[學習]電阻應變式傳感器力及力矩測量

1、電阻應變式傳感器·力及力矩測量,本章內(nèi)容,2.1 電阻應變片的工作原理 2.2 電阻應變片的結(jié)構(gòu)、種類和材料 2.3 電阻應變片的主要參數(shù) 2.4 電阻應變片的選用 2.5 轉(zhuǎn) 換 電 路 2.6 電阻應變片的溫度誤差及其補償 2.7 電阻應變儀 2.8 測力基本知識及測力傳感器 2.9 力矩測量轉(zhuǎn)速及力矩傳感器,第2章 電阻應變式傳感器.力及力矩測量,,電阻應變式傳感器概述,工作原理：金屬絲

2、、箔、薄膜在外界應力 作用下電阻值變化的效應——電阻應變效應,結(jié)構(gòu)簡單，使用方便,可測力、壓力、位移、應變、加速度等物理量；,易于實現(xiàn)自動化、多點及遠距離測量、遙測；,靈敏度高，測量速度快，適合靜態(tài)、動態(tài)測量；,第2章 電阻應變式傳感器.力及力矩測量,,,第2章 電阻應變式傳感器.力及力矩測量,應變片用于各種電子衡器,磅秤,電子天平,第2章 電阻應變式傳感器.力及力矩測量,材料應變的測量,斜拉橋上的斜拉繩應變測試,第2章 電阻應變式傳

3、感器.力及力矩測量,汽車衡稱重系統(tǒng),第2章 電阻應變式傳感器.力及力矩測量,汽車衡,第2章 電阻應變式傳感器.力及力矩測量,2.1 電阻應變片的工作原理,——金屬的電阻－應變效應,金屬絲的電阻隨著它所受的機械變形的大小而發(fā)生相應的變化的現(xiàn)象稱為金屬的電阻應變效應。,金屬絲受拉時，l變長、r變小，導致R變大 。,Part A 電阻應變式傳感器,——金屬絲的軸向應變；,——金屬絲的徑向應變（ dS /S=2dr/r）,εx= -μ εY

4、 ； μ——泊松系數(shù)；(Poisson ratio),Part A 電阻應變式傳感器,式中：KS ——金屬絲的靈敏系數(shù)；(gage factor),令：,在金屬絲的彈性范圍內(nèi)，靈敏系數(shù)KS 為常數(shù)，即 ：,,線性關(guān)系,x通常很小，常用10-6表示之。例如，當? x為0.000001時，在工程中常表示為1?10-6或?m/m。在應變測量中，也常將之稱為微應變(με)。對金屬材料而言，當它受力之后所產(chǎn)生的軸向應變最好不要大于1?10-3

5、，即1000?m/m，否則有可能超過材料的極限強度而導致斷裂。,Part A 電阻應變式傳感器,2.2.1應變片的基本結(jié)構(gòu),2.2 電阻應變片的結(jié)構(gòu)、種類和材料,2.2.2應變片的種類,Part A 電阻應變式傳感器,1.金屬絲式應變片 (bonded metal-wire gage) 直徑在0.012～0.05mm的金屬絲；,2.金屬箔式應變片(bonded metal-foil gage)厚度在0.001～0.01mm

6、的金屬箔；,Part A 電阻應變式傳感器,箔式應變片中的箔柵是金屬箔通過光刻、腐蝕等工藝制成的。箔的材料多為電阻率高、熱穩(wěn)定性好的銅鎳合金。箔式應變片與片基的接觸面積大得多，散熱條件較好，在長時間測量時的蠕變較小，一致性較好，適合于大批量生產(chǎn)。還可以對金屬箔式應變片進行適當?shù)臒崽幚?，使其線脹系數(shù)、電阻溫度系數(shù)以及被粘貼的試件的線脹系數(shù)三者相互抵消，從而將溫度影響減小到最小的程度，目前廣泛用于各種應變式傳感器中。,3.金屬薄膜式應變片(

7、vacuum-deposited thin-metal-film gage, sputter- deposited thin-metal-film gage)厚度在0. 1μm以下的金屬箔；,Part A 電阻應變式傳感器,2.2.3 應變片的材料,1.敏感柵材料,對敏感柵的材料的要求：①應變靈敏系數(shù)大，并在所測應變范圍內(nèi)保持為常數(shù)；②電阻率高而穩(wěn)定，以

8、便于制造小柵長的應變片；③電阻溫度系數(shù)要??；④抗氧化能力高，耐腐蝕性能強；⑤在工作溫度范圍內(nèi)能保持足夠的抗拉強度；⑥加工性能良好,易于拉制成絲或軋壓成箔材；⑦易于焊接，對引線材料的熱電勢小。 常用材料有：康銅、鎳鉻合金、鐵鉻鋁合金、鐵鎳鉻合金、鉑、鉑鎢合金等，如下表。,Part A 電阻應變式傳感器,Part A 電阻應變式傳感器,基底用于保持敏感柵、引線的幾何形狀和相對位置，蓋片既保持敏感柵和引線的形狀和相對位置，還可保

9、護敏感柵?；椎娜L稱為基底長，其寬度稱為基底寬。 基底材料有紙基和膠基。膠基由環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂和聚酰亞胺等制成膠膜，厚度約0.03～0.05mm,2.基底材料,Part A 電阻應變式傳感器,Part A 電阻應變式傳感器,2.3電阻應變片的主要參數(shù),Part A 電阻應變式傳感器,2.絕緣電阻：指敏感柵與基底間的電阻值，要求>1010歐姆；,K為金屬應變片的靈敏系數(shù)。注意，K是在試件受一維應力作用，應變片的軸向與主應力方向

10、一致，且試件材料的泊松比為0.285的鋼材時測得的。測量結(jié)果表明，應變片的靈敏系數(shù)K恒小于線材的靈敏系數(shù)KS。原因：膠層傳遞變形失真，橫向效應也是一個不可忽視的因素。,Part A 電阻應變式傳感器,,4.機械滯后,應變片粘貼在被測試件上，當溫度恒定時，其加載特性與卸載特性不重合，即為機械滯后。產(chǎn)生原因：應變片在承受機械應變后，其內(nèi)部會產(chǎn)生殘余變形，使敏感柵電阻發(fā)生少量不可逆變化；在制造或粘貼應變片時，如果敏感柵受到不適當?shù)淖冃位蛘哒?/p>

11、結(jié)劑固化不充分。,機械滯后值還與應變片所承受的應變量有關(guān)，加載時的機械應變愈大，卸載時的滯后也愈大。所以，通常在實驗之前應將試件預先加、卸載若干次，以減少因機械滯后所產(chǎn)生的實驗誤差。,,,Part A 電阻應變式傳感器,對于粘貼好的應變片，當溫度恒定時，不承受應變時，其電阻值隨時間增加而變化的特性，稱為應變片的零點漂移。產(chǎn)生原因：敏感柵通電后的溫度效應；應變片的內(nèi)應力逐漸變化；粘結(jié)劑固化不充分等。,5.零漂和蠕變,如果在一定溫度下，使

12、應變片承受恒定的機械應變，其電阻值隨時間增加而變化的特性稱為蠕變。一般蠕變的方向與原應變量的方向相反。產(chǎn)生原因：由于膠層之間發(fā)生“滑動”，使力傳到敏感柵的應變量逐漸減少。,這是兩項衡量應變片特性對時間穩(wěn)定性的指標，在長時間測量中其意義更為突出。實際上，蠕變中包含零漂，它是一個特例。,Part A 電阻應變式傳感器,6.應變極限、疲勞壽命,在一定溫度下，應變片的指示應變對測試值的真實應變的相對誤差不超過規(guī)定范圍（一般為10%）時的最大真

13、實應變值。在圖中，真實應變是由于工作溫度變化或承受機械載荷，在被測試件內(nèi)產(chǎn)生應力(包括機械應力和熱應力)時所引起的表面應變。,主要因素：粘結(jié)劑和基底材料傳遞變形的性能及應變片的安裝質(zhì)量。制造與安裝應變片時，應選用抗剪強度較高的粘結(jié)劑和基底材料。基底和粘結(jié)劑的厚度不宜過大，并應經(jīng)過適當?shù)墓袒幚恚拍塬@得較高的應變極限。,Part A 電阻應變式傳感器,疲勞壽命指對已粘貼好的應變片，在恒定幅值的交變力作用下，可以連續(xù)工作而不產(chǎn)生疲勞損壞

14、的循環(huán)次數(shù)。,7.允許電流：靜態(tài)25mA,動態(tài)：75～100mA；,Part A 電阻應變式傳感器,而在圓弧的其他各微段上，其軸向感受的應變是由+εx變化到－εy的，因此圓弧段部分的電阻變化，顯然將小于其同樣長度沿軸向安放的金屬絲的電阻變化。由此可見，將直的金屬絲繞成敏感柵后，雖然長度相同，但應變狀態(tài)不同，應變片敏感柵的電阻變化較直的金屬絲小，因此靈敏系數(shù)有所降低，這種現(xiàn)象稱為應變片的橫向效應。,應變片的橫向效應表明，當實際使用應變片的

15、條件與標定靈敏度系數(shù)K時的條件不同時，由于橫向效應的影響，實際K值要改變，由此可能產(chǎn)生較大測量誤差。為了減小橫向效應的影響，一般多采用箔式應變片。,Part A 電阻應變式傳感器,9.動態(tài)響應特性,當被測應變值隨時間變化的頻率很高時，需考慮應變片的動態(tài)特性。因應變片基底和粘貼膠層很薄，構(gòu)件的應變波傳到應變片的時間很短(估計約0.2μs)，故只需考慮應變沿應變片軸向傳播時的動態(tài)響應。 設一頻率為 f 的正弦應變波在構(gòu)件中以速度 v 沿應

16、變片柵長方向傳播，在某一瞬時 t，應變量沿構(gòu)件分布如圖所示。,,Part A 電阻應變式傳感器,,設應變波的波長為λ，應變片的基長為l，其兩端的坐標為，,,應變片在其基長內(nèi)測得的平均應變最大值為:,故應變波幅測量誤差為,,,Part A 電阻應變式傳感器,由上式可見，相對誤差δ的大小只決定于 的比值，表中給出了為1/10和1/20時δ的數(shù)值。,Part A 電阻應變式傳感器,由表可知，應變片柵長與正弦應變波的波長之比愈小，相對誤差δ

17、愈小。當選中的應變片柵長為應變波長的（1/10-1/20）時，δ將小于2%。因為式中 υ——應變波在試件中的傳播速度；f——應變片的可測頻率。取 ，則若已知應變波在某材料內(nèi)傳播速度υ，由上式可計算出柵長為L的應變片粘貼在某種材料上的可測動態(tài)應變最高頻率。,Part A 電阻應變式傳感器,基長l0 （mm） 1 2 3 5

18、 10 15 20最高工作頻率（KHz) 250 125 83.3 50 25 16.6 12.5,下表為鋼材，v=5000m/s, ＝20的計算結(jié)果,Part A 電阻應變式傳感器,2.4 電阻應變片的應用,2.4.1應變片的選擇,應變片類型的選擇,根據(jù)應變測量的目的，被測試件的材料和應力狀態(tài)、測量精度選擇應變片的形式。,對于測試點主應力方向已知的一維應力測量，選用單軸絲式或箔式應變

19、片；,對于平面應變場主應力方向已知的二維應變測量，可以使用直角應變花，并使其中一條應變柵與主應力方向一致,Part A 電阻應變式傳感器,對于應變式傳感器，應變片的形式主要取決于彈性元件。對柱式、梁式、環(huán)式等彈性元件，它們工作時受拉/壓應力或彎曲應力，所以應變片均采用單軸應變片；對于輪輻式等利用剪應力測量的彈性元件，一般使用雙軸45°應變片。,如果應力方向未知就必須使用三柵或四柵的應變花,Part A 電阻應變式傳感器,3.阻

20、值的選擇,國家標準中規(guī)定的常溫應變片使用溫度為-30～+600℃，常溫應變片一般采用康銅制造；由于基底材料和粘接劑的限制，目前200～250℃的中溫箔式電阻應變片一般都使用卡瑪合金制作；工作溫度大于350℃的高溫應變片需訂做，常用金屬基底，使用時用點焊將應變片焊接在試件上。,依據(jù)測量電路或儀器選定應變片的標稱阻值。如配用電阻應變儀，常選用120Ω阻值。,Part A 電阻應變式傳感器,4.尺寸的選擇,測量時為提高靈敏度，常用較高的供橋電

21、壓，由于350Ω，500Ω等大阻值應變片具有通過電流小、自熱引起的溫升低、持續(xù)工作時間長、動態(tài)測量信噪比高等優(yōu)點，應用越來越廣,按照試件表面粗糙度、應力分布狀態(tài)、粘貼面積大小、應變波頻率等選擇尺寸。若被測試件材質(zhì)均勻、應力梯度大，則選用柵長小的應變片；對材質(zhì)不均勻而強度不等的材料(如混凝土)，或應力分布變化比較緩慢的構(gòu)件，應選用柵長大的應變片；對于沖擊載荷或高頻動荷作用下的應變測量，還要考慮應變片的動態(tài)響應特性。一般來說，應變片柵長越小

22、，測量頻率越高，越能正確反映出被測量點的真實應變。,Part A 電阻應變式傳感器,Part A 電阻應變式傳感器,1. 去污：采用手持砂輪工具除去構(gòu)件表面的油污、漆、銹斑等，并用細紗布交叉打磨出細紋以增加粘貼力 ，用浸有酒精或丙酮的紗布片或脫脂棉球擦洗。,,,2.4.2應變片的使用,Part A 電阻應變式傳感器,,,2.貼片：在應變片的表面和處理過的粘貼表面上，各涂一層均勻的粘貼膠 ，用鑷子將應變片放上去，并調(diào)好位置，然后蓋上塑料薄

23、膜，用手指揉和滾壓，排出下面的氣泡 。,Part A 電阻應變式傳感器,3.測量 ： 從分開的端子處，預先用萬用表測量應變片的電阻，發(fā)現(xiàn)端子折斷和壞的應變片。,,Part A 電阻應變式傳感器,4.焊接： 將引線和端子用烙鐵焊接起來，注意不要把端子扯斷。,,,Part A 電阻應變式傳感器,5.固定： 焊接后用膠布將引線和被測對象固定在一起，防止損壞引線和應變片。,,,Part A 電阻應變式傳感器,2.5 轉(zhuǎn)換電路,應變片

24、將應變的變化轉(zhuǎn)換成電阻相對變化ΔR/R，要把電阻的變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流的變化，才能用電測儀表進行測量。電阻應變片的測量線路多采用交流電橋(配交流放大器)，其原理和直流電橋相似。直流電橋比較簡單，因此首先分析直流電橋。,2.5.1恒壓源直流電橋,Part A 電阻應變式傳感器,如圖所示。電源E為恒壓源，其內(nèi)阻為零。根據(jù)電路學中的克?；舴蚨?，列出電路方程：,,,,,,,Part A 電阻應變式傳感器,式中 R0為負載電阻，因而其輸出電壓

25、U0為:,聯(lián)立求解上述方程，求出檢流計中流過的電流Io為:,當R1R4=R2R3時，I0=0，U0=0，即電橋處于平衡狀態(tài)。若電橋的負載電阻R0為無窮大，則B、D兩點可視為開路，上式可以化簡為:,Part A 電阻應變式傳感器,設R1為應變片的阻值，工作時R1有一增量ΔR1，當為拉伸應變時，ΔR1為正；壓縮應變時，ΔR1為負。在上式中以R1+ΔR1代替R1，則,(2-12),Part A 電阻應變式傳感器,由于ΔR1 <<

26、R1 ,略去(2-13)分母中的 ΔR1 /R1得：,定義橋臂比：,(2-14),Part A 電阻應變式傳感器,(2-15) 當dKU/dn=0時， dKU最大，此時n=1； 即R2=R1；R4= R3當n=1時，電橋為等臂電橋，其輸出電壓為：

27、 (2-16),定義電橋靈敏度：,Part A 電阻應變式傳感器,單臂直流電橋的非線性誤差如果不略去（2-13）式中分母的ΔR1 /R1項，則電橋?qū)嶋H輸出值為U0’，非線性誤差為： 當n=1時，,可見非線性誤

28、差與ΔR1/R1成正比。對金屬電阻應變片，ΔR非常小，電橋非線性誤差可以忽略。對半導體應變片，由于其靈敏度大，受應變時ΔR很大，非線性誤差將不可忽略，因此應采用差動電橋。,Part A 電阻應變式傳感器,差動電橋,,兩臂差動電橋的輸出電壓為：,,設初始時為R1=R2=R3=R4=R；則上式為,,Part A 電阻應變式傳感器,若采用四臂差動電橋（全橋），如圖，并設初始時R1=R2=R3=R4=R；工作時各個橋臂中電阻應變片電阻的變化為：

29、ΔR1、ΔR2、ΔR3、ΔR4；則電橋輸出為：,若ΔR1=ΔR4=－ΔR2=－ΔR3=ΔR，則有,Part A 電阻應變式傳感器,2.5.2恒流源電橋,設供電電流為I，當ΔR1=0時，且負載電阻很大，通過各臂的電流為,,輸出電壓為：,若電橋初始處于平衡狀態(tài)，且R1=R2=R3=R4=R；當R1變?yōu)镽+ΔR時，電橋輸出電壓為,Part A 電阻應變式傳感器,2.5.3交流電橋,交流載波放大器具有靈敏度高、穩(wěn)定性好、外界干擾和電源影響小及造

30、價低等優(yōu)點，但存在工作頻率上限較低、長導線時分布電容影響大等缺點。直流放大器工作頻帶寬，能解決分布電容問題，但它需配用精密穩(wěn)定電源供橋，造價較高。近年來隨著電子技術(shù)的發(fā)展，在數(shù)字應變儀、超動態(tài)應變儀中已逐漸采用直流放大形式的測量線路。,,1．交流電橋的平衡條件交流電橋電路如圖所示,輸出電壓為,平衡條件為：,Part A 電阻應變式傳感器,設各臂阻抗為:,式中，ri、xi為相應各橋臂的電阻和電抗，Zi和φi為復阻抗的模和幅角。,Pa

31、rt A 電阻應變式傳感器,2．交流電橋的平衡調(diào)節(jié),對于純電阻交流電橋，由于應變片連接導線的分布電容，相當于在應變片上并聯(lián)了一個電容，如圖，所以在調(diào)節(jié)平衡時，除使用電阻平衡裝置外，還要使用電容平衡裝置，,Part A 電阻應變式傳感器,2.6電阻應變片的溫度誤差及其補償 1.溫度誤差及其產(chǎn)生原因,用作測量應變的金屬應變片，希望其阻值僅隨應變變化，而不受其它因素的影響。實際上應變片的阻值受環(huán)境溫度(包括被測試件的溫度)影響很大。由于環(huán)

32、境溫度變化引起的電阻變化與試件應變所造成的電阻變化幾乎有相同的數(shù)量級，從而產(chǎn)生很大的測量誤差，稱為應變片的溫度誤差，又稱熱輸出。因環(huán)境溫度改變而引起電阻變化的兩個主要因素：應變片的電阻絲(敏感柵)具有一定溫度系數(shù)；電阻絲材料與測試材料的線膨脹系數(shù)不同。,Part A 電阻應變式傳感器,設環(huán)境引起的構(gòu)件溫度變化為Δt（℃）時，粘貼在試件表面的應變片敏感柵材料的電阻溫度系數(shù)為α ，則應變片產(chǎn)生的電阻相對變化為

33、 由于敏感柵材料和被測構(gòu)件材料兩者線膨脹系數(shù)不同，當Δt 存在時，引起應變片的附加應變，相應的電阻相對變化為 βg—試件材料線膨脹系數(shù)；βs—敏感柵材料線膨脹系數(shù)。,K——應變片靈敏系數(shù)。,,Part A 電阻應變式傳感器,溫度變化形成的總電阻相對變化： 相應的虛假應變?yōu)樯鲜綖閼兤迟N在試件表面上

34、，當試件不受外力作用，在溫度變化Δt 時，應變片的溫度效應。用應變形式表現(xiàn)出來，稱之為熱輸出。可見，應變片熱輸出的大小不僅與應變計敏感柵材料的性能(α,βs)有關(guān)，而且與被測試件材料的線膨脹系數(shù)(βg)有關(guān)。,,,Part A 電阻應變式傳感器,2.溫度誤差補償方法,（1）自補償法1）單絲自補償由前式知，若使應變片在溫度變化Δt時的熱輸出值為零，必須使每一種材料的被測試件，其線膨脹系數(shù)βg都為確定值，可以在有關(guān)的材料手冊中查到

35、。在選擇應變片時，若應變片的敏感柵是用單一的合金絲制成，并使其電阻溫度系數(shù)α和線膨脹系數(shù)βs 滿足上式的條件，即可實現(xiàn)溫度自補償。具有這種敏感柵的應變片稱為單絲自補償應變片。,單絲自補償應變片的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，制造和使用都比較方便，但它必須在具有一定線膨脹系數(shù)材料的試件上使用，否則不能達到溫度自補償?shù)哪康摹?,Part A 電阻應變式傳感器,如圖（a）,應變片由兩種不同電阻溫度系數(shù)（一種為正值，一種為負值）的材料串聯(lián)組成敏感柵，以達

36、到一定的溫度范圍內(nèi)在一定材料的試件上實現(xiàn),ΔR1t= –ΔR2t,,該方法補償效果可達±0.45με／℃。,2）雙絲組合式自補償,（a）,(b),溫度補償。這種應變片的自補償條件要求粘貼在某種試件上的兩段敏感柵，隨溫度變化而產(chǎn)生的電阻增量大小相等，符號相反，即,,組合式自補償應變片的另一種形式是用兩種同符號溫度系數(shù)的合金絲串接成敏感柵，在串接處焊出引線并接入電橋，如圖(b)。適當調(diào)節(jié)R1與R2的長度比和外接電阻RB的值，使之滿

37、足條件 即可滿足溫度自補償要求,Part A 電阻應變式傳感器,（2）橋路補償法,如圖，工作應變片R1安裝在被測試件上，另選一個特性與R1相同的補償片RB，安裝在材料與試件相同的補償件上，溫度與試件相同，但不承受應變。R1與RB接入電橋相鄰臂上。由于相同溫度變化造成R1和RB電阻變化相同，根據(jù)電橋理論可知，電橋輸出電壓與溫度變化無關(guān)。,在有些應用中，可以通過巧妙地安裝多

38、個應變片以達到溫度補償和提高測量靈敏度的雙重目的。如圖，在等強度懸臂梁的上下表面對應位置粘貼四片相同的應變片并接成差動全橋，當梁受壓力F時，R1和R2應變片受拉應變，電阻增加，而R3和R4應變片受壓應變，電阻減小，電橋輸出為單臂工作時的4倍。而溫度變化引起四片應變片的電阻變化相同，則電橋輸出不變。,Part A 電阻應變式傳感器,2.7 電阻應變儀,Part A 電阻應變式傳感器,Part B 力及力矩測量傳感器,2.8 測力基本知識及

39、測力傳感器,2.8.1 力的測量方法,（1）利用動力效應測力力的動力效應使物體產(chǎn)生加速度，由牛頓第二定律可知：當物體質(zhì)量確定后，該物體所受力和產(chǎn)生的加速度之間有確定對應關(guān)系，因此只需要測出物體的加速度，就可間接測得力。 （2）利用靜力效應測力由胡克定律可知：彈性物體在力的作用下產(chǎn)生變形時，若在彈性范圍內(nèi)，物體所產(chǎn)生的變形量與所受力值成正比，如果通過一定手段測出物體的彈性變形量，就可間接確定物體所受力的大小，電阻應變式測力傳感器就

40、屬于此類。另外也可利用與內(nèi)部應力相對應參量的物理效應來確定力值，如利用壓電效應、壓磁效應的測力傳感器。在機械工程中，大部分測力方法都是基于靜力效應。,利用電阻應變片制作的測力儀廣泛應用于靜態(tài)和動態(tài)測量中，是目前數(shù)量最多、種類最全的測力裝置，量程范圍為10-2 ~107N。 各類電阻應變式測力傳感器的工作原理相同：利用彈性元件將被測力轉(zhuǎn)換成應變，粘貼在彈性元件上的應變片將應變轉(zhuǎn)換為電阻變化，再由電橋電路轉(zhuǎn)換為電壓，經(jīng)放大處理后顯示被

41、測力的大小。 測力傳感器的優(yōu)劣除常規(guī)的靈敏度、精度、穩(wěn)定性指標外，還包括過載能力、抗側(cè)向能力大小等特殊要求。設計高精度測力傳感器的指導思想是追求良好的自然線性；提高傳感器的輸出靈敏度；使傳感器的抗側(cè)向能力高，結(jié)構(gòu)簡單并易于密封，加工容易等。,2.8.2 電阻應變式力傳感器,Part B 力及力矩測量傳感器,1．柱式力傳感器,柱式力傳感器的彈性元件分實心和空心兩種，如圖。其特點是結(jié)構(gòu)簡單，可承受較大載荷，最大可達107N，在測103

42、~105N載荷時，為提高變換靈敏度和抗橫向干擾，一般采用空心圓柱結(jié)構(gòu)。,,Part B 力及力矩測量傳感器,即：F/S<= [σb ] ；S=πd²/4得：,Part B 力及力矩測量傳感器,BLR—1型拉力傳感器,Part B 力及力矩測量傳感器,,,Part B 力及力矩測量傳感器,應變式荷重傳感器外形及受力位置,F,F,,,Part B 力及力矩測量傳感器,電子汽車衡,懸臂梁式：,等截面梁：,ε=6Fl0/Ebh

43、²,ε=6lF/Eb0h²,等強度梁：,2．梁式力傳感器,Part B 力及力矩測量傳感器,雙孔平行梁：,——抗彎斷面系數(shù),差動電橋輸出：,可見載荷的位置不影響輸出,載荷可以施加在任何位置，都可以,簡化為作用于梁端部的力F及一個力偶M,Part B 力及力矩測量傳感器,S型雙孔梁,差動電橋輸出：,——抗彎斷面系數(shù),Part B 力及力矩測量傳感器,應變式力傳感器,F,F,F,F,Part B 力及力矩測量傳感器,吊鉤

44、秤,便攜式,Part B 力及力矩測量傳感器,各種懸臂梁,,F,,F,,固定點,,固定點,,電纜,,,Part B 力及力矩測量傳感器,－－剪切彈性模量,梁長度的中間截面彎矩為零，中性層處是最大剪應變所在處，為此將電阻應變片安裝在該截面的中性層上，柵絲與中性層成45°方向，即最大正應變方向。,,,四片應變片接成全橋電路后，電橋輸出指示的應變與外力的關(guān)系為： 矩形截面梁： 工字形截面梁：,Part B

45、 力及力矩測量傳感器,輪輻式剪切力傳感器,Part B 力及力矩測量傳感器,【例】以國產(chǎn)BLR-1型拉力傳感器為例，設計一個滿量程為9.8 kN的拉力傳感器。傳感器彈性元件形狀如圖，材料選用40CrNiMo，材料的強度極限σb=1100 MPa，比例極限σp=800 MPa，材料彈性模量E=210 GPa，泊松系數(shù)μ=0.29。,解：1) 設計思路 常規(guī)柱式應變力傳感器的測量靈敏度應達到1～3

46、 mV/V，設計時以此為依據(jù)計算彈性元件的相關(guān)參數(shù)，再對彈性元件進行強度校核，直至同時滿足測量靈敏度和使用強度要求。,Part B 力及力矩測量傳感器,采用恒壓源電橋電路，布片及電橋如圖2.16所示，電橋的輸出表達式為,,即,,,取應變片靈敏系數(shù)K=2， ，代入上式計算得最大應變值為,,取,Part B 力及力矩測量傳感器,2) 彈性元件內(nèi)、外徑的計算根據(jù)拉伸時軸向應變、力F、面積S之間的關(guān)系：,,

47、,代入已知參數(shù)，計算彈性元件截面積為,,彈性元件的外徑d1不能選擇得太小，否則會由于力的偏心造成很大的誤差。這里選用外徑為d1=1.5 cm的空心管，面積計算公式為,,則內(nèi)徑d2為 ,保留一位小數(shù)d2=1.3 cm。,Part B 力及力矩測量傳感器,這樣空心管壁厚t=0.1 cm。3) 柱高h及其他尺寸的確定 為了防止彈性元件受壓時出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象，柱高h應當選得小些，

48、但又必須使應變片能夠反映截面應變的平均值，這里選用彈性元件工作段的長度為：h=2d1=3cm。,,由于壁很薄，還必須檢驗是否會出現(xiàn)局部失穩(wěn)。薄壁管的失穩(wěn)臨界應力計算如下：,Part B 力及力矩測量傳感器,校核在超過滿量程150%情況下，彈性元件截面中的應力大小如下：,,計算表明，受力超過滿量程150%時的應力還遠遠小于材料的比例極限和臨界應力，這表明該彈性元件不會出現(xiàn)彈性失穩(wěn)。另外彈性元件兩端有螺紋孔，以便連接拉力螺栓，螺孔設計為M1

49、4，查閱手冊可知它的許用載荷遠遠大于9.8 kN。,,4) 輸出量的計算根據(jù)彈性元件設計尺寸計算滿量程下的軸向應變?yōu)?Part B 力及力矩測量傳感器,對應電橋單位激勵電壓下的輸出為,,故知設計滿足靈敏度和強度要求。,Part B 力及力矩測量傳感器,,2.8.3 壓磁式力傳感器,磁壓式力傳感器的工作原理是基于鐵磁材料的壓磁效應。,Part B 力及力矩測量傳感器,85,壓磁式測力傳感器及測力儀電路框圖１—勵磁線圈?。?/p>

50、—測量線圈　３—鐵心?。础獜椥阅て怠休d頭?。丁B通孔,Part B 力及力矩測量傳感器,某些電介質(zhì)，當沿著一定方向?qū)ζ涫┝Χ顾冃螘r，內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時在它的一定表面上產(chǎn)生電荷，當外力去掉后，又重新恢復不帶電狀態(tài)的現(xiàn)象。當作用力方向改變時，電荷極性也隨著改變。輸出電壓的頻率與動態(tài)力的頻率相同；當動態(tài)力變?yōu)殪o態(tài)力時，電荷將由于表面漏電而很快泄漏、消失。,壓電效應(Piezoelectric-effect),2.8.4

51、壓電式測力傳感器,Part B 力及力矩測量傳感器,圖示為一種單向壓電式測力傳感器的結(jié)構(gòu)圖，它可用于機床動態(tài)切削力的測量。壓電晶片為零度x切石英晶片，尺寸為8×1 mm，上蓋為傳力元件，其變形壁的厚度為0.1～0.5 mm，由測力范圍決定，F(xiàn)max=5000N。絕緣套用來電氣絕緣和定位。,Part B 力及力矩測量傳感器,壓電式動態(tài)力傳感器以及在車床中用于動態(tài)切削力的測量,,,,Part B 力及力矩測量傳

52、感器,89,,2.9 力矩測量基本知識及力矩傳感器,2.9.1 力矩的測量方法力矩是力和力臂的乘積。在力矩作用下機械零部件會發(fā)生轉(zhuǎn)動或一定程度的扭曲變形，因此力矩也稱為轉(zhuǎn)矩或扭轉(zhuǎn)矩。力矩的法定計量單位為“牛頓米”（N·m）。 在測量扭矩的諸多方法中，最常用的是通過彈性軸在傳遞力矩時產(chǎn)生的變形、應變、應力來測量扭矩。常用的彈性軸如圖所示。,Part B 力及力矩測量傳感器,按彈性軸變形測量時：,把彈性軸聯(lián)接在驅(qū)動源和

53、負載之間，彈性軸就會產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)。在材料的彈性極限內(nèi)彈性軸的扭轉(zhuǎn)角與扭矩成線性關(guān)系：,,式中，φ為彈性軸的扭轉(zhuǎn)角（rad）；l為彈性軸的測量長度（m）；d為彈性軸的直徑（m）；M為扭矩（N·m）；G為彈性軸材料的切變模量（Pa）。,,,,,Part B 力及力矩測量傳感器,按彈性軸應力測量時： σ

54、——轉(zhuǎn)軸外表面的剪切應力。按彈性軸應變測量時：式中，ε45°、ε135°為轉(zhuǎn)軸外表面上與軸線成45°角或135°角的主應變。,Part B 力及力矩測量傳感器,92,2.9.2 電阻應變式扭距傳感器電阻應變式扭矩儀測量精度高達±（0.2~0.5）%，線性度可達0.05%，重復性達0.03%，測量范圍為5~50000N·m，在扭矩測量中應用較廣泛。但它的安裝要求高，且

55、易受溫度影響，在高轉(zhuǎn)速時測量誤差較大。,Part B 力及力矩測量傳感器,當測量小轉(zhuǎn)矩時，考慮到抗彎曲強度、臨界轉(zhuǎn)速、應變片尺寸及粘貼工藝等因素，多采用空心軸：,,大量程轉(zhuǎn)矩測量時一般采用實心方形截面彈性軸。對于正方形軸，應變與轉(zhuǎn)矩的關(guān)系為,,Part B 力及力矩測量傳感器,94,,Part B 力及力矩測量傳感器,95,,應變式扭矩儀工作原理圖,Part B 力及力矩測量傳感器,電刷—滑環(huán)集流裝置,端面電刷—滑環(huán)集流裝置1-套筒；

56、2絕緣環(huán)；11-滑環(huán)；4-電刷；5-簧片；6-外殼；7-軸承,Part B 力及力矩測量傳感器,感應式集流裝置,Part B 力及力矩測量傳感器,電感耦合應變式扭矩儀,電橋及應變信號傳輸理圖,Part B 力及力矩測量傳感器,2.9.3 其它類型的扭矩傳感器,轉(zhuǎn)軸受扭矩作用產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形后，軸上兩橫截面的相對扭轉(zhuǎn)角與扭矩成正比，若用磁電式或光電式傳感器提取信號，則信號相位差與扭轉(zhuǎn)角成正比，從而實現(xiàn)扭矩測量。,Part B 力及力矩測量傳感