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1、第二章力传感器第二章力传感器力是基本物理量之一，通过测量力，可以间接测量出荷重、加速度、气压等 物理量，在科学技术和生产生活中，把握这些物理量的准确数值具有重要意义， 故测量各种动态、静态力的大小是十分重要的。 例：图 2.1 是荷重传感器用于测量汽车质量（重量）的汽车衡的示意图。 这种汽车衡便于在称重现场和控制室让驾驶员和计量员同时了解测量结果。图 2.1 荷重传感器的应用力学量可分为几何学量、运动学量以及力学量三部分，其中几何学量指的 是位移、形变、尺寸等；运动学量是几何学量的时间函数，如速度、加速度等； 力学量包括质量、力、力矩、压力、应力等。力学传感器是将各种力学量转换 为电信号的器件
2、。 力学传感器的用途极广，它们在工农业生产、矿业、医学、国防、航空、 航天、交通运输等许多领域都得到了广泛的应用。力的测量需要通过力传感器 间接完成。图 2.2 为力传感器的测量示意框图。力敏感元件 转换元件 显示设备图 2.2 力传感器的测量示意图力传感器有许多种，从力电变换原理来看有电阻式（电位器式和应变片 式） 。电感式（自感式、互感式和涡流式） 、电容式、压电式、压磁式和压阻式 等，其中大多需要弹性敏感元件或其他敏感元件的转换。下面我们通过实训来 了解应变片的实际应用。2.1 半导体应变片单臂电桥实训半导体应变片单臂电桥实训一一 实训目的实训目的 1 观察了解应变片的结构及粘贴方式。2
3、 测试应变梁变形的应变输出,理解应变式传感器的应用和特性。半导体应变片单臂电桥实训原理图二二 电路原理电路原理 由于半导体材料的”压阻效应”特别明显,可以反映出很微小的形变,当电桥的 一个桥臂换成半导体应变片后,就构成单臂电桥,当相邻两桥臂换成受力方向相反 的应变片时,即可构成半桥。若应变片不受力时,4 个桥臂电阻构成的电桥在电位 计 WD 调节下能够达到平衡状态,即输出为零,若悬臂梁受力,则电桥输出不再为 零，且随受力的增加而增大。 三三 器材列表：器材列表： 名称型号数量电阻1k 0.25w4990k 0.25w210k 0.25w2电位器1k 0.25w（R4）1应变片HU-101 1k
4、1放大器INA1101万用表 92031导线直径 1mm若干直流稳压电源正负 15V1砝码1g 至 100g若干四四 实训步骤实训步骤 1 按图接线，电桥中 R1 为半导体应变片，其余电阻为固定电阻。 2 将差动放大器调零，将差动放大器的两端接地，增益调节适当，输出端 接地，调节零旋钮使输出为 0。 3 调节电桥平衡，悬臂梁不受力时，电压表读数应该为 0.若不为 0 时，调节继电器 WD 使电桥输出为 0。 4 放置砝码使动悬臂梁做向下的运动，以悬臂梁水平状态下的输出为零， 每次放置砝码都记录一个数据，填入一下表中。 5 用测出电压和质量值。画出 V_M 曲线，求出灵敏度。 五五 数据表格数据
5、表格 砝码质量 g输出电压 v六 灵敏度曲线图七七 注意事项注意事项1 注意用电安全。2 注意实验需要使用正负双电源。3 注意对应变片施加力量要稳定适度。4 为了减小干扰，电路引线尽量的短。 八八 完成实训报告完成实训报告2.2 弹性敏感元件弹性敏感元件2.2.1 弹性敏感元件的特性弹性敏感元件的特性2.2.2 弹性敏感元件的结构形式弹性敏感元件的结构形式2.3 电阻应变片传感器电阻应变片传感器2.3.1 电阻应变片的结构和工作原理电阻应变片的结构和工作原理2.3.2 电阻应变片的分类和粘贴方法电阻应变片的分类和粘贴方法2.3.3 电阻应变片的测量转换电路电阻应变片的测量转换电路2.4 压电式
6、传感器压电式传感器2.4.1 压电式传感器的工作原理压电式传感器的工作原理2.4.2 压电式传感器的转换电路压电式传感器的转换电路2.4.3 压电式传感器的应用压电式传感器的应用2.5 电感式力敏传感器电感式力敏传感器2.5.1 自感式传感器自感式传感器2.5.2 互感式传感器互感式传感器2.5.3 电感式传感器的应用电感式传感器的应用2.6 电容式力敏传感器电容式力敏传感器2.6.1 电容式力敏传感器的结构和工作原理电容式力敏传感器的结构和工作原理2.6.2 电容式力敏传感器的测量转换电路电容式力敏传感器的测量转换电路2.6.3 电容式力敏传感器的应用电容式力敏传感器的应用2.7 气压液压和
7、流量的测量气压液压和流量的测量2.7.1 压力的概念和测量压力的概念和测量2.7.2 流量的测量流量的测量2.8 力敏传感器的检修、性能参数和特点力敏传感器的检修、性能参数和特点2.8.1 力敏传感器的检修力敏传感器的检修力敏传感器通常出现的问题有两个：一个是无法调零，另一个是测量值误 差较大。检查时先用示渡器观察零位基线：按下调零键如果示波器显示基线 在零位，说明调零电位器正常；否则需用数字万用表检查接触是否良好，电 阻值是否正常。电阻值不正常时须更换调零电位器。 用数字万用表测电阻值时，要交换表笔测两遍，两边的值要一致。在测量 相关引出端电阻值时，如果发现与正常值不一致，要查出原因。有时受
8、到异物 污染也是电阻值发生变化的原因之一。 因为敏传感器引出线接触不良或断线而引起的故障是在力敏传感器检修 中最常见的故障。检修时可以用万用表测量引出线与连接点之间的电阻，如 果电阻值很大，或时大时小，则说明连接不良，须更换。 力敏传感器产生测量值误差的原因是多方面的，除了敏感元件本身出现故 障外，放大电路也会出现故障。在检修时要逐级检查，具体方法是优先检查第 一级放大器的电阻。用数字万用表测量，看其阻值是否产生明显变化。如果输 出电压偏移不大，可以考虑适当调整电位器，以得到要求的电压值。第一级调 整好后，再查第二级的电压。如果第二级的输出有偏差，则查第二级的电阻值处 理方法与第一级相同。要注
9、意进口设备绝大多数是不提供电路圈的，只有整 机的使用说明书，电路圈涉及到知识产权等事宜。要处理这样的电路，须把传 感器电路板掏出米，按照实物绘出电路图。先是印刷电路再转化为工作原理 图。后进 行电路分析。一般放大器都存在前级后级的级连，找出这些级连点非常重要， 寻找故障就是要从这些级连点的测试着手。 例如：输出电压不稳定即使无输入，终端显示也有跳动。用示波器测量 输出端，在屏幕上出现明显的噪声波形。后分级测试，结果发现第二级存在问 题查电阻，发现一个电阻在几百至几百千欧之间跳动，从而判新出问题出处， 调换后即正常。2.8.2 力敏传感器的性能参数和特点力敏传感器的性能参数和特点类型 半导体应变
10、片式 金属箔丝应变片式 压电式 测量范围MPa O50 O10 2120kN 灵敏度 40100mVV 1O35mVV 4PC/N 线性度(FS) 士 O2505 O03O3 O5 精度(FS) O032 O05O5 重复性(FS) O1 O03O3 O5 湿滞(FS) 0。5 00303 工作温度 80 一 401500 200200 频率响应kHz 50300 50 过载() 200 200 应用特点 小巧、可靠，线 性好，耐振性强， 响应频率高，在微 压范围内无蠕变 现象 精度高，体积小， 重量轻，测量范围 宽，固有频率高， 耐冲击。输出信号 小，受温度影响大， 需温度补偿 灵敏度高，线
11、性好，频率响应范围宽，稳定性好，信噪比高，结构简单，工作可靠。但不适合静态测量 类型 电容式 电感(气隙)式 差动变压器式 测量范围MPa O50 O10 O60 灵敏度 3050mVV 2050mYV 线性度(FS) 014O32 精度(FS) O25 O25O5 115 重复性(FS) O03O27 湿滞(FS) O02O07 O15 分辨率 410 一 3610 一Pa工作温度 20120 一 40100 1050 过载() 150 应用特点 灵敏度高，性能 稳定，频率响应宽， 结构简单，抗过载 能力强，并可在高 温、低温、强辐射 等恶劣环境下工作。 缺点是输出阻抗高， 传感器与测量电路
12、 的连接导线上寄生 电容影响大 简单可靠，输出 功率大，可采用工 频。缺点是线性范 围不大，输出量与 电源频率有关，要 求电源频率必须 稳定 灵敏度高，结构简 单，测量范围大，测量电路简单。缺点是存在零点输出，体积较大 类型 电位器式 应变计式力矩传感器 磁电式力矩传感器 测量范围MPa O60 055000Nm O5MNm 灵敏度 lmVV 线性度(FS) 0051 精度(FS) 15 0205 重复性(FS) 0051 湿滞(FS) 工作温度 一 2060 过载() 转速量程 1501500rmin 应用特点 结构简单，抗电 磁干扰性好，使用 维护方便。缺点是 精度低，不耐冲击 振动，寿命
13、短 测量范围宽，使 用寿命长，长期稳 定性好，精度高， 抗干扰能力强 非接触测量，能测高速扭矩，也能测静态和低速的扭矩，精度高 本章小结本章小结 本章结合各种应用实例，系统的介绍了弹性敏感元件、电阻应变片、压电 传感器、电感传感器、电容传感器等的原理、结构、特性和应用，以及气压、 液压和流量的概念与测量，最后介绍了力敏传感器的维修方面的知识。 1 应变传感器由弹性元件、电阻应变片等元件构成。应变传感器主要是用 来测量力、压力、加速度，它与其他力学传感器相比较具有测试范围宽、输出线性好、精度高、性能稳定、工作可靠并且能够在恶劣的条件下工作等一系列 的优点，因而得到广泛的应用。 2 电阻应变片是一
14、种运用应变原理制作的敏感元件。它能够将测试件上的 应变变化转换成电阻 的变化。它是应变传感器的重要组成部分。电阻应变片通 常需要和电桥电路配合使用。造成应变电阻测量误差的主要原因有以下几种： 非线性误差、横向效应的影响、蠕变与滞后的影响、温度误差。电阻应变片往 往需要配合各种弹性敏感元件（将电阻应变片粘贴在弹性敏感元件上）才能构 成应变传感器，用于各种测量。敏感元件和转换元件输出信号一般都较小，测 量时在它们的输出端都要接入转换电路，应变式传感器中最常见的转换电路是 电桥电路。 3 固体在受到力的作用后，它自身的电阻就要发生变化，这种效应为压阻 效应，利用压阻效应制成的传感器称为压阻传感器。某
15、些电介质物质在沿一定 方向上受到外力的作用产生变形时，内部会产生极化现象，同时在其表面产生 电荷。当外力去掉后，又重新回到不带电状态，这种现象称为压电效应。压电 式传感器的压电元件材料常见的有三类：一类是压电晶体，另一类是经过极化 处理的压电陶瓷，第三类是高分子压电材料。压电式传感器的输出信号非常微 弱，通常需要将其放大后才能进行检测。又因为传感器的内阻抗极高，因此需 要有阻抗非常高的前置放大器与之匹配，然后在使用一般放大、显示、检波、 记录等电路。 4 当一个线圈中的电流发生变化时，该电流所产生的磁通也随之变化，产 生的电动势被称为感应电动势。如果将被测物理量的变化转换成感应电动势的 变化，再通过测量转换电路将感应电动势的变化转换成电压和电流的变化，根 据所测量的电压和电流的大小来确定被测物理量的大小，这就是电感传感器的 工作原理。电感传感器的优点是结构简单，调整方便。应用广泛。 5 由电容的容量公式可知，电容的容量的大小是和极板间的距离，极板面 积的大小，极板之间的介质常数有密切关系。通常保持其中两个量恒定，而改 变另一个量，就可以使
