大力值, 對(duì)堅(jiān)固性極高的要求 – 結(jié)構(gòu)高度低，集成方便，費(fèi)用低 – 使用環(huán)形力墊圈有很多原因。用途也多種多樣，從壓接和鉚接等數(shù)不清的工業(yè)力測(cè)量應(yīng)用，到風(fēng)力渦輪機(jī)或軌道螺紋連接的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。
一般來(lái)說(shuō)，力墊圈有以下多種要求:
即使使用最新的技術(shù)，一種物理原理也無(wú)法滿足所有的要求。基于這個(gè)原因，現(xiàn)在通常采用的力墊圈一般有應(yīng)變和壓電兩種原理。
基于應(yīng)變的力墊圈由一個(gè)環(huán)形彈性體構(gòu)成，將應(yīng)變片用粘合劑固定在該彈性體上。與應(yīng)變傳感器情況相同，作用力使彈性體產(chǎn)生變形，引起應(yīng)變，應(yīng)變片能將其轉(zhuǎn)換為電阻的變化。應(yīng)變片組成惠斯通電橋，在在施加電壓后，就會(huì)產(chǎn)生與施加力成比例的可測(cè)量電壓。
在設(shè)計(jì)應(yīng)變力墊圈時(shí)，應(yīng)變片需要實(shí)現(xiàn)盡可能大的角度覆蓋，使其整個(gè)表面具有均勻的靈敏度。HBM 最新 KMR+ 系列力墊圈，采用焊接焊封，適合長(zhǎng)期在惡劣環(huán)境下使用，如戶外，鐵路或風(fēng)力渦輪機(jī)等。應(yīng)變技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是傳感器自身是無(wú)漂移的。特別適合監(jiān)測(cè)任務(wù)（如監(jiān)測(cè)螺紋連接或電纜張力），因?yàn)閭鞲衅鳠o(wú)需調(diào)零或重置，適合長(zhǎng)期測(cè)量。
壓電力墊圈由兩塊壓電材料晶體組成，通常是石英。電極（紅色）安裝在這些晶體之間。每個(gè)晶體的另一側(cè)連接到力墊圈的外殼（黃色和綠色）。
當(dāng)施加力時(shí)，傳感器產(chǎn)生電荷（壓電效應(yīng)），由一個(gè)特殊的同軸電荷電纜饋送到電荷放大器，在那里它被轉(zhuǎn)換成一個(gè)可測(cè)量的電壓信號(hào)，但晶體表面大小與靈敏度無(wú)關(guān)，這與應(yīng)變傳感器形成了鮮明對(duì)比，其靈敏度取決于標(biāo)稱（額定）力。
因此，壓電傳感器的靈敏度不取決于傳感器的尺寸，也不取決于標(biāo)稱（額定）力。因此，可以用來(lái)測(cè)量非常小的力，并增加其他參數(shù)的自由度，例如高過(guò)載穩(wěn)定性或幾何尺寸。還有其他優(yōu)點(diǎn)：閾值更小，測(cè)量范圍非常廣泛。
此外，傳感器在整個(gè)負(fù)載應(yīng)用具有相同的靈敏度。需要非常高的絕緣電阻，因此電氣連接必須符合嚴(yán)格的要求。但所有壓電傳感器都具有漂移，因此無(wú)法使用此技術(shù)執(zhí)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)任務(wù)。
電荷可以產(chǎn)生短路，將傳感器設(shè)置歸零。其優(yōu)點(diǎn)是，即使作用力很大，也可以記錄非常小的力。如果進(jìn)行了重置，則可以使用初始負(fù)載為數(shù)kN的壓電傳感器地測(cè)量10N 的力。
應(yīng)變與壓電傳感器相輔相成。以下是一些測(cè)量任務(wù)的首選技術(shù)：
| 預(yù)期用途/要求 | 推薦的解決方案 |
| 測(cè)量范圍需大于10倍 | CFW 或 CLP 壓電傳感器 |
| 長(zhǎng)期監(jiān)控任務(wù) | KMR+ |
| 鉚接、壓力機(jī)和類似設(shè)備的過(guò)程控制 | 兩種測(cè)量原理都可以使用 |
| 在極端條件、高濕度下使用 | KMR+ |
| 無(wú)預(yù)應(yīng)力使用 | KMR+ |
| 要求極高的過(guò)載穩(wěn)定性 | CFW 或 CLP 壓電傳感器 (選擇大量程) |
| 高初始載荷下小載荷測(cè)量 | CFW 或 CLP 壓電傳感器 |
| 高動(dòng)態(tài)測(cè)量 | 兩種測(cè)量原理都可以使用 |
所有的力墊圈都具有極小的位移。這是一個(gè)優(yōu)勢(shì)，因?yàn)榱鞲衅鞯膭偠纫部梢酝ㄟ^(guò)將標(biāo)稱（額定）力除以位移來(lái)計(jì)算：因此，小位移等于高剛度，這反過(guò)來(lái)意味著其具有極高固有頻率。由于傳感器的最大測(cè)量頻率取決于整個(gè)系統(tǒng)的固有頻率，小位移意味著傳感器適用于高動(dòng)態(tài)測(cè)量。
同樣，小位移意味著傳感器必須承受其整個(gè)表面的均勻載荷，以防止個(gè)別區(qū)域過(guò)載。同樣適用于兩種類型的傳感器。因此，應(yīng)將與傳感器接觸表面磨平，以確保它們均勻。還要求硬度為40 HRC。
KMR+用應(yīng)變片覆蓋了一個(gè)很大的角域。它的特點(diǎn)是加載板能均勻地將力分布到力墊圈上，從而改善傳感器的性能。這大大降低了重復(fù)性誤差和彎矩靈敏度，同時(shí)對(duì)連接件的接觸點(diǎn)也提出了較低的要求。
對(duì)壓電力墊圈來(lái)說(shuō)，預(yù)應(yīng)力加載是非常重要的。通常用螺栓來(lái)完成。要求性能等級(jí)為10.9或12.9。預(yù)應(yīng)力對(duì)于將壓電力墊圈的部件（即晶體、電極和外殼）相互壓接很重要：
如圖所示，壓電力墊圈的最大允許彎矩取決于荷載：最大允許彎矩不能超過(guò)預(yù)應(yīng)力和待測(cè)力的總和的50%，。例如：您使用的是CFW/330KN，您希望測(cè)量的過(guò)程力大約為95 kN。因此，最佳預(yù)應(yīng)力為70kn，因?yàn)?0kn和95kn之和為165kn，最大允許彎矩為總和的一半。
如果力墊圈是用螺栓預(yù)加應(yīng)力安裝的，則螺栓的預(yù)加應(yīng)力作用在力墊圈上，并作用于要測(cè)量的力F，如下圖所示。
如果對(duì)結(jié)構(gòu)施加力，會(huì)產(chǎn)生很小的變形。這會(huì)使螺栓發(fā)生輕微的應(yīng)變消除，導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力下降。這會(huì)使得測(cè)量點(diǎn)比沒(méi)有預(yù)應(yīng)力加載的墊圈更不靈敏。如果需要定量測(cè)量值，則必須校準(zhǔn)力墊圈。當(dāng)然，定性（比較）測(cè)量也可以在沒(méi)有校準(zhǔn)的情況下進(jìn)行。
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