模块4力与扭矩检测

模块模块4 4 力与扭矩检测力与扭矩检测主要内容：单元1 电阻应变式力检测单元2 光电编码器式扭矩检测 力是物体之间的一种相互作用，而扭矩是使物体发生转动的力。力和扭矩的测量需要通过力传感器和扭矩传感器来完成，力及扭矩传感器是将各种力学量、扭矩量转换为电信号的器件。例如在钢铁工业生产中，安装在大型轧钢机上的力传感器，可以测定轧制力，并提供进轧与自动控制钢板厚度的信号；在桥梁建设工程中，测力传感器可以检测斜拉桥上的斜拉绳的应变，以便调节钢丝绳的长度，使各绳受力均匀。模块模块4 4 力与扭矩检测力与扭矩检测【引导语引导语】1力的基本概念 力对物体的作用表现为动力效应和静力效应两种形式。动力效应是在外力作用下使受力物体获得加速度，改变物体的运动状态；静力效应是在外力作用下使受力物体发生弹性形变，在物体内部产生应力。按力的性质可以把力分为重力、应力、电磁力、弹性力、惯性力、膨胀力、摩擦力等；按照力的作用效果可分为拉力、压力、动力、阻力等。力与质量和加速度的关系：Fma,单位为牛顿（N）。2力的检测方法 按检测原理分类，常用的力的检测方法可分为力平衡法、位移法、频率法和物理效应法等。模块模块4 4 力与扭矩检测力与扭矩检测【背景知识背景知识】常用的力的检测方法 模块模块4 4 力与扭矩检测力与扭矩检测【背景知识背景知识】3扭矩的概念 扭矩又称为力矩或转矩，是由一个不通过旋转中心的力对物体形成的，是力和力臂的乘积。在国际单位制（SI）中，扭矩的计量单位为牛顿米（Nm）工程技术中也曾用过公斤力米（kgm）等作为扭矩的计量单位。静态扭矩是指扭矩值不随时间变化或变化很小、很缓慢的扭矩。静态扭矩包括静止扭矩、恒定扭矩、缓变扭矩和微脉动扭矩。动态扭矩是指扭矩值随时间变化很大的扭矩。动态扭矩包括振动扭矩、过渡扭矩和随机扭矩三种。模块模块4 4 力与扭矩检测力与扭矩检测【背景知识背景知识】4扭矩的测量方法 根据扭矩测量的基本原理分为平衡力法(反力法)、传递法(扭轴法)和能量转换法等三种类型，其中，运用传递法进行扭矩测量的仪器种类最多，应用也最广泛。（1）平衡力法 通过测量机体上的平衡力矩来确定动力机械主轴上的工作扭矩的方法，也叫作反力法。（2）传递法 被测系统在受到扭矩作用时，利用弹性元件在传递扭矩时所产生的变形、应变、应力等物理参数的变化与扭矩大小的对应关系来测量扭矩的方法。常用弹性元件为扭转轴。模块模块4 4 力与扭矩检测力与扭矩检测【背景知识背景知识】4扭矩的测量方法 （3）能量转换法 依据能量守恒定律，通过测量对应力矩大小而变化的其他形式能量如电能、热能参数来测量旋转机械的机械能，进而求得扭矩的力法称为能量转换法。从方法上讲，能量转换法实际上就是对功率和转速进行测量的方法。一般情况下，用能量转换法对被测系统进行扭矩测量属于间接测量，而平衡力法和传递法属于直接测量。显然，直接测量精度高于间接测量且简单方便，此外平衡力法不能用于动态扭矩的检测，因此在进行扭矩测量时应首先选择传递法。模块模块4 4 力与扭矩检测力与扭矩检测【背景知识背景知识】力是最重要的物理量之一，物理学意义的力是导致自由物体的速度、方向或外型变化的一种影响。力也可以借由直觉的概念来描述，例如推力或拉力，这可以导致一个有质量的物体改变速度（包括从静止状态开始运动），即是去加速它，或导致一个可弯曲的物体形变。在生产实践中所有机械相关机构的运动必然伴随着力的作用。因此，在生产实践中机械力的测量是必不可少的，例如，对于许多控制系统来说，正确的控制必须基于正确地感知作用力。目前，利用应变片电测技术对应力、应变、拉压力、液体压力等物理量进行电测量已广泛应用于各行各业各领域。单元单元1 1 电阻应变式力检测电阻应变式力检测【问题引入问题引入】单元单元1 1 电阻应变式力检测电阻应变式力检测【问题引入问题引入】桥梁、隧道的应变测量 一般常用的力传感器是传感器中的敏感元件、传感元件和测量转换电路这三个部分组合最为典型的一种传感器，它由对力敏感的弹性敏感元件、能够将应变或位移转换为电参量的传感元件、以及将电参量转换为电压或电路的测量转换电路组成。现在工业场合最常使用的是利用电阻应变效应，采用电阻应变片进行力的测量。单元单元1 1 电阻应变式力检测电阻应变式力检测【问题分析问题分析】弹性敏感元件电阻应变片测量转换电路单元单元1 1 电阻应变式力检测电阻应变式力检测【问题分析问题分析】1弹性敏感元件变形：物体因外力作用而改变原来的尺寸或形状弹性变形：外力去掉后能完全恢复其原来的尺寸和形状的变形弹性元件：具有弹性变形这类特性的物体弹性敏感元件：在传感器中用于测量的弹性元件单元单元1 1 电阻应变式力检测电阻应变式力检测【问题分析问题分析】（1）弹性敏感元件的基本特性刚度 灵敏度 灵敏度为常数，此弹性特性是线性。例：木块刚度小，铁块刚度大弹性特性曲线图 单元单元1 1 电阻应变式力检测电阻应变式力检测【问题分析问题分析】（2）弹性敏感元件的形式弹性敏感元件的形式 变换力变换压力等截面轴 环状弹性敏感元件悬臂梁扭转轴 弹簧管 波纹管 等截面薄板 波纹膜片和膜盒 薄壁圆筒和薄壁半球 单元单元1 1 电阻应变式力检测电阻应变式力检测【问题分析问题分析】2电阻应变效应导体或半导体材料受力机械变形电阻值发生变化 由电工学知，有一长度为 l、截面积为A、半径为 r、电阻率为 的金属单丝，阻值为:金属丝受拉时，l变长、r变小，导致R变大。单元单元1 1 电阻应变式力检测电阻应变式力检测【问题分析问题分析】2电阻应变效应实验证明K应变片灵敏度。其中金属应变片灵敏度在23.6左右；而半导体灵敏度可达在100以上。应变效应原理单元单元1 1 电阻应变式力检测电阻应变式力检测【问题分析问题分析】3电阻应变片的测量转换电路 在应变式传感器中，最常用测量转换电路的是电桥电路，按电源性质不同可有交流电桥、直流电桥两类；按桥臂工作数量可分为单臂工作桥、半桥和全桥。桥式测量转换电路 电桥的一个对角线接入电源电压Ui。另一个对角线为输出电压Uo，输出电压Uo为：单元单元1 1 电阻应变式力检测电阻应变式力检测【问题分析问题分析】3电阻应变片的测量转换电路 平衡条件单元单元1 1 电阻应变式力检测电阻应变式力检测【问题分析问题分析】电桥的接法 单臂单臂 半桥半桥全桥全桥单元单元1 1 电阻应变式力检测电阻应变式力检测【问题分析问题分析】电桥类型电桥类型灵敏度灵敏度非线性误差非线性误差各桥臂典型电阻值各桥臂典型电阻值单臂桥单臂桥Ui/4R/2R1=R0+RR2=R3=R4=R0半半桥桥第一类第一类差动桥差动桥Ui/20R1=R0+R，R2=R0RR3=R4=R0第二类第二类差动桥差动桥Ui/2R2/4R1=R0+R，R4=R0RR2=R3=R0对臂桥对臂桥Ui/2R/2R1=R3=R0+RR2=R4=R0全桥全桥Ui 0R1=R3=R0+RR2=R4=R0R各类电桥的性能比较表 单元单元1 1 电阻应变式力检测电阻应变式力检测【问题分析问题分析】4电阻应变片的温度补偿 补偿块补偿法补偿块温度补偿示意图1试件 2补偿块R1试件受力后应变片R1产生的电阻增量；R1t、R2t由温度变化引起的R1、R2的电阻增量。试件与补偿块必须同质同温单元单元1 1 电阻应变式力检测电阻应变式力检测【问题分析问题分析】4电阻应变片的温度补偿 全桥电路同样能克服温漂。桥路自补偿以第一类差动桥为例，当R1和R2处于相同的温度场中时，则设 而经推到可得：单元单元1 1 电阻应变式力检测电阻应变式力检测【知识链接知识链接】1变换力的弹性敏感元件柱形弹性元件 单元单元1 1 电阻应变式力检测电阻应变式力检测【知识链接知识链接】1变换力的弹性敏感元件环形弹性元件 较小力F应变 单元单元1 1 电阻应变式力检测电阻应变式力检测【知识链接知识链接】1变换力的弹性敏感元件悬臂梁悬臂梁是一端固定另一端自由的弹性敏感元件。悬臂梁是一端固定另一端自由的弹性敏感元件。力力 F应变应变 或或 力力 F位移位移 x 单元单元1 1 电阻应变式力检测电阻应变式力检测【知识链接知识链接】2电阻应变片的结构类型 电阻应变片可分为金属应变片和半导体应变片。前者可分为金属丝式、箔式、薄膜式三种。金属丝式应变片使用最早，有纸基、胶基之分。常见的几种应变片1衬底 2应变丝或半导体 3引出线 4焊接电极 5外引线 单元单元1 1 电阻应变式力检测电阻应变式力检测 金属电阻丝应变片结构示意图 1-引出线；2-覆盖层；3-基底；4-电阻丝【知识链接知识链接】2电阻应变片的结构类型l 称应变片的 标距或工作基长b称应变片的工作宽度bl称应变片的规格金属丝式电阻应变片单元单元1 1 电阻应变式力检测电阻应变式力检测 通过光刻、腐蚀而成散热条件好电流密度、灵敏度高可制任意形状。【知识链接知识链接】2电阻应变片的结构类型箔式应变片单元单元1 1 电阻应变式力检测电阻应变式力检测【知识链接知识链接】2电阻应变片的结构类型薄膜式应变片用真空沉积法制作薄膜式应变片 单元单元1 1 电阻应变式力检测电阻应变式力检测【知识链接知识链接】2电阻应变片的结构类型半导体应变片半导体应变片实物图 单元单元1 1 电阻应变式力检测电阻应变式力检测【知识链接知识链接】参数名称参数名称电阻电阻灵敏度灵敏度电阻温度系电阻温度系数数1/1/0 0C C极限工作温极限工作温度度0 0C C最大工作电最大工作电流流mAmAPZ-120PZ-120型型1201.92.12010-6-104020PJ-120PJ-120型型1201.92.12010-6-104020BX-200BX-200型型2001.92.2-306025BA-120BA-120型型1201.92.2-3020025BB-350BB-350型型3501.92.2-3017025PBD-1KPBD-1K型型100010%1405%0.4%6015PBD-120PBD-120型型12010%1205%0.2%6025应变片主要技术参数 可根据被粘贴材料的线膨胀系数进行自补偿加工 单元单元1 1 电阻应变式力检测电阻应变式力检测【知识链接知识链接】3电阻应变片的粘贴 应变片的粘贴工艺包括：试件贴片处的表面处理、贴片位置的确定、应变片的粘贴、固化等。电阻应变片引出线的选择取决于电阻率的大小、焊接方便程度、可靠性及耐腐蚀性。引出线一般多是直径为0.150.3mm镀锡软铜线。使用时，应变片粘贴连接好后，常把引出线与连线电缆用胶布固定起来，以防止导体摆动时折断应变片引线，然后在应变片上涂一层防护层，以防止大气对应变片的侵蚀，保证应变片长期工作的稳定性。单元单元1 1 电阻应变式力检测电阻应变式力检测【知识链接知识链接】3电阻应变片的粘贴几种弹性元件及应变片贴片方式单元单元1 1 电阻应变式力检测电阻应变式力检测【知识链接知识链接】3电阻应变片的粘贴应变片的粘贴与固定单元单元1 1 电阻应变式力检测电阻应变式力检测【知识链接知识链接】4电阻应变片的特点（1）以电阻应变片为传感元件，用于测量应变、应力、弯矩、扭矩等物理量，具有如下优点：测量应变的灵敏度和精确度高，性能稳定、可靠，分辨率高，可测12，误差小于1%测量范围广，既可测量弹性变形，也可测量塑性变形。变形范围可从数个微应变至数千个微变应。应变片尺寸、质量轻、结构简单、使用方便、响应速度快。测量时对被测件的工作状态和应变分布影响较小。既可用于静态测量，又可用于动态测量。性能稳定，价格较低。单元单元1 1 电阻应变式力检测电阻应变式力检测【知识链接知识链接】4电阻应变片的特点 频率响应特性好，一般电阻应变片响应时间为10-710-11s，若能在弹性元件设计上采取措施，则电阻应变式传感器可测几十千赫甚至上百千赫的动态过程。环境适应性强，可在高温、低温、高压、高速、水下、强烈振动、强磁场、核辐射及化学腐蚀等各种恶劣环境条件下使用。容易实现多点同步测量、远距离测量和遥测，且与数据处理装置配合，容易实现测量过程和数据处理过程自动化。单元单元1