式力传感器

注：应变片3和4分别贴在1和2的对面

用电阻应变仪测出的指示应变为：

ε=2(1+μ)ε₁ （4-17）

式中 F——作用于传感器上的载荷；

E——承载材料的弹性模量；

μ——承载材料的泊松比；

A——承载截面面积。(www.xing528.com)

（2）差动变压器式力传感器

图4-15所示是一种差动变压器式力传感器。弹性元件的变形由差动变压器转换成电信号。其工作温度范围比较宽（-54～+93℃）；在长径比较小的情况下，受横向偏心力的影响较小。

图4-15 差动变压器式力传感器

1—上部 2—变形部 3—下部 4—铁芯 5—差动变压器线圈

（3）压电式力传感器

图4-16所示是两种压电式力传感器的构造图。为了避免内部元件出现松驰的现象，左边的力传感器内部加有恒定的预压载荷，使之在1000N的拉伸力至5000N的压缩力范围内工作。右侧的力传感器带有一个外部预紧螺母，可用来调整预紧力，这种形式力传感器能在4000N的拉伸力到16000N的压缩力的范围中正常工作。

图4-16 压电式力传感器

1—承压头 2—压电晶体片 3—导电片 4—预紧螺栓 5—基座 6—预紧螺母

（4）压磁式力传感器

压磁式传感器是基于压磁原理制成的力传感器。某些铁磁材料受压时，其磁导率沿应力方向将会下降，而沿着与应力垂直的方向则增加，这种现象被称为压磁现象。压磁式传感器的原理图如图4-17所示，在铁磁材料上开四个对称的通孔1、2、3、4，将线圈按照图中所示的方法分别穿绕1、2孔和3、4孔，然后在1、2线圈中通交流电流I，作为励磁绕组，3、4线圈作为测量绕组。当没有外力作用时，励磁绕组所产生的磁力线对称分布在测量绕组两侧，合成磁场强度与测量绕组平面平行，磁力线不和测量绕组交链，因而不会产生感应电势。当受到外力作用时，磁力线分布发生变化，部分磁力线和测量绕组交链，在测量绕组中产生感应电势，并随着作用力的增大而增加。压磁式力传感器输出的感应电势较大，一般不需要放大，只需经滤波和整流处理。

图4-17 压磁式力传感器原理图