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应变式称重传感器的设计与计算

[中国-斯巴达]

这篇文章的形成是基于它可以对称重传感器设计者有所帮助。 它深入推导出计算称重传感器上某些尺寸并提供所需输出的公式。 本文还介绍了各种错误来源和设计建议。

粘贴式电阻应变片广泛应用于当今高精度测力和称重传感器的制造。 本文帮助称重传感器设计人员计算称重传感器尺寸以获得所需的唯一输出。 设计人员可以使用有限元分析和计算机程序（如果可能）来确定所需的称重传感器尺寸ph传感器，或者使用本文提供的公式来计算尺寸。 应力公式取自一本很好的书——Stress and Strain Formulas（见参考文献[1]）。 除了公式汇编外，本文还讨论了可能的错误来源和设计建议。 有关错误来源的信息主要基于作者的经验。 本文中描述的相关称重传感器尚未进行专利调查，在考虑将问题设计用于生产或销售之前，有必要进行一些调查。

这些通过一定假设得出的计算公式，加上电阻应变片的特性、受力形式、材料特性和加工偏差等因素，都会导致计算结果存在一定的误差。 在大规模制造称重传感器之前，应制造几个原型用于组装、测试和校准。

在某些行业，例如航空航天业，可能只需要一次性称重传感器。 为了确定它们的非线性、重复性和滞后误差，在使用前对其进行校准非常重要。 当计算机用于数据处理时，非线性、零漂移和灵敏度变化很容易得到纠正。 如果称重传感器在使用过程中受到强烈的温度变化和外部附加负载，我们应该进行实验并测量这些影响引起的误差。 如果结构的一部分（例如接头、销、柱塞）用于测量或用作称重传感器，则校准和测试尤为重要。

称重传感器的设计包括很多方面，这里不再讨论其制造和生产。 例如，需要全面了解电阻应变片安装的技术知识。 有些电阻应变片厂家在提供技术资料的同时，还应提供电阻应变片安装。 分类等

有关称重传感器设计的更多信息，请参见参考文献 [2](a) 和 [2](b)。 完整的手册和计算机程序可从制造商处获得。

在过去十年中，计算机技术的发展改变了称重传感器的设计、制造和记录方式，例如在安装电阻应变片后，所有称重传感器都有一个初始不平衡（当没有施加负载时，也有一个输出信号存在）。 通常将调零电阻应用于商业称重传感器以消除这种不平衡。 使用计算机程序，可以轻松去除零点不平衡数据。 除了调零电阻外，精密商用称重传感器中还安装了一些电阻，以方便补偿调零和灵敏度等温度影响。 如果在记录数据的同时测量称重传感器的温度，并且在校准称重传感器时确定了温度引起的误差，则应使用计算机程序来校正最终数据。 商业称重传感器制造商不向计算机提供数据来纠正原始不平衡或温度影响，因为他们不想限制市场。 没有零平衡和温度补偿电阻器的商用称重传感器可以节省很多钱，尤其是在需求量很大的情况下。

符号定义

a——结构因素。

A——横截面积。

A'是中性轴上的横截面积。

A1——法兰在中性轴上的面积。

A2——中轴腹板面积。

b——应变梁翼缘或矩形截面的宽度。

c——中性轴到应变梁或法兰上表面的距离。

d——中性轴到法兰下表面的距离。

e——拉伸或压缩应变。

e1、e2、e3、e4——应变片1、2、3、4的应变值。

- 应变片1的应变绝对值。

es——应变梁表面应变。

et——桥梁的总有效应变。

Ei——电桥的励磁电压。

E0——电桥输出电压。

Em——弹性模量。

f——法兰厚度。

Gf——应变片的应变系数。

h——应变梁的厚度。

J——截面的转动惯量。

l——应变梁中心到应变片中心线的距离。

L——应变梁上两个应变片中心线之间的距离。

μ——泊松比。

M——应变片中心弯矩。

N——电桥应变放大系数。

p——部分负荷。

P——主负荷。

r——圆柱形弹性体半径。

S——拉应力或压应力。

Sa——平均应力。

Sb——弯曲应力。

Ss——剪应力。

t——腹板在中性轴处的厚度。

T——轴的扭矩。

V——剪切力。

Z'——中性轴到A'质心的距离。

Z1——中性轴到法兰质心的距离。

Z2——中性轴到腹板质心的距离。

表1列出了通过试验得到的a的一些值，槽径D从1.0到3.0不等ph传感器，轴销由钢制成，传感器的输出灵敏​​度为2.0mv/v，直径为中间孔 d 为 0.50 英寸。

轴销剪切式称重传感器的误差来源及设计建议

参考文献 [5] 指出“当几何形状不是问题时，传统称重传感器优于枢轴销剪切称重传感器”。 在轴销式剪切力传感器的具体应用中，误差来源有很多，归纳如下：

(A) 为了有最好的重复性和最小的滞后误差，轴销剪切力传感器的输出灵敏​​度应设计为1.00mv/v，这样轴销在加载时，不会因变形而变形轴上的椭圆 在销中引起更大的弯曲应力，这增加了安全载荷和疲劳寿命。

(B) 轴销的凹槽必须是应变片敏感网格宽度的两倍。 但如果沟槽过宽，轴销受力时会产生较大的弯曲应力，造成误差，降低安全载荷。 参考文献 [5] 提供了槽宽的设计建议。

(C) 轴销与支座的间隙应尽量小，以减少弯曲变形。 当轴销直径为1.0英寸时，最大间隙为0.004英寸； 当直径为 4.0 英寸时，最大间隙为 0.007 英寸。 在图 9 所示的环形称重传感器的情况下，环需要为枢轴销提供紧密配合。

(D) 支架应具有足够的刚度以抵抗弯曲变形，刚度越大越好。 检测和校准轴销时，应与实际安装使用时的支撑相同。

(E) 如果轴销在使用寿命期间要承受冲击载荷或多次循环载荷，则凹槽需要有足够大的半径。 另外，如果轴销要在非常寒冷的天气（0°以下）下工作并承受冲击载荷，则不要使用17-4PH等脆性钢来制造轴销。

(F) 与轮辐式称重传感器类似，大销剪切称重传感器（200,000 磅或更多）会出现滞后误差。 一个 200 万磅的销式剪切力传感器的滞后误差约为 1.0% 至 3.0%。 为减少（而非消除）此误差，所有大型剪切力传感器的输出灵敏​​度应限制在 1.00mv/v 以内。

(G) 如果等式 (15) 应用于实心销剪切力传感器，则形状系数 a 为常数 4/3 或 1.33。 该公式假定最大剪应力沿销的上中性轴均匀分布。

(H) 由四个称重传感器组装而成的称重传感器，每个称重传感器必须具有相同的输出灵敏​​度。 如果一个称重传感器的输出灵敏​​度为3.0mv/v，则其他称重传感器的输出灵敏​​度也应为3.0mv/v。 如果没有此功能，从载体上卸下的任何负载都将被不同地测量。 轴销是由两个并联的称重传感器（每槽一个称重传感器）组成的电子秤。 如果输出灵敏度不同，则测量结果将随偏心负载而变化。 图 8 中的中心通孔旨在将外部负载集中在称重传感器的中心。

结语

本文旨在提供可用于计算称重传感器上特定尺寸大小的公式，并提供所需的其他计算，从而对称重传感器设计人员有所帮助。 它还介绍了用于计算圆柱形结构称重传感器输出的公式（通常用于航空航天工业）。

本白皮书全面概述了称重传感器的误差来源和设计建议。 但需要强调的是，影响称重传感器第一个样品输出的尺寸计算误差应在生产第二个样品之前进行校正。

本文中的桥式电路（图 1）不包含串联的温度补偿电阻。 例如，应变片的灵敏度系数和大多数材料的弹性模量随温度变化而变化，因此称重传感器的输出灵敏​​度也发生变化。 这种误差通常在商业称重传感器中得到补偿。 在商用称重传感器中，温度补偿电阻与电桥串联，当温度发生变化时，补偿电阻进行补偿。 如果传感器与灵敏度温度补偿电阻串联，对于给定的输入电压，输出必须是符合要求的标准值。 考虑到补偿电阻会降低输出值，设计的电桥输出值必须高于标准值。 表 2 总结了本文中提供的公式。