浅谈应变放大在称重传感器设计中的应用

　　在日常生产中，有时会碰到客户投诉，说某某称重传感器断掉了。究其原因，除了客户本身使用不当外，还有一个重要因素是称重传感器本身的安全容量不够。我们知道，称重传感器的灵敏度取决于弹性体的应变量，而应变量又取决于弹性体受力后产生的应力和材料的弹性模量。以正应力钢制传感器为例，一个有2mV/V输出的称重传感器在贴片区的应力就有 350MPa 左右，即使采用高强度的 40CrNiMoA 合金钢，安全极限也不会超过 4 倍。在某些特殊场合，尤其是有着经常性冲击的情况下，就极易使传感器被破坏，造成一定困扰。为了解决安全性题，通常的做法是降低称重传感器的灵敏度，或者增加过载保护装置来解决，但是这样就有可能增加成本。即使这样，仍旧难免造成称重传感器被破坏。有的场合对称重传感器的精度要求不高，但对称重传感器的过载能力却有着极其苛刻的要求。通过在生产中的观察和思考，发现一个应变放大的现象，也许对解决这一问题有所帮助。

　　一、应变放大的推测

　　如图1所示，当 A- A 左侧受到载荷力 P 时，L1部分将产生变形△L，根据胡克定律有：

　　如果 A- A 右侧部分 (除 L2部分外) 的刚度足够的话，那么，L1部分产生的变形量将完全传递给 L2的部分，也就是说有：

　　为了验证上述的设想是否正确，我们先采用有限元分析软件进行分析。

　　在此之前，为便于讨论，我们作以下定义，如图 2 所示。

　　L1部分称之为集变区;L2部分称之为放大区;A- A右侧部分除 L2部分外称之为传递区。

　　尺寸定义：

　　集 变 区 L1=110mm， 截 面 尺 寸 为 50 mm×50mm;放大区 L2=20mm，截面尺寸为 16mm×1mm。

　　施加载荷为 50000kg，则有：理论放大系数.

　　纵向应变分析结果，如图 3 所示。

　　改变放大区的截面尺寸为 16mm×0.4mm，同样施加载荷为50000kg。

　　纵向应变分析结果如图 4 所示。

　　从上面的理论分析数据可知，放大区 (L2部分) 的应变的确大于集变区 (L1部分) 的应变，但是由于应变在传递区的损耗，实际放大系数小于理论放大系数，放大区的刚性越大，应变损耗就越大。

　　为了更进一步验证结果，考虑到可加工性，我们采用集变区 1=110mm，截面尺寸为 50mm×50mm;放大区 L2=20mm，截面尺寸为 16mm×1mm(即图 3 方案) 进行试生产一样件 (贴片如图 5 所示)，测试结果如表 1 所示。

　　满量程时的放大系数为，与有限元分析结果吻合。