测量力的三种方法| 应变片、应变传感器、力垫圈测量的优缺点

使用力传感器测量力可确保最大的测量精度。然而在分力测量时，需要采用与应用精确匹配的特殊传感器。今天我们将介绍进行分力测量的三种方法。

对于应变力传感器来说，即使在现场安装后，也可以很容易地再现校准过程中确定的特性曲线，即施加的力和输出信号比。力传感器必须安装在力传递流中，并且没有任何分力，这是先决条件。并且必须确保完整的力传递流通过传感器进行测量。这意味着力传感器的特性，例如硬度和动态性能，这将影响整体设计。另外，大量程的传感器具有更大的结构。

力测量可以通过结构的变形来进行测量，可以采用以下三种方法：

·安装应变片

·利用应变传感器，其有时候内置了电路

·利用力垫圈，其基于应变或压电技术

这些方法的劣势和优势总结如下：

1. 采用应变片测量

安装应变片实际上对被测物体的结构没有任何影响。结构的硬度和动态特性将会保持不变。在对花丝结构测试时，应变片具有非常明显的优势，因为其变形时，只需要非常小的力。安装时需要使用全桥应变片，并且需要选择能够补偿寄生负载（例如，弯矩或扭矩）的应变片。此外，需要测量这些影响。假设，没有任何弯矩作用在被测物体的上，全桥应变片是理想的选择，你可以采用VY41，安装角度为45度。

输出信号只和应变系数、应变层以及材料的泊松比有关，可以通过以下等式计算获得：

假设20MPa的机械应变作用在钢结构中，应变系数为2， 应变测量结果为100µm/m，以上等式计算出的输出结果为0.13 mV/V。通过计算得出结果是采用这种方法的一大劣势。

图1 VY41应变片，应变片组成全桥能降低线缆产生的影响。在这种情况下，呈45度排列是必须的。

另外，应变片需要现场安装，并需要保护层，还要使用黏合剂。弱化部件强度将能提高测量桥路的输出信号。但这将影响被测物体的强度，反过来说，将影响动态特性和稳定性。

2. 利用应变传感器测量力

应变传感器可以被安装在物体结构上。传感器通过安装在弹性体上的全桥应变片来进行测量的。如图显示，这些应变传感器带有一个有机硅胶涂层，可以防潮，并提供机械保护。应变传感器基于应变原理。安装区域的应变将会大于螺纹连接间的应变值。

图2 应变传感器 SLB700

图3 SLB 弹性体，图片显示了应变片被安装在被测物体应变区

图3显示了SLB弹性体，加载到传感器的力需要加载到应变片的中心。因为，脱离中心区域刚度会显著减少，应变可以采用以下等式计算得出：

假设应变区将不产生任何应变，当然严格来说，这是不正确的。应变传感器的灵敏度可以通过应变区的长度和螺纹之间的距离比进行调节。原理上说，可以获得非常高的灵敏度。但是在实际应用中，500 µm/m的应变输出信号能达到1.5 mV/V。其灵敏度将比全桥应变片高230% 。组件的温度膨胀可以通过采用合适的电路来进行补偿。另外, 内置电路的应变传感器也可以在应用中进行标定，因此提供了非常高效的测量链。

不内置电路的传感器具有更高的阻抗，可以达到700Ω。这样可以采用数个应变传感器并联使用。SLB应变传感器采用螺丝安装，只需要一个平台表面，传感器就可以立即使用了。

3. 利用力垫圈来测量

力垫圈可以基于应变或压电技术，无论选择何种原理。力垫圈都采用螺栓和螺丝连接，由于采用螺栓连接，其类似于弹性体，降低了系统的灵敏度。一般来说，大约10%的灵敏度将受到影响。因此，力垫圈不能在工厂进行校准。

为保证更好的重复性，需要进行预应力加载。力的峰值取决于额定力的大小，最高的弯矩往往发生在额定负载的50%。因此，最佳的预应力应该采用额定负载的50%，这同样适用于压电力垫圈。

图4 KMR力垫圈, 结构小巧, 20kN额定力

图5 CFW压电力垫圈, 量程20到700kN

图6 用于工具监控，力垫圈测量螺纹连接的力

力垫圈具有非常高的防护等级，因此可以立即使用。在这方面，其和应变传感器具有同样的优势 。力垫圈同样具有非常好的灵敏度。并且和额定量程无关。

通过分力标定测量链

所有三种方法都有一个共同点，即测量链在安装后需要校准。这意味着必须至少在两个已知的力点进行测量。由于传感器在严格定义的误差范围内是线性的，并且这些方法不能用于高精度测量，一般来说，两点标定是足够的。

内置仪表的传感器遵循这个原理。校准只需要在零点进行测量，并将控制脉冲发送到电子设备。当施加最大力时，需要另一个控制脉冲。电子设备然后将自动调整。

零点应变对应着1V, 最大应变被转换成9V, 输出范围将被设置为0到10V，其中10%测量范围用于过载和负应变。并可将负输入应变转换为正输出电压，以及提供4-20mA的输出信号。

分力测量

在分力测量中，有多种有用的方法。所有的方法都有一个共同点，它们只会对整个结构的力学特性产生轻微影响。然而在进行高精度测量时，应变或压电力传感器是第一选择，其具有更高的精度，原因如下：

·安装后无需调整力传感器, 因为传感器已经在工厂进行了校准。在对分力进行测量时，一般都需要在被测物体上校准。

·测量不确定性已知，并可以通过选择传感器型号来降低不确定性。

·利用高精度传感器(例如S9M提供0.02精度) 来测量, 获得分力测量无法提供的精度。