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在日常生產(chǎn)中，有時(shí)會(huì)碰到客戶投訴，說(shuō)某某稱重傳感器斷掉了。究其原因，除了客戶本身使用不當(dāng)外，還有一個(gè)重要因素是稱重傳感器本身的安全容量不夠。我們知道，稱重傳感器的靈敏度取決于彈性體的應(yīng)變量，而應(yīng)變量又取決于彈性體受力后產(chǎn)生的應(yīng)力和材料的彈性模量。以正應(yīng)力鋼制傳感器為例，一個(gè)有2mV/V輸出的稱重傳感器在貼片區(qū)的應(yīng)力就有350MPa左右，即使采用高強(qiáng)度的40CrNiMoA合金鋼，安全極限也不會(huì)超過(guò)4倍。在某些特殊場(chǎng)合，尤其是有著經(jīng)常性沖擊的情況下，就極易使傳感器被破壞，造成一定困擾。為了解決安全性問(wèn)題，通常的做法是降低稱重傳感器的靈敏度，或者增加過(guò)載保護(hù)裝置來(lái)解決，但是這樣就有可能增加成本。即使這樣，仍舊難免造成稱重傳感器被破壞。有的場(chǎng)合對(duì)稱重傳感器的精度要求不高，但對(duì)稱重傳感器的過(guò)載能力卻有著極其苛刻的要求。通過(guò)在生產(chǎn)中的觀察和思考，發(fā)現(xiàn)一個(gè)應(yīng)變放大的現(xiàn)象，也許對(duì)解決這一問(wèn)題有所幫助。

一、應(yīng)變放大的推測(cè)

當(dāng)A-A左側(cè)受到載荷力P時(shí)，L1部分將產(chǎn)生變形△L，根據(jù)胡克定律有：

△L=L1×ε1

如果A-A右側(cè)部分（除L2部分外）的剛度足夠的話，那么，L1部分產(chǎn)生的變形量將完全傳遞給L2的部分，也就是說(shuō)有：

△L=L1×ε1=L2×ε2

整理得：

ε2=L1/L2×ε1

L1/L2即為放大系數(shù)。

為了驗(yàn)證上述的設(shè)想是否正確，我們先采用有限元分析軟件進(jìn)行分析。

在此之前，為便于討論，我們作以下定義。

L1部分稱之為集變區(qū)；L2部分稱之為放大區(qū)；A-A右側(cè)部分除L2部分外稱之為傳遞區(qū)。尺寸定義：

集變區(qū)L1=110mm，截面尺寸為50mm×50mm；放大區(qū)L2=20mm，截面尺寸為16mm×1mm。

施加載荷為50000kg，則有：理論放大系數(shù)L1/L2=5.5。

縱向應(yīng)變分析結(jié)果。

ε1=894μεε2=2600με

ε2/ε1=2.9

改變放大區(qū)的截面尺寸為16mm×0.4mm，同樣施加載荷為50000kg。

ε1=896μεε2=3850με

ε2/ε1=4.3

從上面的理論分析數(shù)據(jù)可知，放大區(qū)（L2部分）的應(yīng)變的確大于集變區(qū)（L1部分）的應(yīng)變，但是由于應(yīng)變?cè)趥鬟f區(qū)的損耗，實(shí)際放大系數(shù)小于理論放大系數(shù)，放大區(qū)的剛性越大，應(yīng)變損耗就越大。

為了更進(jìn)一步驗(yàn)證結(jié)果，考慮到可加工性，我們采用集變區(qū)L1=110mm，截面尺寸為50mm×50mm；放大區(qū)L2=20mm，截面尺寸為16mm×1mm進(jìn)行試生產(chǎn)一樣件，測(cè)試結(jié)果如表1所示。

滿量程時(shí)的放大系數(shù)為2.24368

0.75947=2.95，與有限元分析結(jié)果吻合。

二、利用應(yīng)變放大設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意的事項(xiàng)

（1）合理分配放大區(qū)與集變區(qū)的尺寸，以獲得相應(yīng)的安全系數(shù)和靈敏度，集變區(qū)不能無(wú)限長(zhǎng)，否則傳感器作為部件的穩(wěn)定性和安全性都將受到影響。

（2）放大區(qū)的結(jié)構(gòu)應(yīng)能夠迅速反應(yīng)出集變區(qū)的應(yīng)變量，即很小的變形量產(chǎn)生較大的應(yīng)變量。

（3）放大區(qū)的剛性不可過(guò)大，以可加工、可操作和不明顯影響集變區(qū)的變形為原則。

（4）為了提高放大區(qū)數(shù)據(jù)的一致性，根據(jù)圣維南定理，承載接觸面應(yīng)盡可能遠(yuǎn)離放大區(qū)。

（5）傳遞區(qū)的剛性要足夠，以降低變形在該部位的損耗，能夠使集變區(qū)的變形盡可能多的傳遞給放大區(qū)。

（6）為提高稱重傳感器的性能，集變區(qū)與放大區(qū)之間可以考慮采用柔性隔離技術(shù)，以消除部分因集變區(qū)變形（如彎曲等）產(chǎn)生的干擾。三、應(yīng)變放大的應(yīng)用領(lǐng)域

由于采用應(yīng)變放大技術(shù)，使得稱重傳感器具有很高的安全性和靈敏性，因此，該類稱重傳感器特別適合有沖擊載荷或者檢測(cè)微小變形量的使用情況，比如電子元器件的封裝，大型沖壓設(shè)備的控制與保護(hù)，起重機(jī)的過(guò)載報(bào)警和橋梁的安全監(jiān)測(cè)等。

從推論和試驗(yàn)數(shù)據(jù)看，通過(guò)機(jī)械結(jié)構(gòu)的改變對(duì)被測(cè)的微小應(yīng)變量進(jìn)行放大是可行的，同時(shí)也為生產(chǎn)高安全系數(shù)的過(guò)載器開(kāi)辟了一種新的思路，但是我們也發(fā)現(xiàn)被放大后的各項(xiàng)指標(biāo)都不盡人意，如何提高傳感器的性能，還需要我們進(jìn)一步的思考和實(shí)驗(yàn)。

 

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