电子力传感器有各种形式和尺寸，从小的单个应变仪到精确设计的测压元件。了解操作原理和可能的误差源有助于选择和安装，从而确保从实验室实验和结构监控到批量称重、车辆安全、机器人和医疗设备等应用的精确测量和长期可靠性。
应变仪：力测量的基本构件
应变仪可以是金属丝或蚀刻的金属导体，当受到拉伸或压缩时，其被布置成显示可测量的电阻变化。当压力计牢固地固定在材料或结构上时，所施加的任何机械力的大小可以通过监测其电响应来检测。
应变片可以作为分立元件使用，有多种形式可供选择，适合实验室使用，设计机械零件或监测结构以提高性能或安全性。连接被监测样品时，仪器的特性和方向对测量精度有重要影响。
图1:通用蚀刻金属箔应变仪。
现成的分立应变仪可能包含金属箔，金属箔经过光刻产生合适的定向应变敏感图案，并安装在聚酰亚胺或增强型环氧树脂载体上，如图1所示。金属合金的类型对仪器的性能有重要影响。康斯坦丁，有时被称为合金A，具有高应变灵敏度和高电阻率的特点，可以实现小尺寸的传感器。由于在较宽的应变水平和温度范围内显示出相对较低的电阻温度系数和稳定的机械性能，康铜通常是通用仪器的首选合金。康通的另一个重要优势是，它可以对合金进行加工，以达到特定的自温度补偿值(STC ),以匹配各种测试材料的热膨胀系数。
CEA系列康通微测(Vishay Precision Group的一个部门)的通用应变计有多种型号，如CEA-06-125UN-350，其STC号为06，标称电阻为350。CEA系列压力表的正常静态工作温度范围为-75C至175C，而对于需要更宽温度范围的应用，LWK系列镍铬或K合金压力表，如LWK-06-W250B- 350，可在-195C至260C的温度范围内工作.
背衬材料和附件类型也是选择量规的重要标准。通常，环氧粘合剂用于将聚酰亚胺或环氧树脂载体粘合到测试材料上。然而，在一些应用中，诸如高工作温度或不利的环境或测试条件等因素可能会阻止粘合剂的固化或规的夹紧，这可能会促使工程师使用可焊接的规。微测量LWK-06-W250B-350是一种可焊接的规，它预先粘结在一个薄的金属载体上，并已与三根导线连接，可直接连接到仪器电缆上。压力计可以通过点焊连接到干净的金属试样上。
测量尺寸是为特定应用选择应变仪时要考虑的另一个重要参数。应变仪自然倾向于整合施加在测量仪器整个长度上的力。由于工程师经常需要评估结构中构件所经受的峰值应力，在峰值应力集中的小区域应用过长的应变片会导致严重的不准确。另一方面，非常小的传感器可能不稳定，并且最大允许伸长率较低。
定位和连接
应变计CEA-06-125UN-350和LWK-06-W250B-350被设计成对轴向力最敏感的传感网格。因此，当传感器连接到测试样品时，传感器的方向至关重要，应与待测力的方向对齐。如果不知道方向，可以使用三向玫瑰花形仪器。
由于受力情况下电阻变化很小，电桥测量电路通常采用高精度的电压表，以保证读数准确。图2所示的简单电桥电路很容易受到仪器引线电阻引起的误差的影响。这些可以通过多种方式进行补偿。当第三根导线直接接在电压表上时，LWK系列测量仪器的三线连接可以将这一误差减半，从而消除两根信号线中一根的影响。另一种方法是在电桥的上臂和下臂中连接具有相反极性的应变计，以便感测相反方向的力。在这种布置中，两组引线电阻被消除，并且系统的灵敏度加倍，从而可以获得更高的精度。
图2:主要用于监控应变仪输出的桥式电路。
带称重传感器的设计
用于力测量的测压元件是一个精确设计的系统，它包含多个应变仪，并被配置为一个桥，以确保精确和可重复的测量。应变仪与精确设计的结构元件相结合，该结构元件可以由钢、铝或铜合金制成。精确的设计和加工可以确保在整个指定范围内可测量和可重复的偏转，偏转与施加的负载成比例。测压元件可设计用于测量弯曲、剪切、压缩或扭转力，并可提供各种工作范围。
选择称重传感器时，工程师应注意规定的安全载荷极限，并考虑操作载荷范围。如果施加过度过载，称重传感器可能会永久损坏，并在后续使用中产生不可靠的结果。如果预计会过载，可能需要更高容量的称重传感器。同样，如果预计会有明显的冲击或动态负载，可能需要降低称重传感器的容量。
还应特别注意设计合适的安装系统，切记称重传感器是传感器，因此不应被视为固体支撑。应注意避免侧向力、偏心载荷或振动的影响。如果系统中使用多个称重传感器，可能需要特别注意确保负载均匀分布，以避免称重传感器输出之间出现不必要的差异。
测量系统，从吨负载
称重传感器可用于各种应用。安装在卡车等车辆上的散装称重系统就是一个例子。PM OnBoard和Micro-Measurements一样，也是Vishay Precision Group的一个部门，该部门生产一系列散装称重系统，包括安全导向系统和合法交易系统，允许散装材料按重量收集。装卸。如图3所示，适用于17至44吨卡车的BulkWeigh 1300系统具有四个或更多能够监控单轴负载的称重传感器，可为驾驶员提供超载或不平衡负载的驾驶室内警告。/p
图3:工业车辆散装称重系统中使用的称重传感器。
在另一个极端，测量专用FC22系列和其他微型称重传感器有四个标准测量范围，从0-10到0-100 lbf，并有两个间隔为34 mm的径向安装孔。这些称重传感器适用于机器人末端执行器和其他设备，以帮助控制机器人在各种过程中施加的力或监控任何拾取物体的重量。小型称重传感器(如FC22)也可用于医疗设备，如控制注射器输液泵的线性力来控制液体的剂量或输送。
FC22系列称重传感器采用MEMS应变片，通过压电效应检测应变。Measurement Specialties使用其专有的微熔合技术，通过与高温玻璃熔合，将应变仪粘合到不锈钢基板上。这消除了对老化敏感的有机环氧树脂，有助于最大限度地提高稳定性和延长使用寿命。该技术还有助于确保即使在低应变下也具有高灵敏度，以及出色的分辨率和高量程能力，而无需机械制动。FC22的设计消除了与其他微力传感器相关的疲劳机制，例如使用压力传感器的传感器。还内置了热补偿，以消除零点和范围中与温度相关的变化。
结论
应变仪和称重传感器都是利用导体或半导体在受力时的电特性变化来测量机械载荷的。所有这些都是精密仪器，必须精心设计以确保令人满意的性能。为了达到所需的精度，可靠性和使用寿命不仅对于选择最佳元件很重要，对于定位、定位和固定以及电气连接也很重要。像往常一样，更好的理解会带来更好的结果。