高精度力傳感器中應(yīng)變計(jì)的布局優(yōu)化與橋路設(shè)計(jì)策略
應(yīng)變計(jì)作為力傳感器的“神經(jīng)末梢”，其布局與橋路設(shè)計(jì)直接決定了傳感器的核心性能：精度、靈敏度和穩(wěn)定性。要實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量，必須在這兩個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)上進(jìn)行精密的協(xié)同優(yōu)化。
一、應(yīng)變計(jì)的布局優(yōu)化：捕捉最真實(shí)的應(yīng)力分布
布局優(yōu)化的核心原則是讓應(yīng)變計(jì)感知彈性體最敏感、最純粹的應(yīng)變信號(hào)。
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應(yīng)力集中區(qū)域布局：通過有限元分析精準(zhǔn)定位彈性體在受力后的最大應(yīng)變區(qū)域。將應(yīng)變計(jì)精確粘貼于這些“熱點(diǎn)”，例如懸臂梁的根部和扭矩軸的45度螺旋線上，可以獲取最強(qiáng)的信號(hào)輸出，顯著提升傳感器靈敏度。
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溫度補(bǔ)償與誤差抑制布局：巧妙利用布局本身抵消溫度影響。在電橋的相鄰橋臂上對(duì)稱粘貼特性一致的應(yīng)變計(jì)，一枚感受拉應(yīng)變，一枚感受壓應(yīng)變。當(dāng)溫度變化時(shí)，二者阻值變化相同，由于處于相鄰橋臂，其效應(yīng)在電橋中相互抵消，從而有效抑制熱輸出。
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多維力解耦布局：針對(duì)復(fù)雜的多維力測(cè)量，需通過特定布局從物理層面分離各向分量。例如，在六維力傳感器中，通過在彈性梁的不同側(cè)面精心布置多個(gè)應(yīng)變計(jì)組，并利用其輸出信號(hào)的組合關(guān)系，可以解耦出空間中的三個(gè)力與三個(gè)力矩，極大降低維間干擾。
二、橋路設(shè)計(jì)策略：從原始信號(hào)到精準(zhǔn)輸出
布局獲取了原始信號(hào)，而橋路設(shè)計(jì)則是提煉和放大這些信號(hào)的關(guān)鍵。
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全橋電路的優(yōu)先應(yīng)用：高精度傳感器普遍采用全橋電路。它將四個(gè)活躍應(yīng)變計(jì)接入橋路，不僅能夠提供最高的輸出靈敏度，還能自動(dòng)補(bǔ)償溫度變化，消除軸向力的彎曲效應(yīng)，是提升精度和穩(wěn)定性的首選方案。
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智能橋臂配置：在無法布置四個(gè)活躍應(yīng)變計(jì)的場(chǎng)合，采用半橋電路時(shí)，會(huì)用固定精密電阻補(bǔ)全橋臂。此時(shí)，會(huì)選擇具有與應(yīng)變計(jì)相同溫度系數(shù)的“ dummy ” 補(bǔ)償片，粘貼在不感受應(yīng)變的材料上，專門用于溫度補(bǔ)償，確保測(cè)量的準(zhǔn)確性。
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線性度與輸出最大化設(shè)計(jì)：通過分析彈性體的受力形變，合理布置應(yīng)變計(jì)的取向，使部分感受拉應(yīng)變，部分感受壓應(yīng)變。這樣，在電橋中它們阻值變化方向相反，產(chǎn)生的電壓變化是疊加關(guān)系，既增大了輸出信號(hào)，又改善了傳感器的線性度。
