測(cè)力傳感器通常將力轉(zhuǎn)換為正比于作用力大小的電信號(hào)，使用十分方便，因而在工程領(lǐng)域及其他各種場(chǎng)合應(yīng)用最為廣泛。測(cè)力傳感器種類繁多，依據(jù)不同的物理效應(yīng)和檢測(cè)原理可分為電阻應(yīng)變式、壓磁式、壓電式、振弦式力傳感器等。

　　1．應(yīng)變式力傳感器

　　在所有力傳感器中，應(yīng)變式力傳感器應(yīng)用最為廣泛。它能應(yīng)用于從極小到很大的動(dòng)、靜態(tài)力的測(cè)量，且測(cè)量精度高，其使用量約占力傳感器總量的90％左右。

　　應(yīng)變式力傳感器的工作原理與應(yīng)變式壓力傳感器基本相同，它也是由彈性敏感元件和貼在其上的應(yīng)變片組成。應(yīng)變式力傳感器首先把被測(cè)力轉(zhuǎn)變成彈性元件的應(yīng)變，再利用電阻應(yīng)變效應(yīng)測(cè)出應(yīng)變，從而間接地測(cè)出力的大小。彈性元件的結(jié)構(gòu)形式有柱形、筒形、環(huán)形、梁形、輪輻形、s形等。

　　應(yīng)變片的布置和接橋方式，對(duì)于提高傳感器的靈敏度和消除有害因素的影響有很大關(guān)系。根據(jù)電橋的加減特性和彈性元件的受力性質(zhì)，在貼片位置許可的情況下，可貼4或8片應(yīng)變片，其位置應(yīng)是彈性元件應(yīng)變最大的地方。

　　圖1給出了常見的柱形、筒形、梁形彈性元件及應(yīng)變片的貼片方式。圖1（a）為柱形彈性元件；圖1（b）為筒形彈性元件；圖1（c）為梁形彈性元件。

　　（1）柱形應(yīng)變式力傳感器

圖1　幾種彈性元件及應(yīng)變片貼片方式

　　柱形彈性元件通常都做成圓柱形和方柱形，用于測(cè)量較大的力。最大量程可達(dá)10MN。在載荷較小時(shí)（1～100kN），為便于粘貼應(yīng)變片和減小由于載荷偏心或側(cè)向分力引起的彎曲影響，同時(shí)為了提高靈敏度，多采用空心柱體。四個(gè)應(yīng)變片粘貼的位置和方向應(yīng)保證其中兩片感受縱向應(yīng)變，另外兩片感受橫向應(yīng)變（因?yàn)榭v向應(yīng)變與橫向應(yīng)變是互為反向變化的），如圖1（a）所示。

　　當(dāng)被測(cè)力F沿柱體軸向作用在彈性體上時(shí)，其縱向應(yīng)變和橫向應(yīng)變分別為

　　　　　　　　　　　　　（1）

　　式中，E為材料的彈性模量；S為柱體的截面積；μ為材料的泊松比。

　　在實(shí)際測(cè)量中，被測(cè)力不可能正好沿著柱體的軸線作用，而總是與軸線成一微小的角度或微小的偏心，這就使得彈性柱體除了受縱向力作用外，還受到橫向力和彎矩的作用，從而影響測(cè)量精度。

　　（2）輪輻式力傳感器

　　簡(jiǎn)單的柱式、筒式、梁式等彈性元件是根據(jù)正應(yīng)力與載荷成正比的關(guān)系來(lái)測(cè)量的，它們存在著一些不易克服的缺點(diǎn)。為了進(jìn)一步提高力傳感器性能和測(cè)量精度，要求力傳感器有抗偏心、抗側(cè)向力和抗過(guò)載能力。20世紀(jì)70年代開始已成功地研制出切應(yīng)力傳感器。圖2是較常用的輪輻式切應(yīng)力傳感器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。

　　輪輻式力傳感器由輪圈、輪轱、輻條和應(yīng)變片組成。輻條成對(duì)且對(duì)稱地連接輪圈和輪轱，當(dāng)外力作用在輪轱上端面和輪轱下端面時(shí)，矩形輻條就產(chǎn)生平行四邊形變形，如圖2（b）所示，形成與外力成正比的切應(yīng)變。此切應(yīng)變能引起與中性軸成45⁰方向的相互垂直的兩個(gè)正負(fù)正應(yīng)力，即由切應(yīng)力引起的拉應(yīng)力和壓應(yīng)力，通過(guò)測(cè)量拉應(yīng)力或壓應(yīng)力值就可知切應(yīng)力值的大小。因此，在輪輻式傳感器中，把應(yīng)變片貼到與切應(yīng)力成45⁰的位置上，使它感受的仍是拉伸和壓縮應(yīng)變，但該應(yīng)變不是由彎距產(chǎn)生的，而主要是由剪切力產(chǎn)生的，此即這類傳感器的基本工作原理。這類傳感器最突出的優(yōu)點(diǎn)是抗過(guò)載能力強(qiáng)，能承受幾倍于額定量程的過(guò)載。此外，其抗偏心、抗側(cè)向力的能力也較強(qiáng)，精度在0.1％之內(nèi)。

（a）輪輻式結(jié)構(gòu)　　　　　　　（b）輻條變形情況

圖2　輪輻式力傳感器

　　2．壓磁式力傳感器

　　當(dāng)鐵磁材料在受到外力的拉、壓作用而在內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力時(shí)，其導(dǎo)磁率會(huì)隨應(yīng)力的大小和方向而變化：受拉力時(shí)，沿力作用方向的導(dǎo)磁率增大，而在垂直于作用力的方向上導(dǎo)磁率略有減小；受壓力作用時(shí)則導(dǎo)磁率的變化正好相反。這種物理現(xiàn)象就是鐵磁材料的壓磁效應(yīng)。這種效應(yīng)可用于力的測(cè)量。

　　壓磁式力傳感器一般由壓磁元件、傳力機(jī)構(gòu)組成，如圖3（a）所示。其中主要部分是壓磁元件，它由其上開孔的鐵磁材料薄片疊成。壓磁元件上沖有四個(gè)對(duì)稱分布的孔，孔1和2之間繞有激磁繞組W₁₂ （初級(jí)繞組），孔3和4間繞有測(cè)量繞組W₃₄。（次級(jí)繞組），如圖3（b）所示。當(dāng)激磁繞組W₁₂通有交變電流時(shí)，鐵磁體中就產(chǎn)生一定大小的磁場(chǎng)。若無(wú)外力作用，則磁感應(yīng)線相對(duì)于測(cè)量繞組平面對(duì)稱分布，合成磁場(chǎng)強(qiáng)度日平行于測(cè)量繞組W₃₄的平面，磁感應(yīng)線不與測(cè)量繞組W₃₄交連，故繞組W₃₄不產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，如圖3（C）所示。當(dāng)有壓縮力F作用于壓磁元件上時(shí)，磁感應(yīng)線的分布圖發(fā)生變形，不再對(duì)稱于測(cè)量繞組W₃₄的平面（如圖3（d）所示），合成磁場(chǎng)強(qiáng)度H不再與測(cè)量繞組平面平行，因而就有部分磁感應(yīng)線與測(cè)量繞組W₃₄相交鏈，而在其上感應(yīng)出電勢(shì)。作用力愈大，交鏈的磁通愈多，感應(yīng)電勢(shì)愈大。

　　壓磁式力傳感器的輸出電勢(shì)比較大，通常不必再放大，只要經(jīng)過(guò)濾波整流后就可直接輸出，但要求有一個(gè)穩(wěn)定的激磁電源。壓磁式力傳感器可測(cè)量很大的力，抗過(guò)載能力強(qiáng)，能在惡劣條件下工作。但頻率響應(yīng)不高（1～10 kHz），測(cè)量精度一般在1％左右，也有精度更高的新型結(jié)構(gòu)的壓磁式力傳感器。常用于冶金、礦山等重工業(yè)部門作為測(cè)力或稱重傳感器，例如在軋鋼機(jī)上用來(lái)測(cè)量大的力以及用在吊車秤中。

圖3　壓磁式力傳感器