測(cè)力傳感器的核心性能(如量程、精度、耐久性)很大程度上取決于彈性體材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。材料的彈性模量、屈服強(qiáng)度、抗疲勞性及溫度穩(wěn)定性,直接決定了傳感器的適用場(chǎng)景;而結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(如形狀、應(yīng)力集中區(qū)域分布)則影響應(yīng)力傳遞效率和抗干擾能力。
常用彈性體材料包括鋁合金、合金鋼、鈦合金和鎳基合金。鋁合金(如 6061-T6)具有重量輕、成本低的優(yōu)勢(shì),適合小量程(<50kN)和常規(guī)環(huán)境,但抗腐蝕能力較弱,長(zhǎng)期在潮濕環(huán)境中可能出現(xiàn)氧化導(dǎo)致零點(diǎn)漂移。合金鋼(如 17-4PH)屈服強(qiáng)度高(≥1310MPa),適合大量程(50kN-5000kN)和高剛度要求場(chǎng)景,但其密度大(7.85g/cm3),可能增加運(yùn)動(dòng)部件負(fù)載。鈦合金(如 TC4)兼具高強(qiáng)度和低密度(4.5g/cm3),且抗腐蝕性能優(yōu)異,是航空航天和海洋工程的理想選擇,但成本較高(約為鋁合金的 10 倍)。鎳基合金(如 Inconel 718)則在高溫(>500℃)環(huán)境中表現(xiàn)出色,常用于發(fā)動(dòng)機(jī)推力測(cè)量。
結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需平衡剛度、抗偏載能力和線性范圍。例如,S 型結(jié)構(gòu)適合小量程拉壓雙向測(cè)量,其彎曲變形集中在橫梁部分,可減少軸向偏心影響;輪輻式結(jié)構(gòu)通過(guò)八根輻條均勻分布應(yīng)力,抗偏載能力強(qiáng)(≤1% FS),適合動(dòng)態(tài)稱重;柱式結(jié)構(gòu)剛度高(固有頻率 > 10kHz),但對(duì)軸向加載精度要求嚴(yán)格,偏心載荷易導(dǎo)致非線性誤差。有限元分析(FEA)在此過(guò)程中至關(guān)重要,通過(guò)模擬不同載荷工況下的應(yīng)力分布,可優(yōu)化倒角半徑、過(guò)渡區(qū)厚度等參數(shù),將最大應(yīng)力集中降低 30% 以上。
環(huán)境因素對(duì)材料選擇影響顯著。在化工環(huán)境中,氯離子腐蝕會(huì)導(dǎo)致鋁合金快速失效,需選用 316L 不銹鋼或哈氏合金(如 Hastelloy C-276),并配合表面聚四氟乙烯涂層(厚度 50-100μm)。在低溫環(huán)境(<-40℃)中,普通碳鋼可能發(fā)生脆變,需改用耐低溫合金鋼(如 09MnNiDR),其沖擊韌性在 - 70℃時(shí)仍≥27J。
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