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正應(yīng)力傳感器與剪應(yīng)力傳感器
正應(yīng)力傳感器與剪應(yīng)力傳感器
六十年代測(cè)力與稱重傳感器的彈性組件(俗稱彈性體),已發(fā)展成柱式、筒式、環(huán)式及梁式等多種結(jié)構(gòu)。隨著箔式應(yīng)變片本身工藝技術(shù)及應(yīng)用技術(shù)和電子技術(shù)的進(jìn)步,使負(fù)荷傳感器的精度有了進(jìn)一步的提高,在美國(guó)出現(xiàn)了具有0.1%稱重準(zhǔn)確度的電子秤,在七十年代中對(duì)7 0%的機(jī)械秤進(jìn)行了機(jī)電結(jié)合式的電子化改造,使稱重傳感器作為稱重傳感組件,引起了人們的極大關(guān)注。
在電阻應(yīng)變式測(cè)力與稱重傳感器發(fā)明、生產(chǎn)以來(lái)的二、三十年中,傳感器的彈性體組件都是采用圓柱、圓筒、圓環(huán)、板環(huán)和各種梁式結(jié)構(gòu)。在測(cè)量過(guò)程中都是利用拉伸、壓縮和彎曲應(yīng)力,即正應(yīng)力的原理,因此統(tǒng)稱這類傳感器為正應(yīng)力傳感器。人們根據(jù)在長(zhǎng)期使用正應(yīng)力型傳感器的實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)的問題,對(duì)其彈性組件的結(jié)構(gòu)作了進(jìn)一步的分析研究,找到了其固有的缺點(diǎn)。其主要缺點(diǎn)歸納起來(lái)有:加力點(diǎn)的變化會(huì)引起靈敏度的較大變化;進(jìn)行拉、壓循環(huán)加載時(shí)靈敏度的偏差比較大;抗偏心載荷和側(cè)向載荷的能力差;需要較大的高度或?qū)挾,故體積大;不能進(jìn)行小載荷的測(cè)量等。這些問題影響了測(cè)力與稱重傳感器主要技術(shù)指標(biāo)的提高。
為了克服正應(yīng)力式測(cè)力與稱重傳感器的固有缺點(diǎn),從六十年代中期,人們就開始從分析、研究彈性組件力學(xué)模型的基本原理入手,對(duì)彈性組件進(jìn)行改進(jìn)。研究表明,應(yīng)變梁中的剪應(yīng)力t與梁的彎矩M無(wú)關(guān),僅是剪力Q的函數(shù)。鑒于剪應(yīng)力本身是不能測(cè)量的,但它能產(chǎn)生于中性軸呈45'方向的互相垂直的兩個(gè)大小相等而且拉、壓成雙的主應(yīng)力。因此,可以通過(guò)對(duì)平面應(yīng)力狀態(tài)下主應(yīng)力平面上的主拉伸應(yīng)力和主壓縮應(yīng)力分別產(chǎn)生的拉伸和壓縮的測(cè)量,以達(dá)到測(cè)力與稱重的目的。美國(guó)學(xué)者霍利斯特姆(Hollistem)于1973年提出了不利用彈性組件的正應(yīng)力,而利用與彎矩?zé)o關(guān)的切應(yīng)力
原理來(lái)設(shè)計(jì)稱重傳感器彈性體的理論,并設(shè)計(jì)出圓截工字形截面懸臂剪切梁型傳感器,這是稱重傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重大突破,進(jìn)一步提高了測(cè)量準(zhǔn)確度,有力地推動(dòng)了稱重傳感器的發(fā)展和應(yīng)用范圍的擴(kuò)大。
隨著數(shù)值計(jì)算方法和電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步,1974年,美國(guó)學(xué)者斯坦因(Stein)和德國(guó)學(xué)者埃多姆(Edom)分別提出建立彈性體力學(xué)模型,利用有限元計(jì)算方法,分析彈性體的強(qiáng)度、剛度、應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng),以取得彈性體結(jié)構(gòu)的最佳設(shè)計(jì),為新型傳感器設(shè)計(jì)提供了可靠的技術(shù)保證。