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在日常生產(chǎn)中，有時(shí)會(huì)碰到客戶投訴，說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4倍。在某些特殊場合，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。為了解決安全性問題，通常的做法是降低稱重傳感器的靈敏度，或者增加過載保護(hù)裝置來解決，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。有的場合對稱重傳感器的精度要求不高，但對稱重傳感器的過載能力卻有著極其苛刻的要求。通過在生產(chǎn)中的觀察和思考，發(fā)現(xiàn)一個(gè)應(yīng)變放大的現(xiàn)象，也許對解決這一問題有所幫助。

一、應(yīng)變放大的推測

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)變在傳遞區(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)不能無限長，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)的過載報(bào)警和橋梁的安全監(jiān)測等。

從推論和試驗(yàn)數(shù)據(jù)看，通過機(jī)械結(jié)構(gòu)的改變對被測的微小應(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)的過載器開辟了一種新的思路，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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