_新型传感技术与应用(13_10_30)-07_toPPT课件
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2EA
新型传感技术及应用—2013
4.1 应变式圆柱式力传感器 ——干扰问题
z
y
xz
——抗横向力的影响的改进
y
F
x
承弯
膜片
Fx y
电阻 应变片
承弯 膜片
连线 电阻应变片
电阻 应变片
新型传感技术及应用—2013
4.1 应变式圆柱式力传感器 ——基于圆柱体的应变特性
y
圆柱体的应变特性不仅可以 测量集中力，还可以…
新型传感技术及应用—2013
利用能量原理建立弹性扭杆的模型
弹性体的弹性势能
x
v x
K
x G x GK
U＝U1dV
V
1 2
V
x x dV
U＝ πGLR4K 2
4
弹性体外力的功
W＝ fxu f yv fzw dV＝Mmax
V
W＝MKL
M R L
vx, Kx
x 剪应力方向
剪应力大小
M
S
dF
R 0
2 GK 3drd πGKR 4
0
2
K
2M πGR 4
M R
x 剪应力方向
剪应力大小
新型传感技术及应用—2013
基于弹性扭杆的应变特性
x
2M πR 4
x
2M πGR 4
vx, Kx
K
2M πGR 4
vx, Kx
M R
x 剪应力方向
L
剪应力大小
问题：如何用能量原理建立模型？
弹性体的能量泛函原理 z
y
F
x
1 U W
1 0
电阻应变片
1＝
1 2
AEK
2L
KLF
0
K F
AE
z
K
F AE
z
E
w z
F A
问题：考虑自重的圆杆的受力情况
新型传感技术及应用—2013
电阻应变
问题：考虑自重的圆杆的受力情况
z
w z
z
E
w z
弹性体的弹性势能
U＝U1dV
U1＝
1 2
T
＝
1 2
T
D
新型传感技术及应用—2013
第三部分：传感器敏感机理的讨论
敏感机理与模型研究的思考 传感器建模的力学理论基础 传感器典型敏感结构的建模
新型传感技术及应用—2013
弹性敏感元件的建模——能量法原理
弹性体的弹性势能
U＝U1dV
U1＝
1 2
T
＝
1 2
T
D
V
弹性体的动能
T＝ 1 2
V
u t
2
ρg
0 ；wz
ρgz 2 E
C1z
C2
利用几何边界条件
C2 0
Z
利用力学边界条件
σz L ρgL
y
C1
εz
3ρgL ； wz ρg
w
E
ρg3L
2z
z
E
3zL E
z2
F
x
z
新型传感技术及应用—2013
4.1 应变式圆柱式力传感器 ——测量原理
z
z
F A
y
F
x
z
F AE
Baidu Nhomakorabea
F
AE
R2 R3 R R2
z
F
x
电阻应变片
新型传感技术及应用—2013
4.2 扭矩传感器 ——基于弹性扭杆的应变特性（圆柱体）
。 。
新型传感技术及应用—2013
基于弹性扭杆的应变特性
圆柱体只产生沿切线方向的位移 vx, Kx
x
v x
K
x G x GK
G
E
21
dS dd
L
dF x dS GK 2dd
4.1 应变式圆柱式力传感器 ——测量原理
弹性体的能量泛函原理
z
y
F
x
1 U W 1 0
1＝
A 2
Z
E
w z
2
dz
0
电阻应变片
2w 0
z 2
z
w z
C
利用力学边界条件
z
E
w z
EC
z
EC
F A
z
F EA
新型传另感技一术种及应方用法—2013
4.1 应变式圆柱式力传感器 ——测量原理
V
＝
1 2
V
E
w z
2
dV
Z
y
＝ A E w 2 dz
2 Z z
弹性体外力的功
F
x
z
W＝A ρgwzdz
Z
新型传感技术及应用—2013
电阻应变
问题：考虑自重的圆杆的受力情况
弹性体的能量泛函原理
1 U W 1 0
δπ1＝δ
A 2
Z
E
w z
2
dz
A
Z
ρgwz dz
0
E
2w z 2
R2
KFR EA
KR z
R1 R4 R R1
电阻应变片
R1
KFR
EA
KR z
问题：该方案存在的问题？
新型传感技术及应用—2013
4.1 应变式圆柱式力传感器 ——转换电路
z
y
F
x
电阻应变片
Uout
R1
R1 R2
R3 R3 R4
U in
KF 1 Uin 2EA KF 1
KF 1 Uin
u U A1，A2， ，AN1，x，y，z
v
V
B1，B2，
，BN
2，x，y，z
w W C1，C2， ，CN3，x，y，z
1
A1，A2，
，AN1，B1，B2，
，BN
2，C1，C2，
，CN
3
0
Ai
1
A1，A2，
，AN1，B1，B2， B j
，BN
2，C1，C2，
，CN
3
0
v t
2
w t
2
mdV
弹性体外力的功
W＝ fxu f yv fzw dV X Nu YN v ZN wdS
V
S
新型传感技术及应用—2013
弹性敏感元件的建模——能量法原理
弹性体的附加弹性势能
U
＝
ad
1 2
V
0 x
V x
V x
0 y
V y
V y
0 z
V z
V z
2
0 xy
新型传感技术及应用—2013
利用能量原理建立弹性扭杆的模型
1
A1，A2，
，AN1，B1，B2，
，BN
2，C1，C2，
，CN
3
0
Ck
新型传感技术及应用—2013
第四部分：典型传感器
应变式力传感器 应变式扭矩传感器 电容式压力传感器 ***
新型传感技术及应用—2013
4.1 应变式圆柱式力传感器 ——基于圆柱体的应变特性
——测量原理 ——转换电路 ——参数设计 ——干扰影响
V x
V y
2
0 yz
V y
V z
2
0 zx
V z
V x
dV
弹性体的能量泛函原理
1 U W 1 0
2 U W T 2 0
UT U Uad
2 UT W T U Uad W T
新型传感技术及应用—2013
弹性敏感元件的建模——能量法原理
Ritz法
针对几何边界条件
1 0
Bu，v，w，x，y，z 0
z
z
w z
z
E
w z
y
F
x
圆柱体只产生沿轴线方向的位移 wz Kz
弹性体的弹性势能
电阻应变片
U＝U1dV
V
＝
1 2
V
E
w z
2
dV
＝ A E w 2 dz ＝ AEK 2L
2 Z z
2
弹性体外力的功
W＝w(L) F＝ KL F
新型传另感技一术种及应方用法—2013
4.1 应变式圆柱式力传感器 ——测量原理
z
y
F
x
电阻应变片
新型传感技术及应用—2013
4.1 应变式圆柱式力传感器 ——测量原理
z
z
w z
z
E
w z
y
F
x
弹性体的弹性势能
电阻应变片
U＝U1dV
U1＝
1 2
T
＝
1 2
T
D
V
＝
1 2
V
E
w z
2
dV
＝ A
E
w
2
dz
2 Z z
弹性体外力的功
W＝w(L) F
新型传感技术及应用—2013
新型传感技术及应用—2013
4.1 应变式圆柱式力传感器 ——干扰问题
z
y
xz
——抗横向力的影响的改进
y
F
x
承弯
膜片
Fx y
电阻 应变片
承弯 膜片
连线 电阻应变片
电阻 应变片
新型传感技术及应用—2013
4.1 应变式圆柱式力传感器 ——基于圆柱体的应变特性
y
圆柱体的应变特性不仅可以 测量集中力，还可以…
新型传感技术及应用—2013
利用能量原理建立弹性扭杆的模型
弹性体的弹性势能
x
v x
K
x G x GK
U＝U1dV
V
1 2
V
x x dV
U＝ πGLR4K 2
4
弹性体外力的功
W＝ fxu f yv fzw dV＝Mmax
V
W＝MKL
M R L
vx, Kx
x 剪应力方向
剪应力大小
M
S
dF
R 0
2 GK 3drd πGKR 4
0
2
K
2M πGR 4
M R
x 剪应力方向
剪应力大小
新型传感技术及应用—2013
基于弹性扭杆的应变特性
x
2M πR 4
x
2M πGR 4
vx, Kx
K
2M πGR 4
vx, Kx
M R
x 剪应力方向
L
剪应力大小
问题：如何用能量原理建立模型？
弹性体的能量泛函原理 z
y
F
x
1 U W
1 0
电阻应变片
1＝
1 2
AEK
2L
KLF
0
K F
AE
z
K
F AE
z
E
w z
F A
问题：考虑自重的圆杆的受力情况
新型传感技术及应用—2013
电阻应变
问题：考虑自重的圆杆的受力情况
z
w z
z
E
w z
弹性体的弹性势能
U＝U1dV
U1＝
1 2
T
＝
1 2
T
D
新型传感技术及应用—2013
第三部分：传感器敏感机理的讨论
敏感机理与模型研究的思考 传感器建模的力学理论基础 传感器典型敏感结构的建模
新型传感技术及应用—2013
弹性敏感元件的建模——能量法原理
弹性体的弹性势能
U＝U1dV
U1＝
1 2
T
＝
1 2
T
D
V
弹性体的动能
T＝ 1 2
V
u t
2
ρg
0 ；wz
ρgz 2 E
C1z
C2
利用几何边界条件
C2 0
Z
利用力学边界条件
σz L ρgL
y
C1
εz
3ρgL ； wz ρg
w
E
ρg3L
2z
z
E
3zL E
z2
F
x
z
新型传感技术及应用—2013
4.1 应变式圆柱式力传感器 ——测量原理
z
z
F A
y
F
x
z
F AE
Baidu Nhomakorabea
F
AE
R2 R3 R R2
z
F
x
电阻应变片
新型传感技术及应用—2013
4.2 扭矩传感器 ——基于弹性扭杆的应变特性（圆柱体）
。 。
新型传感技术及应用—2013
基于弹性扭杆的应变特性
圆柱体只产生沿切线方向的位移 vx, Kx
x
v x
K
x G x GK
G
E
21
dS dd
L
dF x dS GK 2dd
4.1 应变式圆柱式力传感器 ——测量原理
弹性体的能量泛函原理
z
y
F
x
1 U W 1 0
1＝
A 2
Z
E
w z
2
dz
0
电阻应变片
2w 0
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z
w z
C
利用力学边界条件
z
E
w z
EC
z
EC
F A
z
F EA
新型传另感技一术种及应方用法—2013
4.1 应变式圆柱式力传感器 ——测量原理
V
＝
1 2
V
E
w z
2
dV
Z
y
＝ A E w 2 dz
2 Z z
弹性体外力的功
F
x
z
W＝A ρgwzdz
Z
新型传感技术及应用—2013
电阻应变
问题：考虑自重的圆杆的受力情况
弹性体的能量泛函原理
1 U W 1 0
δπ1＝δ
A 2
Z
E
w z
2
dz
A
Z
ρgwz dz
0
E
2w z 2
R2
KFR EA
KR z
R1 R4 R R1
电阻应变片
R1
KFR
EA
KR z
问题：该方案存在的问题？
新型传感技术及应用—2013
4.1 应变式圆柱式力传感器 ——转换电路
z
y
F
x
电阻应变片
Uout
R1
R1 R2
R3 R3 R4
U in
KF 1 Uin 2EA KF 1
KF 1 Uin
u U A1，A2， ，AN1，x，y，z
v
V
B1，B2，
，BN
2，x，y，z
w W C1，C2， ，CN3，x，y，z
1
A1，A2，
，AN1，B1，B2，
，BN
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，CN
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Ai
1
A1，A2，
，AN1，B1，B2， B j
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，CN
3
0
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2
w t
2
mdV
弹性体外力的功
W＝ fxu f yv fzw dV X Nu YN v ZN wdS
V
S
新型传感技术及应用—2013
弹性敏感元件的建模——能量法原理
弹性体的附加弹性势能
U
＝
ad
1 2
V
0 x
V x
V x
0 y
V y
V y
0 z
V z
V z
2
0 xy
新型传感技术及应用—2013
利用能量原理建立弹性扭杆的模型
1
A1，A2，
，AN1，B1，B2，
，BN
2，C1，C2，
，CN
3
0
Ck
新型传感技术及应用—2013
第四部分：典型传感器
应变式力传感器 应变式扭矩传感器 电容式压力传感器 ***
新型传感技术及应用—2013
4.1 应变式圆柱式力传感器 ——基于圆柱体的应变特性
——测量原理 ——转换电路 ——参数设计 ——干扰影响
V x
V y
2
0 yz
V y
V z
2
0 zx
V z
V x
dV
弹性体的能量泛函原理
1 U W 1 0
2 U W T 2 0
UT U Uad
2 UT W T U Uad W T
新型传感技术及应用—2013
弹性敏感元件的建模——能量法原理
Ritz法
针对几何边界条件
1 0
Bu，v，w，x，y，z 0
z
z
w z
z
E
w z
y
F
x
圆柱体只产生沿轴线方向的位移 wz Kz
弹性体的弹性势能
电阻应变片
U＝U1dV
V
＝
1 2
V
E
w z
2
dV
＝ A E w 2 dz ＝ AEK 2L
2 Z z
2
弹性体外力的功
W＝w(L) F＝ KL F
新型传另感技一术种及应方用法—2013
4.1 应变式圆柱式力传感器 ——测量原理
z
y
F
x
电阻应变片
新型传感技术及应用—2013
4.1 应变式圆柱式力传感器 ——测量原理
z
z
w z
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E
w z
y
F
x
弹性体的弹性势能
电阻应变片
U＝U1dV
U1＝
1 2
T
＝
1 2
T
D
V
＝
1 2
V
E
w z
2
dV
＝ A
E
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2
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2 Z z
弹性体外力的功
W＝w(L) F
新型传感技术及应用—2013