1-3-力學(xué)量傳感器

1、,第三章 力學(xué)量傳感器,3.1 多維測力彈性體系統(tǒng)3.2 膜片壓力傳感器3.3 光纖壓力傳感器3.4 轉(zhuǎn)矩傳感器,力學(xué)量通常是指狹義力學(xué)量：力、力矩、應(yīng)力、壓力等物理量。力學(xué)量傳感器，又稱力敏傳感器，是應(yīng)用最廣泛的一類傳感器。力學(xué)量作用的結(jié)果使器件結(jié)構(gòu)尺寸變化，引起相關(guān)的電阻、電容、電感等電參量變化，構(gòu)成結(jié)構(gòu)型傳感器。 引起器件物理性能變化，如壓阻效應(yīng)、壓電效應(yīng)、壓磁效應(yīng)等，構(gòu)成物性型傳感器。,3.1 多維測力彈性體系

2、統(tǒng),傳統(tǒng)的應(yīng)變片式測力傳感器具有堅(jiān)固耐用、長期穩(wěn)定、成本低等優(yōu)點(diǎn)。如果把一個(gè)彈性體設(shè)計(jì)成不同的膜片、彈性梁及彈性筒的組合，各組成部分貼應(yīng)變片分別測不同方向、不同性質(zhì)的力，彈性體構(gòu)成一個(gè)測多個(gè)力的彈性元件組合體，稱作多維測力彈性體。再加上相關(guān)測量電路，就組成 一個(gè)多維測力彈性體系統(tǒng)。,3.1.1 雙量程動態(tài)測力彈性體系統(tǒng),雙量程測力傳感器可以在保證第一級大推力測量精度的同時(shí)，解決第二級小推力的測量問題，提高了其靈敏度和測量精度，使之達(dá)到

3、與第一級有同等的測量精度。一、結(jié)構(gòu) 在實(shí)際中，雙量程測力傳感器大都采用了輪輻式結(jié)構(gòu)，將彈性體串聯(lián)成一體的復(fù)合彈性體，分別用于測量小力值和大力值。 其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊、合理可靠；高度小，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好；有過載保護(hù)等 。,雙量程測力傳感器結(jié)構(gòu),3.1.1 雙量程動態(tài)測力彈性體系統(tǒng),3.1.1 雙量程動態(tài)測力彈性體系統(tǒng),這種復(fù)合結(jié)構(gòu)傳感器適用于大力值測量，又能保證在小力值范圍內(nèi)具有足夠的靈敏度。 當(dāng)FF2時(shí)，空

4、隙δ1=0，小量程段電橋滿輸出，而δ2≠0，大量程段電橋輸出有效，對應(yīng)為大力值測量。 當(dāng)F>F1時(shí)，空隙δ2=0，達(dá)到過載保護(hù)狀態(tài)。 兩組輪輻上，應(yīng)變片粘貼方式一致(都受拉應(yīng)力)，分別由四片電阻應(yīng)變片組成全電橋電路。,3.1.1 雙量程動態(tài)測力彈性體系統(tǒng),二、動態(tài)數(shù)學(xué)模型 　　　　　　　　　　　　 從動力學(xué)觀點(diǎn)來看，串聯(lián)結(jié)構(gòu)的應(yīng)變片式測力傳感器的

5、彈性結(jié)構(gòu)部分可以抽象為二自由度的振動系統(tǒng)。假定傳感器安置于完全理想剛性的基體上，則傳感器可等效為串聯(lián)的二階彈簧—質(zhì)量—阻尼（kmc）系統(tǒng)。　　當(dāng)測量大力值時(shí)，δ1=0壓頭和彈性體成為一體，可簡化成只有一個(gè)質(zhì)量塊的單自由度系統(tǒng)。系統(tǒng)的幅頻特性和相頻特性與一般的二階系統(tǒng)的特性完全相同。,,3.1.1 雙量程動態(tài)測力彈性體系統(tǒng),高量程時(shí)傳感器的力學(xué)模型圖,3.1.1 雙量程動態(tài)測力彈性體系統(tǒng),當(dāng)測量小量程時(shí)，δ1≠0，測小力值和大力值的兩彈

6、性體都是受力的，應(yīng)簡化成有兩個(gè)質(zhì)量塊的二自由度系統(tǒng)。串聯(lián)二自由度測力傳感器的力學(xué)模型及受力分析如圖所示，圖中，f(t)為外界向系統(tǒng)實(shí)施的激勵(lì)力，m1、m2分別為兩個(gè)質(zhì)量體的集中質(zhì)量，k1、k2分別為兩個(gè)彈性體的剛度，c1、c2分別為兩個(gè)自由度結(jié)構(gòu)的阻尼系數(shù)。,,3.1.1 雙量程動態(tài)測力彈性體系統(tǒng),k1,c1,m1,,f(t),y1,y2,c2,,k2,,m2,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,

7、,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,m2,,,,,,,,,,,,,,,,,m1,,,,,f(t),,,串聯(lián)二自由度測力傳感器模型及受力分析,3.1.1 雙量程動態(tài)測力彈性體系統(tǒng),于是可以根據(jù)系統(tǒng)受力分析，列寫出描述二自由度系統(tǒng)輸入-輸出關(guān)系的微分方程組：,,,3.1.1 雙量程動態(tài)測力彈性體系統(tǒng),現(xiàn)設(shè)x1、x2、x3、x4為狀態(tài)變量，于是有：,,3.1.1 雙量程動態(tài)測力彈性體系統(tǒng),可寫出狀態(tài)方程：,,3.1.1 雙量

8、程動態(tài)測力彈性體系統(tǒng),現(xiàn)對上式進(jìn)行拉氏變換，當(dāng)初始狀態(tài)為零時(shí)，有：,,3.1.1 雙量程動態(tài)測力彈性體系統(tǒng),由上式可解出，當(dāng)激勵(lì)F(s)存在時(shí)，其兩個(gè)質(zhì)量塊的位移輸出Y1(s)、Y2(s)的傳遞函數(shù)為：,,,其中：,3.1.1雙量程動態(tài)測力彈性體系統(tǒng),這種串聯(lián)式復(fù)合彈性體結(jié)構(gòu)緊湊合理，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好，有過載保護(hù)，可用于測量壓縮力、推力、拉力及制動轉(zhuǎn)矩和拖曳轉(zhuǎn)矩。系統(tǒng)的線性度、遲滯、重復(fù)性均小于滿量程的千分之一。,3.1.3 六維測力彈性體

9、系統(tǒng),目前六維測力彈性體的結(jié)構(gòu)主要有以下四類：三垂直筋結(jié)構(gòu) 筒形結(jié)構(gòu)十字交叉梁式結(jié)構(gòu)組合式彈性體結(jié)構(gòu),三垂直筋結(jié)構(gòu),上下分別為兩個(gè)圓環(huán)，中間由筋相連，這類彈性體結(jié)構(gòu)簡單，承載能力強(qiáng)，抗沖擊力強(qiáng)。主要缺點(diǎn)是測量沿垂直筋方向力的靈敏度低，應(yīng)用受到限制。在垂直筋內(nèi)表面貼應(yīng)變片測拉壓應(yīng)力，在垂直筋外表面貼應(yīng)變片測剪切應(yīng)力。,筒形結(jié)構(gòu),在一個(gè)圓柱整體上加工出兩層豎筋，相當(dāng)兩個(gè)四垂直筋結(jié)構(gòu)疊層組合。彈性體敏感部分位于上圓環(huán)（橫梁）和下層

10、豎筋（豎梁），在八個(gè)變形處的對稱表面貼有八組應(yīng)變片，組成八組輸出電橋。該結(jié)構(gòu)線性度好，重復(fù)性好，遲滯小，有溫度補(bǔ)償作用，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜不易加工，高度方向尺寸大，剛度低。,十字交叉梁式結(jié)構(gòu),彈性體敏感部分是十字梁的四個(gè)臂，每個(gè)臂的四面均貼有應(yīng)變片。彈性體為鋁合金總體式結(jié)構(gòu)，外形尺寸較大，對外機(jī)械連接麻煩?？梢詽M足各分力和分力矩的一定靈敏度要求，各維力間干擾可控制在一定范圍內(nèi)。十字梁外端由薄片支撐，超載能力低，動態(tài)響應(yīng)特性不易提高。,組合

11、式彈性體結(jié)構(gòu),六維測力（矩）彈性體是組合式結(jié)構(gòu)，分上下兩個(gè)組件。上部組件是中空正方形薄壁筒，四個(gè)側(cè)面貼有應(yīng)變片4和4?，5和5?。當(dāng)薄壁筒有微應(yīng)變時(shí)，應(yīng)變片能測出作用力矩。,,3.2 膜片壓力傳感器,3.2.1 薄膜應(yīng)變片傳統(tǒng)的應(yīng)變片是采用金屬絲粘貼或硅擴(kuò)散的方法來制作敏感柵，價(jià)格便宜、結(jié)構(gòu)簡單、使用方便，因此成為電阻應(yīng)變片傳感器中十分廣泛的力敏器件。但是粘貼式應(yīng)變片的敏感層與基片之間的傳遞性能不好，存在蠕變、機(jī)械滯后、零漂等不足，

12、影響了它的測量精度。,3.2.1 薄膜應(yīng)變片,薄膜應(yīng)變片的穩(wěn)定性是指蠕變和零漂的大小。蠕變和零漂是難以補(bǔ)償?shù)恼`差。 蠕變：在恒定的溫度條件下，一恒定的負(fù)載施加到薄膜應(yīng)變片上，應(yīng)變片的電阻隨時(shí)間發(fā)生單方向變化的現(xiàn)象。 零漂：在負(fù)載為零的情況下，應(yīng)變片的電阻隨時(shí)間發(fā)生單方向變化的現(xiàn)象。,3.2.1 薄膜應(yīng)變片,薄膜應(yīng)變片采用濺射或蒸發(fā)的方法，將半導(dǎo)體或金屬敏感材料直接鍍制于彈性基片上。相對于金屬粘貼式應(yīng)變片而言，薄膜應(yīng)

13、變片的應(yīng)變傳遞性能極大地得到改善。幾乎無蠕變，并且具有穩(wěn)定性好、可靠性高、尺寸小等優(yōu)點(diǎn)，是一種很有發(fā)展前途的力敏傳感器。,3.2.1 薄膜應(yīng)變片,優(yōu)點(diǎn)： 1）穩(wěn)定性好。薄膜應(yīng)變片的蠕變和滯后低，例如：濺射合金薄膜應(yīng)變片在溫度高達(dá)230℃時(shí)蠕變和滯后低于0.1％，而金屬絲和粘貼式應(yīng)變片在100℃以上的溫度下，由于粘結(jié)材料的性能，使得蠕變和滯后十分嚴(yán)重。,3.2.1 薄膜應(yīng)變片,2）使用壽命長。能承受106次以上的重復(fù)加載，工

14、作仍十分正常。3）靈敏度高。半導(dǎo)體Ge、Si薄膜應(yīng)變片的阻值較大，靈敏系數(shù)一般在30以上。 4）溫度系數(shù)小。Ge、Si薄膜應(yīng)變片的溫度系數(shù)約為10-5℃-1數(shù)量級，多層結(jié)構(gòu)的濺射薄膜應(yīng)變片的溫度系數(shù)約為0.018％℃-1。,3.2.1 薄膜應(yīng)變片,5）工作溫度范圍寬。多層結(jié)構(gòu)的濺射薄膜應(yīng)變片的工作溫度達(dá)-100℃～180℃。 6）量程大。薄膜應(yīng)變片具有較大的量程，例如多層結(jié)構(gòu)的濺射薄膜應(yīng)變式傳感器的量程可從0.02N到30kN。

15、7）成本低。由于薄膜應(yīng)變片的制造工藝簡單、成品合格率高，因此成本較低。,結(jié)構(gòu)：基片－絕緣層－敏感層?；酁閷?dǎo)電的金屬彈性材料；中間沉積一層絕緣介質(zhì)，如Si3N4薄膜或雙層Ta2O5+SiO2介質(zhì)膜；,3.2.1 薄膜應(yīng)變片,在絕緣層上沉積一層半導(dǎo)體或金屬敏感膜作為敏感層。在敏感膜局部做出金屬內(nèi)引線層（Al薄膜），然后用光刻工藝在敏感層制成敏感柵和內(nèi)引線圖案，內(nèi)引線將各敏感柵連成電橋，并用外引線引出。,薄膜應(yīng)變片測量應(yīng)變的機(jī)理利用

16、的是敏感材料的壓阻效應(yīng)。在應(yīng)變的作用下:一方面，材料發(fā)生幾何形變引起材料的電阻發(fā)生變化；另一方面，因材料晶格的變形等因素引起材料的電子自由程度發(fā)生變化，導(dǎo)致材料的電阻率變化，從而使材料的電阻發(fā)生變化。,3.2.1 薄膜應(yīng)變片,薄膜應(yīng)變片的敏感薄膜是器件的關(guān)鍵部分，制作敏感薄膜的工藝有濺射、蒸發(fā)、沉積等。由于濺射的分子具有很大的能量，不像蒸發(fā)只是凝結(jié)在表面，故附著力強(qiáng)，膜的性能好。 敏感層的材料各有不同，合金薄膜應(yīng)變片使用的是

17、金屬合金，如Ni－Cr，半導(dǎo)體薄膜應(yīng)變片的敏感材料則是Ge,Si。,3.2.1 薄膜應(yīng)變片,3.2.2 E形膜片,周邊固定的圓形平膜片（硅杯），在設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，假設(shè)平膜片最大撓度　　　?。て穸龋?，因而采用小撓度理論；同時(shí)假設(shè)壓力均勻作用于平膜片表面。實(shí)際中在考慮膜片彎曲同時(shí)，也要考慮中心面拉伸影響。針對平膜片因大撓度所產(chǎn)生的非線性誤差問題，可以在平膜片（硅杯）中心制作一個(gè)硬中心，因硅杯成“E”字型，稱作E形膜片。,,E形膜片的硬中心

18、將均布壓力轉(zhuǎn)換為集中力，在小位移下易產(chǎn)生較高應(yīng)力。相對平膜片，增加了有效面積，在膜片應(yīng)變式壓力傳感器中有廣泛應(yīng)用。,3.2.2 E形膜片,圖為E形膜片的應(yīng)力分布，最大彎曲應(yīng)力在r=R和r=r0膜片上表層處，計(jì)算公式為,,3.2.2 E形膜片,E形膜片改善了平膜片因大撓度帶來的非線性誤差問題。常采用E形膜片作為差壓傳感器的敏感器件，差壓傳感器不同于壓力傳感器，所測差壓值（壓差）比較小，而在膜片兩側(cè)有很高的靜壓值，要有過壓保護(hù)裝置。,3.

19、2.2 E形膜片,3.3 壓電式壓力傳感器,自學(xué),3.4 光纖壓力傳感器,在光通信系統(tǒng)中，光纖用作遠(yuǎn)距離傳輸光波信號的載體。光纖傳感技術(shù)是隨光通信技術(shù)發(fā)展逐步形成的。 與其他類型的傳感器相比，光纖傳感器有靈敏度高、抗電磁干擾、耐腐蝕、電絕緣性好、光路可彎曲等優(yōu)點(diǎn)，而且易于聯(lián)接計(jì)算機(jī)、結(jié)構(gòu)簡單、體積小、耗電少。,3.4.1 光纖基礎(chǔ)知識,1.光纖的結(jié)構(gòu) 光纖是用光透射率高的電介質(zhì)(如石英、玻璃、塑料等)

20、構(gòu)成的光通路。 光纖由折射率n1較大(光密介質(zhì))的纖芯，和折射率n2較小(光疏介質(zhì))的包層構(gòu)成的雙層同心圓柱結(jié)構(gòu)。,光纖的基本結(jié)構(gòu)與波導(dǎo),2.光纖的種類     按纖芯和包層材料性質(zhì)分類：石英光纖塑料光纖液芯光纖多組分光纖,3.4.1 光纖基礎(chǔ)知識,2.光纖的種類 按折射率分：階躍型光纖漸變型光纖W型光纖,3.4.1 光纖基礎(chǔ)知識,按光纖的傳播模式來分：多模光

21、纖單模光纖光纖傳輸?shù)墓獠?，可以分解為沿縱軸向傳播和沿橫切向傳播的兩種平面波成分。后者纖芯和包層的界面上會產(chǎn)生全反射。當(dāng)它在橫切向往返一次的相位變化為2π的整數(shù)倍時(shí)，將形成駐波。形成駐波的光線組稱為模；它是離散存在的，亦即某種光纖只能傳輸特定模數(shù)的光。通常纖芯直徑較粗時(shí)，能傳播幾百個(gè)以上的模，二纖芯很細(xì)時(shí)，只能傳播一個(gè)模。前者稱為多模光纖，多用于非功能型(NF)光纖傳感器；后者是單模光纖，多用于功能型(FF)光纖傳感器。,3.4.1

22、 光纖基礎(chǔ)知識,3.傳光原理 光的全反射現(xiàn)象是研究光纖傳光原理的基礎(chǔ)。根據(jù)幾何光學(xué)原理，當(dāng)光線以較小的入射角θ1由光密介質(zhì)1射向光疏介質(zhì)2(即n1＞n2)時(shí)，則一部分入射光將以折射角θ2折射入介質(zhì)2，其余部分仍以θ1反射回介質(zhì)1。,光在兩介質(zhì)界面上的折射和反射,3.4.1 光纖基礎(chǔ)知識,4.光纖的特性 信號通過光纖時(shí)的損耗和色散是光纖的主要特性。 (自學(xué)）,3.4.1 光纖基礎(chǔ)知識,5. 光纖傳感器的工作原理

23、及組成1）工作原理 光傳輸過程中，外界因素（壓力、溫度、振動、電磁場等）對光纖的作用，會引起光纖光波特征參量(如光強(qiáng)、相位、頻率、偏振及波長)的變化。如果能測出光波特征參量的變化，就可得到導(dǎo)致光波參數(shù)變化的被測量的大小。,3.4.1 光纖基礎(chǔ)知識,2） 光纖傳感器的分類（1）按照光纖在傳感器中的作用可分為： 功能型：光纖既起傳光作用，又起測量敏感元件作用。它是利用光纖本身對外界被測對象具有敏感能力和檢測功能這一

24、特性開發(fā)而成的傳感器。光纖不但起到傳光作用，而且在被測對象作用下，諸如光強(qiáng)、相位、偏振態(tài)等光學(xué)特性得到了調(diào)制，空載波變?yōu)檎{(diào)制波，攜帶了被測對象的信息。,3.4.1 光纖基礎(chǔ)知識,,信號處理,光接收器,,光纖敏感元件,光發(fā)送器,,,,,,,,3.4.1 光纖基礎(chǔ)知識,非功能型：只起傳光作用，入射出射光纖之間另有敏感元件。光纖只當(dāng)作傳播光的媒介，對待測對象的調(diào)制功能是依仗其它物理性質(zhì)的光轉(zhuǎn)換敏感元件來實(shí)現(xiàn)的。入射光纖和出射光纖之間插有敏感

25、元件，傳感器中的光纖是不連續(xù)的。,3.4.1 光纖基礎(chǔ)知識,（2）按光纖被調(diào)制的原理分類。 光纖的光波用方程描述為 式中，E0為光波振幅；ω為頻率；　為初相角。式中包含五個(gè)參數(shù)——光強(qiáng) ，頻率ω ，波長、　　　相位和偏振態(tài)。被測量在敏感頭（調(diào)制器）內(nèi)與光發(fā)生相互作用，結(jié)果改變上述五個(gè)參數(shù)之一，如改變光強(qiáng)，就稱作強(qiáng)度調(diào)制光纖傳感器，依次類推，因此就有五種調(diào)制型光纖傳感器。,,,

26、,,,3.4.1 光纖基礎(chǔ)知識,3）光纖傳感器的組成 光纖傳感器由光源、光纖耦合器、光纖、光探測器等幾個(gè)基本部分組成。光源：光源是光纖傳感器中的重要器件。相干光源：各種激光器。非相干光源：白熾光，發(fā)光二極管。,3.4.1 光纖基礎(chǔ)知識,光纖耦合器：常有必要將光源射出的光束分別耦合進(jìn)兩根以上光纖。同理，也有必要將兩束光纖的出射光同時(shí)耦合給探測器，它也借助光纖耦合器完成。這種分束及耦合過程一般采用光纖耦合器完成。直接耦合

27、透鏡耦合,3.4.1 光纖基礎(chǔ)知識,光探測器：在光纖傳感器中．光探測器占有極為重要的地位，它的作用是把傳送到接收端的光信號轉(zhuǎn)換成電信號，即將電信號“解調(diào)”出來，然后進(jìn)行進(jìn)一步的放大和處理。光探測器的作用是將光信號變成電信號。常用的光探測器有光敏二極管、光敏三極管、光電倍增管等。,3.4.1 光纖基礎(chǔ)知識,3.4.2全內(nèi)反射光纖壓力傳感器,兩根光纖由一個(gè)直角棱鏡連接，棱鏡斜面與膜片之間有很小氣隙。適用動態(tài)壓力測量。,無壓力作用時(shí)，膜

28、片沒有變形，膜片與光纖間保持較大的初始?xì)庀叮て庹彰孑^大，反射到接收光纖的光強(qiáng)較大，光電探測器輸出的光電信號也較大。,3.4.2全內(nèi)反射光纖壓力傳感器,膜片受壓力作用要向內(nèi)側(cè)撓曲，使光纖與膜片間氣隙減小，因此發(fā)送光纖在膜片內(nèi)表面的光照面積也縮小，致使反射回接收光纖的光強(qiáng)減小。光電探測器輸出隨之減小。傳感器的輸出信號只與光纖和膜片之間的距離以及膜片的形狀有關(guān)。,,,3.4.2全內(nèi)反射光纖壓力傳感器,,,,3.4.3 全光纖干涉壓力傳感器

29、,從氦氖激光器發(fā)出一束相干光束，經(jīng)前端3dB耦合器代替分束器在空氣中分光，避免了非待測場的干擾影響。分光后，一束光進(jìn)入測量光纖臂，另一束光進(jìn)入?yún)⒖脊饫w臂。壓力變化引起測量光纖臂光程變化。在后端3dB耦合器，兩束光產(chǎn)生干涉，干涉條紋變化是兩束光相位差引起的。,為克服空氣受環(huán)境條件影響所導(dǎo)致空氣光程的變化，以光纖光程代替空氣光程，光波傳輸路程全部在光纖內(nèi)部完成。這種壓力傳感器的靈敏度極高，尤其適于微小聲壓測量，在測量空間尺寸受限場合應(yīng)用更

30、是優(yōu)越。,3.4.3 全光纖干涉壓力傳感器,3.4.4偏振調(diào)制壓力傳感器,各向同性的介質(zhì)材料，在外(壓)力作用下會呈現(xiàn)各向異性的光學(xué)特性——光彈效應(yīng)，又稱應(yīng)力雙折射效應(yīng)。光彈效應(yīng)是一種使傳輸光產(chǎn)生線性雙折射的偏振效應(yīng)。（透明）平面物體受到應(yīng)力作用時(shí)，物體各點(diǎn)都有兩個(gè)主應(yīng)力分量，光入射到這一透明物體時(shí)，將形成兩束線性偏振光，而且兩個(gè)光矢量分別沿兩個(gè)主應(yīng)力方向傳播。其折射率之差與主應(yīng)力之差成正比。,晶體在受壓后其折射率發(fā)生變化，呈現(xiàn)雙折射

31、的現(xiàn)象稱為光彈效應(yīng)。,(b)傳感器結(jié)構(gòu),1,,,,,,,,,,,2,3,4,5,P,(a)檢測原理,,,,,,,,,,,,,,,,,,,P,6,,7,,2,,3,,4,,5,,1 光源 2 起偏器 3 1/4波長板 4 光彈性元件 5 檢偏器 6 光纖 7 自聚焦透鏡,,,偏振光,線偏振光,橢圓偏振光,3.4.4偏振調(diào)制壓力傳感器,發(fā)自LED的入射光經(jīng)起偏器后成為直線偏振光。當(dāng)有與入射光偏振方向呈45

32、º的壓力作用于晶體時(shí)，使晶體呈雙折射，從而使出射光成為橢圓偏振光，由檢偏器檢測出與入射光偏振方向相垂直方向上的光強(qiáng)，即可測出壓力的變化。其中1/4波長板用于提供一偏置，使系統(tǒng)獲得最大靈敏度。靈敏度偏低。靜態(tài)和動態(tài)檢測。,3.4.4偏振調(diào)制壓力傳感器,3.5 轉(zhuǎn)矩傳感器,轉(zhuǎn)矩的定義及單位 使機(jī)械元件轉(zhuǎn)動的力矩或力偶稱為轉(zhuǎn)動力矩，簡稱轉(zhuǎn)矩。機(jī)械元件在轉(zhuǎn)矩作用下都會產(chǎn)生一定程度的扭轉(zhuǎn)變形，故轉(zhuǎn)矩有時(shí)又稱為扭矩。

33、 力矩是由一個(gè)不通過旋轉(zhuǎn)中心的力對物體形成的，而力偶是一對大小相等、方向相反的平行力對物體的作用。所以轉(zhuǎn)矩等于力與力臂或力偶臂的乘積，在國際單位制(SI)中，轉(zhuǎn)矩的計(jì)量單位為牛頓·米(N·m) ，工程技術(shù)中也曾用過公斤力·米等作為轉(zhuǎn)矩的計(jì)量單位。,轉(zhuǎn)矩是各種工作機(jī)械傳動軸的基本載荷形式，與動力機(jī)械的工作能力、能源消耗、效率、運(yùn)轉(zhuǎn)壽命及安全性能等因素緊密聯(lián)系，轉(zhuǎn)矩的測量對傳動軸載荷的確定與控制、傳動

34、系統(tǒng)工作零件的強(qiáng)度設(shè)計(jì)以及原動機(jī)容量的選擇等都具有重要的意義。,3.5 轉(zhuǎn)矩傳感器,在沿軸向±45?方向上分別粘貼有四個(gè)應(yīng)變片，感受軸的最大正、負(fù)應(yīng)變，將其組成全橋電路，則可輸出與轉(zhuǎn)矩M成正比的電壓信號。,（1） 應(yīng)變式轉(zhuǎn)矩測量,應(yīng)變式轉(zhuǎn)矩傳感器結(jié)構(gòu)簡單，精度較高。貼在轉(zhuǎn)軸上的電阻應(yīng)變片與測量電路一般通過集流環(huán)連接。集流環(huán)有電刷-滑環(huán)式、水銀式和感應(yīng)式等。集流環(huán)存在觸點(diǎn)磨損和信號不穩(wěn)定等問題，不適于測量高速轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)矩。近年

35、來，已研制出遙測應(yīng)變式轉(zhuǎn)矩儀，它在上述應(yīng)變電橋后，將輸出電壓用無線發(fā)射的方式傳輸，有效地解決了上述問題。,（1） 應(yīng)變式轉(zhuǎn)矩測量,鐵磁材料制成的轉(zhuǎn)軸，具有壓磁效應(yīng)，在受轉(zhuǎn)矩作用后，沿拉應(yīng)力方向磁阻減小，沿壓應(yīng)力方向磁阻增大。,（2）壓磁式轉(zhuǎn)矩傳感器,（2）壓磁式轉(zhuǎn)矩傳感器,在轉(zhuǎn)軸附近相互垂直放置兩個(gè)鐵芯線圈A、B，使其開口端與被測轉(zhuǎn)軸保持1～2mm的間隙，從而由導(dǎo)磁的軸將磁路閉合。AA沿軸向，BB垂直于軸向。在鐵芯線圈A中通以50 H

36、z的交流電，形成交變磁場。,轉(zhuǎn)軸未受轉(zhuǎn)矩作用時(shí)，其各向磁阻相同，BB方向正好處于磁力線的等位中心線上，因而鐵芯B上的繞組不會產(chǎn)生感應(yīng)電勢。當(dāng)轉(zhuǎn)軸受轉(zhuǎn)矩作用時(shí)，其表面上出現(xiàn)各向異性磁阻特性，磁力線將重新分布，而不再對稱，因此在鐵芯B的線圈上產(chǎn)生感應(yīng)電勢。,（2）壓磁式轉(zhuǎn)矩傳感器,轉(zhuǎn)矩愈大，感應(yīng)電勢愈大，在一定范圍內(nèi)，感應(yīng)電勢與轉(zhuǎn)矩成線性關(guān)系。這樣就可通過測量感應(yīng)電勢e來測定軸上轉(zhuǎn)矩的大小。壓磁式轉(zhuǎn)矩傳感器是非接觸測量，使用方便，結(jié)構(gòu)簡

37、單可靠，基本上不受溫度影響和轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速限制，而且輸出電壓很高(可達(dá)10V)。,（2）壓磁式轉(zhuǎn)矩傳感器,根據(jù)材料力學(xué)，當(dāng)轉(zhuǎn)軸受轉(zhuǎn)矩作用時(shí)，其上兩截面間的相對扭轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)矩成比例，因此可以通過測量扭轉(zhuǎn)角來測量轉(zhuǎn)矩。根據(jù)這一原理，可以制成光電式、相位差式、振弦式轉(zhuǎn)矩傳感器等。,（3）扭轉(zhuǎn)角式轉(zhuǎn)矩測量,（3）扭轉(zhuǎn)角式轉(zhuǎn)矩測量－光電式轉(zhuǎn)矩傳感器,在轉(zhuǎn)軸上安裝兩個(gè)光柵圓盤，兩個(gè)光柵盤外側(cè)設(shè)有光源和光敏元件。無轉(zhuǎn)矩作用時(shí)，兩光柵的明暗條紋相互錯(cuò)開，完

38、全遮擋住光路，因此放置于光柵一側(cè)的光敏元件接收不到來自光柵盤另一側(cè)的光源的光信號，無電信號輸出。,當(dāng)有轉(zhuǎn)矩作用于轉(zhuǎn)軸上時(shí)，由于軸的扭轉(zhuǎn)變形，安裝光柵處的兩截面產(chǎn)生相對轉(zhuǎn)角，兩片光柵的暗條紋逐漸重合，部分光線透過兩光柵而照射到光敏元件上，從而輸出電信號。,（3）扭轉(zhuǎn)角式轉(zhuǎn)矩測量－磁電相位差式轉(zhuǎn)矩傳感器,在被測轉(zhuǎn)軸相距L的兩端處各安裝一個(gè)齒形轉(zhuǎn)輪，靠近轉(zhuǎn)輪沿徑向各放置一個(gè)感應(yīng)式脈沖發(fā)生器(在永久磁鐵上繞一固定線圈而成)。當(dāng)轉(zhuǎn)輪的齒頂對準(zhǔn)永

39、久磁鐵的磁極時(shí)，磁路氣隙減小，磁阻減小，磁通增大；當(dāng)轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)過半個(gè)齒距時(shí)，齒谷對準(zhǔn)磁極，氣隙增大，磁通減小，變化的磁通在感應(yīng)線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電勢。,無轉(zhuǎn)矩作用時(shí)，轉(zhuǎn)軸上安裝轉(zhuǎn)輪的兩處無相對角位移，兩個(gè)脈沖發(fā)生器的輸出信號相位相同。 當(dāng)有轉(zhuǎn)矩作用時(shí)，兩轉(zhuǎn)輪之間就產(chǎn)生相對角位移，兩個(gè)脈沖發(fā)生器的輸出感應(yīng)電勢出現(xiàn)與轉(zhuǎn)矩成比例的相位差。,（3）扭轉(zhuǎn)角式轉(zhuǎn)矩測量－磁電相位差式轉(zhuǎn)矩傳感器,（3）扭轉(zhuǎn)角式轉(zhuǎn)矩測量－振弦式轉(zhuǎn)矩傳感器,在被測