第3章 力矩扭矩和压力传感器

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1-敏感栅;2-覆盖层;3-引线;4-基底
3.1 测力传感器 1. 应变片的测量原理
将应变片粘贴在弹性试件上,当试件受力变形时应变片 产生电阻变化,从而得到弹性试件的应变,由 E 即可得 到被测应力值。
2. 应变片的种类
应变片按照敏感栅形状和制造工艺,可分为:丝绕式、 短接式、箔式、应变花及簿膜式等。
3.1 测力传感器 4.轮辐式力传感器: 10kN以上
F
F作用在轮毂顶部和轮圈底部,每根轮辐可等效为一端固 定、另一端承受 F / 4力和 Fl/8 力矩作用的等截面梁。两端断 面处产生的弯矩最大,应变片粘贴处的应变为:
M M 3 l ( -lx )F 2 2 E EW Ebh / 6 2 Ebh 2
n R1 Uo U (1 n)2 R1
Uo n Su U R1 / R1 (1 n)2
电源电压U 越高,电桥电压灵敏度Su就越高,但是U 的提 高一方面受应变片允许工作电流的限制,另一方面应变片电阻 将产生温度误差,故取 U 1 ~ 3V 。 当电源电压一定时,由 dSu / dn 0 求得n=1时Su最大,即

3.1 测力传感器 标准产品
3.1 测力传感器 案例:骨应力测量
• 河南省科委 科研项目: “带传感装 置骨外固定 器”
3.1 测力传感器 案例:桥梁固有频率测量
3.1 测力传感器 案例:电子秤
测量原理
将物品重量通过悬臂梁转化结 构变形,再通过电阻应变片和 测量电桥转化为电信号输出。
3.1 测力传感器 案例:冲床生产记数 和生产过程监测
1. 柱(筒)式力传感器:1 ~ 107 N
R1 R3 2 R5 R7
1
Uo R6 R8 4 R2 R4 U
3
R1
R5
R2
R6
R3
F dL SE E L F
S
3.1 测力传感器
500N 以上 2.环式力传感器:
F
A B
h
r
R2 R1 R4 R3

当 39.5 时,
流过敏感栅的电流,使应变片温度升高,影响测量精度。 一般规定25mA。
4)电阻值:应变片原始电阻值(常用120Ω和350Ω)
3.1 测力传感器 三、 应变片的动态特性
1)假设试件内的应变波为阶跃变化,由实际响应特性曲线可 以看出,上升时间为:
l tr 0.8 v
100%
10%
ε t
l/v
tr
(a)阶跃变化;(b)理想响应特性;(c)实际响应特性
3
uo
R4
Z3 R3
Z4 R4
4 u
R1 R4 R2 R3 —— 电阻平衡; C1 R3 C2 R4 —— 电容平衡。
3.1 测力传感器
R
K
R
uo
R1
R3 C
R2
u
R
R
电阻应变仪中电桥的电阻、电容平衡调节。
3.1 测力传感器 六、 应变式力传感器的应用
应变式力传感器主要用于各种电子秤与材料试验机的 测力元件,也可用于发动机的推力测试、水坝坝体承载状 况的监视和切削刀具的受力分析等。
R / R S x
实验证明,S 恒小于S0 。原因:(1)试件与应变片之间
的粘合剂传递变形失真;(2)应变片存在横向效应。
3.1 测力传感器
2)横向效应
园弧段除产生纵向拉应变 x 外,还有垂直方向的横向压 应变 y x ,从而使 S<S0 。
A
y
A y
x
θ
l
3)允许工作电流
)
应变波测量的相对误差为:
p m πl sin( ) 1 m πl
由 ν / f 和 n / l 得:
f v / nl
3.1 测力传感器
四、 应变片的温度误差及其补偿
1. 温度误差
1)敏感栅材料电阻温度系数的影响:(
Rt
R )1 t t
0,该点粘贴应变片只起温度补偿作用。
1.09r B 2 F bh E
1.91r A 2 F bh E
3.1 测力传感器 3.悬臂梁式力传感器: 5000N以下
R4 R3 R1 R1 R2 R4
F
R4 R1 R3 R1 R2 R4
F
F
R1 R2 F R2 R1 R4 R3 R3 R4
2πx1

)]
m

l
/%
x x1 x2 sin 2 x m
10
20
30 / l
(a)响应特性;(b)误差曲线
3.1 测力传感器
把 x1 ( / 4) (l / 2) ,x2 ( / 4) (l / 2) 代入上式得:
p
m
πl
sin(
πl

1. 石英晶体的压电效应
3.1 测力传感器 2. 电桥的连接方式
单臂电桥
U R Uo 4 R
差动半桥
U R Uo 2 R
Su U / 2
差动全桥
U o U
R
R
Su U / 4
Su U
3.1 测力传感器 电桥的加减特性与应用:
U R1 R2 R4 R3 Uo ( ) 4 R1 R2 R4 R3
若电桥后接放大器,且 RL
2
R1 R2
IL 3 RL
R1 R4 R2 R3 Uo U ( R1 R2 )( R3 R4 )
1
R3 R4
平衡条件:R1R4=R2R3
4
U
3.1 测力传感器
若桥臂中R1为应变片, 其他桥臂为固定电阻,则 当应变片R1承受应变 x 时 应变片R1将产生电阻变化
发电式有压电式、压磁式等
3.1.1 电阻应变式测力传感器 一、 电阻应变效应(工作原理)
金属导体在外力作用下发生机械变形时,引起电阻值发 生变化,这种现象称为电阻应变效应。
3.1 测力传感器
2(r-Δr) F L+ΔL 2r L F
L R 2 A r
L L R 2 L 2 3 r 2 r r r
传感器与检测技术
第三章 力、扭矩和压力传感器
本章学习要求:
1.掌握应变式力、压力和扭矩传感器的工作原理、熟悉其基本结 构;掌握弹性元件所受力和应变的关系;
2.熟悉电桥的作用。掌握电桥平衡条件、等臂电桥输出电压与电 桥工作方式的关系和应变片在弹性元件上的布置与组桥的关 系; 3.掌握压磁效应的概念以及压磁式力、扭矩传感器的工作原理;
当电桥相邻臂阻值增量相反,相对臂阻值增量相同时, 电桥输出增大;当电桥相邻臂阻值增量相同,相对臂阻值增 量相反时,电桥输出减小。这一特性称为电桥的加减特性。
工程上利用电桥的加减特性,可以提高灵敏度、 温度补偿和消除干扰因素等。
3.1 测力传感器 电桥加减特性的应用——温度补偿:
R1
F
R2
R1
R2
U R Uo ( )F 4 R
R1 R2 , R3 R4 —— 输出对称电桥
3.1 测力传感器 在实际应用中:
( 1) R1 R2 R3 R4 R —— 全等臂电桥
R1 R2 R , R3 R4 R —— 输出对称电桥 ( 2)
若 Ri Ri Ri ,且 R R,则
U R1 R2 R4 R3 Uo ( ) 4 R1 R2 R4 R3
2)试件材料和敏感栅材料线膨胀系数的影响
(
Rt
R
) 2 S ( 1 2 ) t
由温度变化引起的总电阻相对增量为:
Rt
R
[ t S ( 1 2 )] t
相应的热输出为: t
Rt / R
S

t
S
t ( 1 2 ) t
3.1 测力传感器 2. 温度补偿
R1
R2 Uo
R1 SR1 x
R1 R 4 R2 R3
,并考虑 ,得
R3
R4
R1 R4
R1 R3 Uo U R1 R2 R (1 )(1 4 ) R1 R1 R3
U
3.1 测力传感器
令 n R2 / R1,且 R2 / R1 R4 / R3 ,忽略分母中 R1 / R1 项,则有
3.1 测力传感器 案例:机器人握力测量
3.1 测力传感器 案例:振动式地音入侵探测器
适合于金库、仓库、古建筑的防范,挖墙、打 洞、爆破等破坏行为均可及时发现。
3.2 压电式力传感器
一、 压电效应
某些晶体材料受到外力作用时, 不仅发生变形,而且内部被极化表面 产生电荷;当外力去掉后,又回到原 来状态,这种现象称为压电效应。
(a)短接式;(b)箔式;(c)用于扭矩测量;(d)用于流体压力测量
3.1 测力传感器 3. 应变片的材料 4. 应变片的粘贴工艺
粘贴工艺包括应变片的质量检查和阻值检查、试件表面处 理、定位划线、粘贴应变片、干燥固化、引线焊接、固定以 及防护与屏蔽处理等。
5. 应变片的工作特性及参数 1)灵敏系数
1)自补偿法
利用应变片的敏感栅材料及制造工艺等措施,使
t S(1 2 )
焊点
Ra Rb Ra Rb Ra
1
R3
3 RB Uo 4 5 U
R4
2 R b
1
2 3
图(a)中两段敏感栅Ra 和Rb的电阻温度系数相反串联接电桥。 图(b)中两段敏感栅Ra 和Rb的电阻温度系数相同接电桥相邻臂。
3.1 测力传感器
2)电桥补偿法
试件 F 补偿块 2
Uo R3
F
R1 R2
R1
R2
1
3
R4
R1 R2
F
4 U
补偿应变片R2和工作应变片 R1完全相同 。将R2和 R1接在
电桥的相邻桥臂,既起到温度补偿作用,又提高电桥灵敏度。
3.1 测力传感器
五、 测量电桥
1. 直流不平衡电桥的工作原理
IL U R1 R4 R2 R3 RL ( R1 R2 )( R3 R4 ) R1 R2 ( R3 R4 ) R3 R4 ( R1 R2 )
3.1 测力传感器
R
R
(1 2 L E )
R / R
电阻丝的灵敏系数: S0
对于金属电阻应变片,在外力作用下电阻率基本不变
(不同于半导体应变片):
R
R
(1 2 )
S0 1 2 1.4 ~ 1.8 2 (由实验确定)
应变计
3.1 测力传感器 二、 金属电阻应变片
uo
Z3
4
u
Z4
Z1 Z4 Z2 Z3
1 4 2 3
3.1 测力传感器
对于应变片构成的交流电桥,即使桥臂为电阻应变片,但 由于引线间存在分布电容,相当在桥臂上并联了一个电容, 桥臂上的复阻抗分别为:
1 Z1 R1 / / j C1
C1
1
R3
2
C2
R1
R2
1 Z 2 R2 / / j C 2
3.1 测力传感器 电桥加减特性的应用——提高灵敏度:
R1
R2
M
R1
R2
U R Uo ( )M 2 R
3.1 测力传感器 电桥加减特性的应用——提高灵敏度:
M
R2
R1
R4 R3
R1 R3
R2 R4
Uo U (
R
R
)M
3.1 测力传感器 电桥加减特性的应用——消除干扰因素M:
R1
R3
R2 R4
M
F
R1 R4 R2 R3
(1 )U R Uo ( )F 2 R
3.1 测力传感器 3. 交流电桥原理及平衡条件
Z1 Z 4 Z 2 Z 3 uo u ( Z1 Z 2 )( Z 3 Z 4 )
2
*平衡条件:
Z1
1
Z2
3Fra Baidu bibliotek
Z1 Z4 Z 2 Z 3
2, 3, 4) Zi Zi e ji ( i 1,
4.掌握电容式和光电式扭矩传感器的工作原理及基本结构; 5.掌握电容式、电感式、涡流式压力传感器的工作原理及测量压 力的共同点; 6.掌握电阻应变式扭矩传感器中应变片在扭轴上的布置原则;
第三章 力、扭矩和压力传感器
3.1 测力传感器
测力传感器多为电气式。分为参量型和发电型两种。
参量型有电阻应变式、电容式、电感式等;
90%
3.1 测力传感器
2)假设试件内的应变波按正弦规律变化。设应变波的波长为 ,应变片两端点的坐标为 x1和x2 ,于是沿应变片基长 l 内测得的平均应变为:
p

x2 x1
m sin(2πx )dx
x2 x1
ε


2πl
m [cos(
30 20 10 0
2πx2

) cos(
L
L L r R 2 ( 2 ) L r r
3.1 测力传感器
R
L
L
2 R L r
L
r
式中:
—— 轴向相对变形(轴向应变);
r
r
—— 径向相对变形(径向应变,体积不变);
L L E
—— 电阻率相对变化。
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