轴销式测力传感器的两种应变片方式

电阻应变式测力传感器（以下简称“测力传感器”）由电阻应变片和弹性体两部分组成。弹性体的设计除了应能承受被测力的强度以外，并具有应力集中区域。弹性体在被测力的作用下产生的弹性形变有效地体现在应力集中区域的弹性形变上。电阻应变片紧密结合在弹性体的应力集中区域上，将弹性形变转换成测力电信号。

对于起重机销轴式测力传感器来说，弹性体应力集中区域的结构形状与相关尺寸对测力性能的影响极大，是测力的基础。如果测力传感器的弹性体应力集中区域设计不合理，无论弹性体的加工精度多高、电阻应变片的品质多好，测力传感器都难以达到较高的测力性能。因此，在起重机销轴式测力传感器的设计过程中，对弹性体应力集中区域进行合理的设计至关重要。

弹性体应力集中区域的设计应注意以下原则：

1）应力集中区域应该集中反映弹性体的受力形变，在测力的范围内有较大的弹性形变——应力集中原则。

2）应力集中区域的弹性形变应与被测力的大小和应变片电阻值变化保持对应关系，以便提高线性度-应力对应原则。

3）应力集中区域的面积足够大，以便与电阻应变片有效结合-应力覆盖原则。

弹性体应力集中区域的形成有两种方法：

1）对弹性体进行局部减小，形成应力集中区域。

2）对弹性体进行局部消弱，形成应力集中区域。

2   粘贴应变片销轴式测力传感器

    粘贴应变片销轴式测力传感器的电阻应变片是由曲折的电阻丝（通常由康铜丝制成）焊接在箔带上制成的电阻丝应变片。电阻丝应变片被粘贴在弹性体的应力集中区域上，应变片中电阻丝的阻值随应力集中区域的弹性形变而发生变化，反映出被测力的大小。

电阻丝应变片的面积比较大，用以粘贴应变片的应力集中区域面积也必须足够大。因此，粘贴应变片销轴式测力传感器的应力集中区域通常采用弹性体进行局部减小的方式。

对弹性体进行局部减小形成应力集中区域有两种方法：电阻丝应变片粘贴在圆锥体连接面上的圆锥型和电阻丝应变片粘贴在圆筒体内壁上圆筒型。

圆锥型粘贴电阻丝应变片的测力传感器在早期得到应用，存在精度和线性度难以控制的不足。

对圆筒型粘贴电阻丝应变片的测力传感器来说，当受力均匀时，在圆筒体的内壁上应力（弹性形变）的分布是均匀的；当受力不均匀时，在圆筒体的内壁上应力（弹性形变）的分布也是不均匀的，应变片与被测力不能保持严格的对应关系，将造成明显的测力误差。为了减小由于弹性体受力条件的变化引起的测力误差，为了减小由于弹性体受力条件的变化引起的测力误差，有些传感器设计者采取在测力传感器的圆筒内壁增加电阻丝应变片数量的方法，尽可能将应力集中区域的应力（形变）分布不均匀的情况测量出来。这样的处理方法有一定的效果，可以减小弹性体受力条件的不均匀引起的测力误差。但增加的电阻丝应变片数量毕竟是有限的，很难把应力集中区域的应力（形变）分布不均匀的情况全部测量出来，测力误差减小的程度不够显著。

粘贴应变片式测力传感器是采用弹性体进行局部减小来形成弹性体应力集中区域的，弹性体应力集中区域的空腔比较大，很难同时兼顾应力集中原则，应力对应原则和应力覆盖原则。

目前，我们在装卸设备上所选用的销轴式测力传感器通常都是粘贴应变片销轴式测力传感器。粘贴应变片的测力传感器存在的误差，使得我们在装卸设备上所选用的测力传感器通常只用于过载保护，较少参与关联重量的调速控制等，限制了测力传感器在起重机上的应用。

3   激光焊接应变片销轴式测力传感器

目前有一种激光焊接应变片销轴式测力传感器，电阻应变片采用薄膜技术的薄膜电阻应变片。

薄膜电阻应变片是采用喷镀技术将测量电桥的薄膜电阻喷镀在由不锈钢薄片制成的测量元件体上。由于薄膜电阻的体积很小，一个7mm的薄膜电阻应变片内，除了四个电桥电阻外，还喷镀两个温度补偿电阻。可见，薄膜电阻应变片与电阻丝应变片相比具有体积小、功能强的优点。

薄膜电阻应变片的7mm的小巧外形尺寸，对弹性体应力集中区域的空间没有大的要求，可以采用常采用对弹性体进行局部消弱的方式。具体地说，可以在弹性体的测力作用线的最佳位置上打一个能植入薄膜电阻应变片的小圆孔，达到最大测量精度，该圆孔形成了弹性体应力集中区域，利用弹性体上圆孔的应力弹性形变，直接挤压不锈钢薄膜电阻应变片，反映出被测力的大小。

薄膜电阻应变片是不锈钢薄片制成的测量元件体，植入小圆孔后可以使用激光焊接取代电阻丝应变片的胶结技术，具有高的长期稳定性、高的抗振性和高的耐冲击性。激光焊接的薄膜电阻应变片克服了蠕变现象，减少了温度漂移，具有可靠的可重复性。

安置薄膜电阻应变片的小圆孔对弹性体强度影响小，所以，激光焊接应变片销轴式测力传感器具有坚固耐用的优点。

4   小结

电阻丝应变片的面积比较大，用于销轴式测力传感器时，需要在体积有限的销轴（弹性体）中设计较大的空腔作为应力集中区域，会影响销轴（弹性体）的强度，可重复性差，坚固耐用性不够。电阻丝应变片采用胶合技术粘结在被测形变体的表面，具有操作方便，使用灵活的特点，在金属结构疲劳测试时的结构变形测量等场合可推广使用。

激光焊接薄膜电阻应变片的工艺需要有专用的加工设备，施工场合有一定要求。薄膜电阻应变片的功能强、体积小，用于销轴式测力传感器时只需要在销轴（弹性体）中设计较小的空腔作为应力集中区域，对销轴（弹性体）的强度没有影响，精度高，坚固耐用。

因此，起重机销轴式测力传感器选用激光焊接应变片销轴式测力传感器，可以发挥其精度高，坚固耐用的优点，将传感器提供的重量信号运用到调速控制和安全保护等方面，提高起重机性能。