拉压式环形梁测力与称重传感器

　　一、概述

　　柱式和梁式弹性元件是测力与称重传感器的常用结构，其中柱式弹性元件 (如单柱式、单筒式) 具有结构简单紧凑、冷热加工的工艺性好、额定量程大等特点;梁式弹性元件 (如单梁式的悬臂剪切梁、双端固支剪切梁和多梁径向配置的轮辐式、孔辐式) 具有高度低、线性好、抗偏心和侧向载荷能力强等特点。这些结构主要用于测量拉伸或压缩载荷，对于同时检测拉伸、压缩对称循环载荷，或拉向、压向灵敏度不对称无法满足测量要求，或需要增加辅助部件才能完成此类测量任务。为解决拉向、压向对称循环载荷的测量问题，美国、俄罗斯学者均推荐采用多梁串联配置的拉压式环形梁弹性元件，它是把产生正应力或切应力的应变梁串联式的相互连接起来，并沿着封闭的圆柱表面进行配置，外载荷以交错排列的形式施加于应变梁上，使得拉向、压向灵敏度的一致性好，以满足同时测量拉、压对称循环载荷的要求。

　　二、正应力环形梁测力与称重传感器

　　(一) 结构与特点

　　正应力环形梁测力与称重传感器，是在圆筒形弹性元件的基础上，距带有内螺孔的两端部相等的距离内，铣削加工出沿直径方向对称的上、下各两个支承，圆筒的中间部分即形成了 4 个矩形截面曲梁串联配置的环形应变梁。外载荷通过互为根部承载和中心加载的交错排列的上、下支承施加于环形应变梁上，并在各应变梁的根部形成拉应力和压应力对称的应变区，因为曲梁效应切向弯曲应力是径向扭转应力的10 倍～50 倍。引起载荷漂移的只是这些很小的径向扭转应力，因此可在环形应变梁支承两侧的表面上，粘贴一组或二组单轴型电阻应变计，即可满足惠斯通电桥电路的要求。正应力环形梁弹性元件图，如图 1 所示，环形应变梁及单轴电阻应变计粘贴位置图，如图 2 所示。

　　正应力环形梁弹性元件的特点是：结构简单紧凑;几何外形为圆形，易加工出较高的尺寸和形位公差等级;拉向、压向变形基本相同，拉、压灵敏度一致性好;电阻应变计粘贴在环形应变梁的上表面，便于贴片、组桥和防护密封。

　　(二) 受力分析与理论计算

　　环形应变梁为上、下各有两个互为根部承载和中心加载支承的对称结构，每个支承点均承受P/2 铅垂载荷。为便于研究和简化计算，取环形应变梁的1/4 进行分析，即截取矩形截面曲梁 AB，轴线为 1/4 圆弧，曲率半径为 R，梁的 B 端为根部固定支承，且使曲梁 AB 保持平衡，A 端为引入载荷的加载点，作用 P/4 铅垂载荷，其力学模型图，如图3 所示。

　　(1) 弯曲应力、应变计算