第十一章 传感器 实验力学华中科技大学版本PPT课件

2020/4/28,.,1,第十一章传感器,11-1传感器的一般特性物理量敏感元件传感元件测量电路电量位移悬臂梁应变计电桥电路电压,11-1-1传感器的静态特性稳定时的输入输出关系线性最好1、线性度一般曲线,线性度:传感器校准曲线与拟合直线间最大偏差与满量程输出值的百分比，拟合直线一般用最小二乘法,2020/4/28,.,2,2、滞后,传感器正、反行程间的输入输出曲线不重合的程度，也是百分比,3、灵敏度线性传感器的校准线的斜率即静态灵敏度,2020/4/28,.,3,11-1-2传感器的动态特性,1、零阶传感器（输出输入关系为零阶微分方程）,如右上线性电位器式传感器2、二阶传感器即前述振子的幅频和相频特性曲线,2020/4/28,.,4,11-2应变计式传感器的基本原理,应变计式传感器由弹性元件和应变计桥路构成11-2-1弹性元件任何部位的应力不能超过材料的弹性极限（或屈服极限），并有合适的安全系数（n1.52.0）粘贴应变计的部位应有足够大的应变，（如10001500）结构紧凑又便于贴片、接线。应是小变形，不改变原工作状态动态特性的固有频率高各种材料可查表选择,2020/4/28,.,5,各种材料特性,交变载荷,弹性优良,2020/4/28,.,6,11-2-2应变计,一般都用胶膜基箔式应变计，大量采用环氧树脂，性能最好。,11-2-3传感器电路补偿为提高传感器性能和使其具有互换性，还常采取各种补偿电路1、零点调整某一桥臂中串联一段电阻温度系数很小的锰铜、康铜，使输出接近于零,2020/4/28,.,7,2、灵敏度标准化,为保证互换性，可在电源供桥回路中串联一个电阻Rs，即降低供桥电压，使灵敏度达标准值,零点温度补偿线性补偿灵敏度温度补偿输入电阻标准化调整,2020/4/28,.,8,11-3各种应变计式传感器的构造和特性,11-3-1测力传感器（称重传感器）按弹性元件不同分：杆式、环式、板式、梁式、剪切轮辐式、双联孔式等,1、杆（柱）式弹性元件结构简单，可承受大载荷；空心、实心、方、圆注意承弯膜片、电桥接法设计：,2020/4/28,.,9,2、悬臂梁式弹性元件,适用于较小的载荷，结构简单，易加工，灵敏度高,右图实际是剪力测量电路（a、b接半桥）,2020/4/28,.,10,3、环形弹性元件,结构简单，坚固稳定，自振频率高，应力分布有正负，便于接桥，灵敏度高（环内A、B处贴片）,按半径与截面高之必可分为小曲率、大曲率。R/h5为小曲率（薄环），5的为大曲率（厚环）小曲率的弯矩计算式为：(使曲率增大为正弯矩）,仅取左上部分（第二象限）计算，A处转角为零,2020/4/28,.,11,小曲率圆环用直梁公式近似计算弯曲应力,不计正压力，大曲率环不适用,2020/4/28,.,12,4、剪切轮辐式弹性元件,结构高度底，精度高，线性好，抗偏心载荷和侧向力强，灵敏度高，承载力大，（由十字辐条承载并感受应变）易安装45度贴片，全桥接法输出灵敏度,辐条高h取2.53辐条宽b辐条长l取11.5辐条高h,2020/4/28,.,13,5、S形双连孔梁式弹性元件,灵敏度高，线性好，抗偏心能力强，适用较小载荷。结构可简化为右图两端固定双梁。荷载P分别由两梁各受P/2及其弯矩，弯矩图为线性反对称分布,故孔内四个贴片位置的应变绝对值相同，符号相反，1=32=4=-1，全桥测量，则P与总应变读数成正比,2020/4/28,.,14,其它弹性元件,多孔式框架结构弹性元件简化为一端固定，一端只能上下移动的悬臂梁S形剪切梁式弹性元件受反对称外力，腹板部分受剪切，测量不受加载点位置的影响板环式弹性元件可视作前圆环式弹性元件的变化，视作变截面环，整体刚度有提高，适合拉压，只能近似计算，最后标定,2020/4/28,.,15,多维测力传感器,鞍马三维测力传感器Fx，Fy，Fz车削三向力八角环式测力传感器Px，Py，Pz,通过设计结构、选择电桥接法，将各个力与所测应变建立关系，标定出具体系数即可。常用剪力电路、弯矩电路和正应力电路,2020/4/28,.,16,对受Fx、Fy、Fz、和Mx、My、Mz作用的一般结构上贴6个应变片，则：这6个应变是该6个荷载的函数,求其逆矩阵，即可得荷载的表达式,标定：令Fx=1，其余各量为零；测各应变，得a11、a61Fy=1，其余各量为零；测各应变，得a12、a62、,2020/4/28,.,17,11-3-2测力传感器的标定,标定加载方法标准砝码加载：小载荷力传感器杠杆砝码机构加载：杠杆比120，精度0.2标准测力计：高精度（0.1）标准测力计与被标定传感器串联总原则：高精度等级标定底精度等级数据处理：最小二乘法,2020/4/28,.,18,11-3-3压力（压强）传感器,1、膜片式压力传感器周边固定圆形金属膜，一边受压，有径向和周向应变,应变分布见右上图边沿：径向应变大，且为负值中心：周向应变大，都是正值做成圆膜形箔式应变花，灵敏度高，但非线性大,2020/4/28,.,19,2、桶式压力传感器,具有盲孔的弹性元件，内腔与压力接通，圆筒外表面周向应变：,对薄壁筒,一般壁厚0.5mm的钢制孔径1020mm弹性元件，应变1000,可测1224MPa,2020/4/28,.,20,3、组合式压力传感器,2、,2020/4/28,.,21,11-3-4位移传感器,其结构多种，以悬臂梁多见，按材料力学解出挠度、应力：,既有：,