3.3 传感器设计
弹性体的设计是多维传感器设计中的关键。本文在利用有限元分析方法对传感器弹性体的静态和动态特性仿真分析的基础上，设计一种基于E型膜片的弹 性体结构，这种结构的传感器具有结构简单、灵敏度高、维间耦合小、容易标定的特点。整个弹性体主要由弹性膜片、应变计和受力转接体三个部分组成，弹性体由 两层E型膜片构成，实现X和Y两个方向应变力的测量。弹性膜片为圆形结构，其直径和厚度分别为φ15 mm和2 mm，厚度方向和测量方向一致。敏感元件采用箔式电阻应变片，应变片粘贴在E型膜片上。传感器的输出是E型膜片的应力，应力的测量方式很多，本研究采用箔 式电阻应变片，应变片粘贴在E型膜片上，用于测量弹性体上应力的大小。应变计贴片位置如图4所示，X和Y方向应变片安装在E型膜片的下端，四片应变片电阻 组成一个惠斯登全桥电路(如图5所示)，实现输出信号的自动解耦。当力作用于传感器时，由于力大小、方向的不同，各个方向的敏感电阻受到的应力不同，从而 得到力与应变之间的关系。以X方向为例，E型膜片敏感弹性部分的圆环平膜片属于薄板结构，在X向力的作用下，边界条件比较简单，可以等效为外圆周固定，集 中应力作用在硬中心的圆形薄板。根据薄板理论可知，周边固支具有硬中心的膜片在半径r处的径向应力εr和切向应力εθ为
式中：ω，h分别为圆形膜片的法向位移和厚度；F为施加力的等效集中力；f(r)，P(r)是仅与r有关的函数。
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