剪切梁稱重傳感器的數(shù)學(xué)模型和應(yīng)變計(jì)最佳方位
一、概述
自從 20 世紀(jì) 70 年代初期，利用剪切應(yīng)力產(chǎn)生的拉、壓成雙主應(yīng)力的稱重傳
感器問(wèn)世以來(lái)，以其全面克服傳統(tǒng)正應(yīng)力稱重傳感器的固有缺點(diǎn)，而形成了一個(gè)
新的發(fā)展潮流，每年都有多種結(jié)構(gòu)類型的剪切式稱重傳感器面世。與傳統(tǒng)的圓柱
式、圓筒式、圓環(huán)式、彎曲梁式結(jié)構(gòu)的正應(yīng)力稱重傳感器相比，剪切梁式稱重傳
感器有如下特點(diǎn)：
（1）剪切梁彈性元件的應(yīng)變區(qū)無(wú)面積效應(yīng)和泊松效應(yīng)影響，受載時(shí)截面積
無(wú)變化，固有線性好；
（2）剪力沿應(yīng)變梁的長(zhǎng)度方向?yàn)橐怀Ａ�，因此稱重傳感器輸出對(duì)載荷作用
點(diǎn)變化不敏感；
（3）應(yīng)變梁為一受彎曲應(yīng)力作用的彈性元件，中性軸處的應(yīng)力單元為純剪
切狀態(tài)，拉、壓成雙的主應(yīng)變絕對(duì)值基本相等，惠斯通電橋的非線性誤差�。�
（4）外形低，穩(wěn)定性好，加之采用測(cè)量正、負(fù)應(yīng)變的電阻應(yīng)變計(jì)對(duì)稱的組
成惠斯通全橋電路，抗偏心和側(cè)向載荷能力強(qiáng)；
（5）當(dāng)剪切應(yīng)變梁同時(shí)承受拉伸和壓縮載荷時(shí)，稱重傳感器靈敏度一致性
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好，可用作“拉壓型”稱重傳感器；
（6）剪切應(yīng)變梁為雙端固支梁，載荷引入點(diǎn)和兩個(gè)支撐點(diǎn)自成平衡力系，
不需要強(qiáng)行維持力矩平衡，邊界支撐設(shè)計(jì)大為簡(jiǎn)化；
（7）在剪切應(yīng)變梁兩側(cè)的載荷引入點(diǎn)和兩個(gè)支撐點(diǎn)之間，對(duì)稱加工出四個(gè)
盲孔就形成了工字形截面剪切梁，其技術(shù)與應(yīng)用性能更理想；
（8）采用鋼球與球碗接觸引入載荷，使得稱重傳感器只感受垂直方向的軸
向載荷而不感受橫向載荷和橫向扭矩，保證了稱量準(zhǔn)確度。
剪切梁稱重傳感器的彈性元件，按照粱應(yīng)變區(qū)的截面形狀不同，分為正方形
截面、矩形截面、工字形截面、圓截工字形截面、矩形空心截面和圓形空心截面
等多種結(jié)構(gòu)形式，其額定載荷多為 0.5～50t。
在選擇稱重傳感器彈性元件結(jié)構(gòu)時(shí)，其固有線性至關(guān)重要。引起非線性誤差
的主要因素是彈性元件、電阻應(yīng)變計(jì)和惠斯通電橋電路，較小的因素是制造工藝。
電阻應(yīng)變計(jì)只要選擇合理其非線性誤差通常是很小的；惠斯通電橋電路的非線性
誤差，取決于工作橋臂的組成與連接方式、各電阻應(yīng)變計(jì)的應(yīng)變值；彈性元件的
非線性起決定性作用是彈性元件及應(yīng)變區(qū)結(jié)構(gòu)，這些是設(shè)計(jì)者必須認(rèn)真考慮的問(wèn)
題。其非線性誤差可能來(lái)自：
（1）應(yīng)變區(qū)的面積效應(yīng)影響；
（2）變形大，應(yīng)變程度高；
（3）泊松比效應(yīng)導(dǎo)致載荷與應(yīng)力（P－σ ）關(guān)系的非線性；
（4）邊界條件和密封膜片的載荷分路作用；
（5）彈性元件材料特性的非線性，即應(yīng)力應(yīng)變并非完全線性關(guān)系。
這些因素在確定彈性元件結(jié)構(gòu)及邊界條件、選擇金屬材料及熱處理規(guī)范、確
定電阻應(yīng)變計(jì)結(jié)構(gòu)尺寸及工作特性時(shí)都應(yīng)認(rèn)真考慮，實(shí)施優(yōu)化組合。
