《应变计式传感器》PPT课件.ppt

1,第7章 应变计式传感器,在力学物理量测量中，并不单单局限于测量应变和应力，有时还需要对力、压力、扭矩、位移、速度和加速度等其他物理量进行测量、监视和控制，这就需要使用相应的传感器。用于力学物理量测量的传感器有很多种类，常见的有电阻式、电感式、电容式、光电式、磁电式、热电式、压电式和电磁感应式等等。本章只介绍利用电阻应变计作为转换元件的各种传感器，属于电阻式传感器，称为应变计式传感器。,第1部 电阻应变测量方法,2,第1部 电阻应变测量方法 第7章 应变计式传感器,本章内容：,学习要求：,7-1 基本原理与设计制造； 7-2 测力传感器； 7-3 压力传感器； 7-4 扭矩传感器； 7-5 位移传感器,（计划使用1学时）,熟悉应变计式传感器的基本原理与设计制作，掌握各种应变计式传感器的构造原理和制作工艺。,3,第1部 电阻应变测量方法 第7章 应变计式传感器,7-1 基本原理与设计制造,电阻应变计可以将构件上的机械应变转变为电阻变化，用应变仪进行测量，因此，任何力学物理量只要能设法转变为应变，都可以用应变计进行间接测量。能够把物理量转变为应变的结构部件称为弹性元件。传感器主要由弹性元件、应变计和外壳构成。,1基本原理,应变计式传感器完成物理量到电量的转换，需要经过两个环节，即先通过弹性元件把物理量转变为机械应变，然后再由应变计把弹性元件的应变转变为电阻变化。,4,第1部 电阻应变测量方法 第7章 应变计式传感器,常见弹性元件结构形式：拉压杆、弯曲梁、扭转轴、圆板、圆筒、圆环以及剪切轮幅式结构等等。 在力、液体压力、扭矩等物理量测量中，通常把物理量直接作为弹性元件所承受的载荷。在静位移测量中，利用刚性极小的弹性元件直接感受位移变化。而在振动测量中，则按照惯性测振原理，利用由弹性元件和惯性质量块组成的弹簧质量系统来反映被测振动的位移、速度和加速度。 传感器的性能很大程度上取决于弹性元件。,应满足下述要求： (1)在设计量程内，测点应能产生足够大的应变量，以便具有较高的输出灵敏度。在最大工作载荷时，能产生5001000为宜。 (2)保证弹性元件的应力不超过材料的比例极限。 (3) 弹性系统固有频率远大于设计工作频率。 (4)如果弹性元件要做为被测构件的一部分，则弹性元件应有足够的刚度，以免变形过大，影响构件的正常工作。 (5)测点的应变与被测物理量成线性关系。 (6) 结构紧凑，但要有足够的空间粘贴应变计，并便于连接导线。,2. 弹性元件的设计,5,第1部 电阻应变测量方法 第7章 应变计式传感器,弹性元件的加工工艺流程：锻造预先热处理粗加工热处理精加工动静载处理人工时效。 预先热处理（退火），使材料晶粒细化均匀，改善切削条件。 粗加工后的热处理依据热处理规范。如：45钢，830850淬火，550回火，硬度HB=255269；40Cr，850油淬，HBC53,370盐炉回火，保温3h，硬度HBC4648；铍青铜，760780淬火，320回火（2小时）。 动静载处理可提高弹性、减小零漂和蠕变。动载处理在量程1/3到满量程（或超载20%）以每秒4次的频率加载。静载处理可在满量程125%下保持46h,或110%下保持1820h。 人工时效目的是消除残余应力，提高的长期稳定性，方法是在160180下保持1820h。,3. 材料选择,4弹性元件的加工,弹性元件材料应具有高强度、高比例极限、低扬氏模量、稳定的物理性质、良好的机加工和热处理性能。常用材料有：40Cr、35CrMnSiA、50CrMnA、50CrVA、40CrNiMoA、65SiMnWA等合金钢，及铍青铜QBe2、硬铝LY12、超硬铝LC4等；对于要求不高的传感器，也可使用优质45#碳素钢。,6,第1部 电阻应变测量方法 第7章 应变计式传感器,对于临时使用的传感器，应变计的选择与粘贴，可与通常应变测量相同。对于长期、反复使用的传感器，应选择高质量、蠕变小、横向效应小、散热性和稳定性好、阻值较高的箔式应变计，采用专用的热固化应变胶粘贴，并要严格控制贴片质量，在应变计上应覆盖良好的防护层。,5应变计的选择与粘贴,由于弹性元件材料、应变计等的实际性能参数不理想，难免出现电桥不能调平衡、零点漂移、灵敏度漂移、和输出非线性等缺陷，为进一步提高传感器的精度和稳定性，对于长期使用的传感器，还应当针对传感器的缺陷在电路上采取一些补偿措施。一般的补偿电路如图7-2所示。其中R1、R2、R3、R4为应变计，RZ、RT、RE、RL为补偿电阻。,6传感器的电路补偿,7,第1部 电阻应变测量方法 第7章 应变计式传感器,如果应变电桥不能平衡，可在某一桥臂中串接一个与应变计敏感栅材料相同的调整电阻RZ，来实现电桥初始不平衡的补偿。RZ应粘贴在弹性元件上不变形的部位，并应通过试验来确定它应接在哪个桥臂中。补偿电阻有成品出售。,(1)电桥不平衡的补偿,(2)零漂的补偿,普通的桥路补偿，有时还不能完全消除应变计的温度效应影响，因而传感器的零点会随温度变化，即产生零漂。为了消除零漂，可在桥臂中串接一个补偿电阻RT，对RT的要求是阻值小、电阻温度系数很高，它也应粘贴在弹性元件上不变形的位置，并与应变计处有相同的温度环境。它的大小以及具体接在哪个桥臂也应通过试验来确定。,当环境温度升高时，由于弹性元件的扬氏模量降低，会引起传感器输出灵敏度增高，这称为灵,(3)灵敏度漂移的补偿,敏度漂移。为了消除灵敏度飘移，可在电桥输入回路中串接一个补偿电阻RE。RE的电阻温度系数很高，其电阻随温度升高而增大，因而使桥压随温度升高而降低，造成输出灵敏度降低。适当调整RE的大小，就可以实现灵敏度漂移的补偿。RE所处的温度环境也应与应变计相同。,8,第1部 电阻应变测量方法 第7章 应变计式传感器,由于弹性元件结构或材料本身的非线性、应变计输出的非线性，以及接入各种补偿电阻的影响等，往往致使传感器的输出与被测力学物理量之间不能呈理想的线性关系，这种现象称为输出非线性。为了消除输出非线性，可在电桥输入回路中串接补偿电阻RL。RL为灵敏系数很高的半导体应变计，它与工作应变计同样地感受弹性元件的变形。 如图7-3所示，根据具体情况，如果非线性呈上升趋势，RL的灵敏系数可选为正的，使输出降低；反之，RL的灵敏系数可选为负的，使输出增高。RL的大小也应在传感器加载标定时确定。,(4)输出非线性的补偿,9,第1部 电阻应变测量方法 第7章 应变计式传感器,对已加工好的传感器，应根据被测物理量的标准值对其进行直接标定。标定时，逐级提高被测标准量的大小，记录应变仪的相应读数，通过拟合得出标准物理量与应变之比作为传感器的输出灵敏度。线性不好的传感器，应将标准量与读数之间的关系制成表格或绘制成曲线。使用时，根据灵敏度、表格或曲线，由应变读数来确定物理量的大小。在标定和使用时，一般都把应变仪的灵敏系数置于2.00。传感器在每次使用之前都应当进行校验，以便对传感器的特性及精度做出正确估计。,7.传感器标定,10,第1部 电阻应变测量方法 第7章 应变计式传感器,7-2 测力传感器,测力传感器的弹性元件的结构形式，有杆式、梁式、环式和剪辐式等，应变计的布置和电桥连接也相应地取不同形式。下面给出一些力传感器的结构形式、应变计布置和电桥连接线路。,1. 杆式测力传感器,杆式测力传感器有拉压力传感器和荷重传感器之分，前者用于测量机械连接件之间传递的拉（压）力，力的方向可以是任意的，后者则专用于测量荷重，力的方向铅垂向下。这类传感器一般采用实心或空心圆柱作弹性元件，布置8枚应变计；电桥连接如图所示，这样不但可以实现温度补偿，同时也可消除因载荷偏心造成的弯曲影响。这种传感器适于测量较大载荷。,7,11,第1部 电阻应变测量方法 第7章 应变计式传感器,2.梁式测力传感器,梁式弹性元件结构简单、灵敏度高，主要用于小载荷测量。梁的结构形式有悬臂梁（自由端承载）和两端固定梁（中点承载）两种。 悬臂梁式测力传感器灵敏度高，但由于应变计位置的应变与该截面的弯矩成正比，因此，力的作用点变动对传感器读数的影响较大。,有,E材料扬氏模量，Q剪力，W抗弯截面模量。由此看出，应变读数反映了力P的大小，与其作用位置无关。这种测力传感器实际上是一种剪力测量装置。由于相邻截面的弯曲应变比较接近，所以传感器灵敏度较低。,为了消除载荷位置的影响，可在相邻截面（距离x）处粘贴应变计，按图示桥路接线。测量结果为两截面弯曲应变之差，由,12,第1部 电阻应变测量方法 第7章 应变计式传感器,两端固定梁式传感器的灵敏度较高，适于测量小载荷。,3.环式测力传感器,环式测力传感器的特点是结构简单、灵敏度高、固有频率高、工作稳定性好，因此得到广泛应用。下图所示为几种环式弹性元件，应变计布置在最大弯矩发生截面，此处还存在轴力，为拉（压）弯组合变形，为了使传感器灵敏度高，应变计的桥路连接除考虑温度补偿外，还应消除轴力产生的应变。,等截面薄壁环用于测量小载荷，变截面厚壁环用于测量大载荷。,13,第1部 电阻应变测量方法 第7章 应变计式传感器,4.剪辐式荷重传感器,剪辐式测力传感器用来测量荷重，其弹性元件形似一个平放的车轮，辐条为矩形截面。应变计布置在辐条侧面中点处与轴线成45角，感受辐条的最大剪应力点的主应变，如图7-10a所示。应变计R1、R3、R5和 R7 感受最大伸长线应变，R2、R4、R6和R8感受最大压缩线应变。将应变计构成图示桥路，测量结果将是最大伸长线应变的4倍，并可消除载荷偏心影响。,14,第1部 电阻应变测量方法 第7章 应变计式传感器,7-3 压力传感器,压力传感器用来测量气体或液体压力。根据测量压力的范围，压力传感器的结构可采用不同的形式，常见的有膜片式、圆筒式和组合式等几种。,1.膜片式压力传感器,弹性元件是周边固定的圆板形膜片。由弹性力学，半径为a，厚度为h，周边固定的薄圆板在均匀压力p作用下，其上表面半径为r处的径向和周向应变分别为,即应变与压力p呈线性关系。,圆板中的应变分布如图。在 r=0, r= =0 ；r0=a/3，r=0。在rr0范围内，r 值大，异号。如图布置应变计并构成桥路，应变读数约为60。,15,第1部 电阻应变测量方法 第7章 应变计式传感器,实际的压力传感器是使用专用应变计，称为隔膜压力计。内层敏感栅用来感受周向应变，外层敏感栅用来感受径向应变。由于敏感栅布满整个膜片，使传感器的灵敏度很高。 膜片式压力传感器的结构如右图所示。,2.筒式压力传感器,筒式压力传感器以一端封闭的薄壁圆筒作为弹性元件，如图7-13所示。设圆筒外径为D，内径为d，在压力p作用下，圆筒处于二向拉应力状态，纵向应变和周向应变分别为,它们与压力p成正比，测定纵向应变或周向应变即可确定压力。由于周向应变较大，可在空心筒部分和实心柱部分（不受压力影响）沿周向布置应变计，构成右图所示桥路，可以使传感器获得较高灵敏度。,16,第1部 电阻应变测量方法 第7章 应变计式传感器,3.组合式压力传感器,组合式压力传感器从结构上把感压元件和测压元件分开。感压元件有平面隔膜、波纹隔膜、波纹管等。测压元件有悬臂梁、两端固定梁、空心圆杆等。根据不同要求和使用条件，可以采用不同的组合形式。,17,第1部 电阻应变测量方法 第7章 应变计式传感器,7-4 扭矩传感器,扭矩传感器用来测量旋转轴传递的扭矩。在材料的弹性范围内，轴表面沿与轴线成45方向的线应变45与轴所传递的扭矩Mn成正比例关系，即,因此，若测定轴表面的45，扭矩的大小就可以确定。用于旋转轴的扭矩传感器如图所示，以一段联键轴作为弹性元件，在轴表面周向4等分处，沿45方向布置4枚应变计R1、R2、R3和R4，构成图示桥路，可以实现温度补偿，消除轴向力和弯曲影响，并使桥路输出灵敏度提高。,电桥的四个节点接至集流器转子端，集流环定子端接应变仪，由4-9，接触电阻的影响也被抑制到最小。,如果实际情况不便于利用传感器测量扭矩，也可以在实际的被测轴上贴应变计，用同样的原理来测量扭矩。信号传输的方式也可以用遥测方式。,18,第1部 电阻应变测量方法 第7章 应变计式传感器,7-5 位移传感器,测量静位移，或变化缓慢的位移，可使用位移传感器。位移传感器的弹性元件必须刚性很小。在位移传感器中，由与弹性元件相连的触点直接感受测点位移，从而引起弹性元件变形。粘贴在弹性元件上的应变计感受其变形，同时输出反映被测位移的信号。为了保证精度，触点位移与应变计感受的应变之间应保持线性关系。这就是位移传感器的基本原理。 常用的应变计式位移传感器的弹性元件为悬臂梁，或圆环。,1悬臂梁式位移传感器,悬臂梁式位移传感器的弹性元件是一端固定的弹簧片。其原理图如图7-16所示。由材料力学知，在小变形情况下，自由端的挠度f、粘贴应变计截面处的最大弯曲应变分别为,I梁截面惯性矩，W抗弯截面系数。由此，得,即应变计感受的应变与被测位移之间成线性关系。h矩形截面梁截面高度。,19,第1部 电阻应变测量方法 第7章 应变计式传感器,利用此原理制成的测量绝对位移或两点间相对位移（例如裂纹张开位移）的传感器结构如图7-17、18所示。,20,2.环式位移传感器,刚度很小的薄圆环也可以作为位移传感器的弹性元件。由材料力学，等截面闭口圆环对径受到集中力P作用时,两力作用点之间的相对位移为,I圆环截面的惯性矩。此时表明，位移与P之间成线性关系。而圆环表面的应变与力P也呈线性关系，因此应变也与位移成线性关系。,环式位移传感器的应变计粘贴位置与桥路与载荷传感器相同。,21,3.U形片位移传感器,22,2. 图1所