传感器与检测技术课件第三章-1

1、第三章 力、扭矩和压力传感器 第一节第一节 测力传感器测力传感器 第一节第一节 测力传感器测力传感器 第二节第二节 扭矩力传感器扭矩力传感器 第三节第三节 压力传感器压力传感器 第三章 力、扭矩和压力传感器 第一节第一节 测力传感器测力传感器 用于测量力的传感器多为用于测量力的传感器多为电气式电气式。电气式测力传。电气式测力传 感器，根据转换方式不同又分为感器，根据转换方式不同又分为参量型参量型和和发电型发电型 两种。两种。 参量型测力传感器参量型测力传感器有有电阻应变式电阻应变式、电容式电容式、电感电感 式式等。等。 发电型测力传感器发电型测力传感器有有压电式压电式、压磁式压磁式等。等。 第

2、三章 力、扭矩和压力传感器 第一节第一节 测力传感器测力传感器 1.电阻应变式测力传感器工作原理电阻应变式测力传感器工作原理 电阻应变式测力传感器是将力作用在电阻应变式测力传感器是将力作用在弹性元件弹性元件上，上，弹性元弹性元 件件在力作用下产生在力作用下产生应变。应变。 利用贴在弹性元件上的利用贴在弹性元件上的应变片应变片将应变转换成将应变转换成电阻电阻的变化。的变化。 利用利用电桥电桥将将电阻变化电阻变化转换成转换成电压电压(或电流或电流)的变化，再送人的变化，再送人 测量放大电路测量。测量放大电路测量。 利用利用标定的电压标定的电压(或电流或电流)和和力力之间的对应关系，可测出力之间的对

3、应关系，可测出力 的大小或经换算得到被测力。的大小或经换算得到被测力。 一、电阻应变式测力传感器一、电阻应变式测力传感器 第三章 力、扭矩和压力传感器 第一节第一节 测力传感器测力传感器 在一组自相平衡的外力作用下物体内各个部分产生相互作在一组自相平衡的外力作用下物体内各个部分产生相互作 用力，我们用应力来描写。给一根截面积为用力，我们用应力来描写。给一根截面积为S S的均匀直杆的均匀直杆 两端施加方向相反的拉力两端施加方向相反的拉力F F。如果在杆中。如果在杆中A A点作一垂直于杆点作一垂直于杆 轴的截面并且考虑被这截面分开的左半段杆子，根据静力轴的截面并且考虑被这截面分开的左半段杆子，根据

4、静力 平衡要求，在此截面上分布有合力为平衡要求，在此截面上分布有合力为F F的力，这个力就是的力，这个力就是 右半段杆子通过截面右半段杆子通过截面A A作用到左半段杆子上的内力。作用到左半段杆子上的内力。我们我们 把作用在单位面积上的内力叫做应力。把作用在单位面积上的内力叫做应力。 1.1.应力的基本概念应力的基本概念 A F 第三章 力、扭矩和压力传感器 第一节第一节 测力传感器测力传感器 2.2.应变的基本概念应变的基本概念 杆件在轴向拉伸或压缩时，所产生的主要变形是沿轴线杆件在轴向拉伸或压缩时，所产生的主要变形是沿轴线 方向伸长或缩短；但是杆的横向尺寸还会缩小或增大，前者方向伸长或缩短；

5、但是杆的横向尺寸还会缩小或增大，前者 称为纵向变形，后者称为横向变形。称为纵向变形，后者称为横向变形。 实验证明，当受拉力时，杆的伸长量实验证明，当受拉力时，杆的伸长量l与拉力与拉力F和杆件和杆件 原长成正比，与杆件的横截面积原长成正比，与杆件的横截面积A成反比。可以用数学式表成反比。可以用数学式表 示为：示为： A Fl l 如果引进一个比例系数，则如果引进一个比例系数，则 EA Fl l 上式就是轴向拉伸和压缩时纵向变形的计算公式，称为上式就是轴向拉伸和压缩时纵向变形的计算公式，称为 虎克定律虎克定律 第三章 力、扭矩和压力传感器 第一节第一节 测力传感器测力传感器 2.2.应变的基本概念

6、应变的基本概念 EA Fl l 式中的式中的E值与材料的性质有关，称为材料的弹性模量，其值值与材料的性质有关，称为材料的弹性模量，其值 越大，则杆件的变形越小，故它是衡量材料抵抗变形能力的越大，则杆件的变形越小，故它是衡量材料抵抗变形能力的 一个指标。一个指标。 EA代表了杆件抵抗拉伸（压缩）变形的能力，称为杆件的代表了杆件抵抗拉伸（压缩）变形的能力，称为杆件的 抗拉（压）刚度。抗拉（压）刚度。 2.2.应变的基本概念应变的基本概念 第三章 力、扭矩和压力传感器 第一节第一节 测力传感器测力传感器 2.2.应变的基本概念应变的基本概念 EA Fl l 由上式还可以看到，在由上式还可以看到，在E

7、、A、F相同的情况下，杆件的长度相同的情况下，杆件的长度l 愈大，则其绝对伸长量愈大，则其绝对伸长量l也愈大，故绝对伸长也愈大，故绝对伸长l还不能说明还不能说明 杆件的变形程度。因此，需要运用相对伸长的概念，以单位长杆件的变形程度。因此，需要运用相对伸长的概念，以单位长 度的伸长度的伸长 来衡量杆件的变形程度。来衡量杆件的变形程度。 称为纵向称为纵向 线应变。线应变。 2.2.应变的基本概念应变的基本概念 l l x x 与轴向垂直方向上的径向应变（有时也称横向应变）用与轴向垂直方向上的径向应变（有时也称横向应变）用 表示表示 y 第三章 力、扭矩和压力传感器 第一节第一节 测力传感器测力传感

8、器 2.2.应变的基本概念应变的基本概念 EA Fl l 实验证明，横向应变与径向应变的绝对值之比为一个常数，实验证明，横向应变与径向应变的绝对值之比为一个常数， 用用来表示，称为泊松比，它是一个因材料而异的常数。来表示，称为泊松比，它是一个因材料而异的常数。 2.2.应变的基本概念应变的基本概念 x y 当纵向应变为伸长时，横向应变为缩短，所以它们之间的符号当纵向应变为伸长时，横向应变为缩短，所以它们之间的符号 总是相反的。总是相反的。 xy r r 第三章 力、扭矩和压力传感器 第一节第一节 测力传感器测力传感器 一、电阻应变式测力传感器一、电阻应变式测力传感器 2. 弹性元件及计算公式弹

9、性元件及计算公式 测力传感器的结构虽各式各样，测力传感器的结构虽各式各样， 但其弹性元件的形式只有柱型、但其弹性元件的形式只有柱型、 薄壁环型和梁型。薄壁环型和梁型。 第三章 力、扭矩和压力传感器 第一节第一节 测力传感器测力传感器 柱型弹性元件柱型弹性元件 柱型弹性元件有圆柱形、圆筒柱型弹性元件有圆柱形、圆筒 形和方柱形等几种。形和方柱形等几种。 一、电阻应变式测力传感器一、电阻应变式测力传感器 2. 弹性元件及计算公式弹性元件及计算公式 当力或荷重沿中心线对其当力或荷重沿中心线对其 作用时，受力后的应变值作用时，受力后的应变值 为为 F SE 第三章 力、扭矩和压力传感器 第一节第一节 测

10、力传感器测力传感器 柱型弹性元件柱型弹性元件 一、电阻应变式测力传感器一、电阻应变式测力传感器 2. 弹性元件及计算公式弹性元件及计算公式 一般用它的应变作为输出量一般用它的应变作为输出量 在它的表面粘贴应变片，可在它的表面粘贴应变片，可 以将应变进一步变换为电量。以将应变进一步变换为电量。 柱型弹性元件的特点是加工柱型弹性元件的特点是加工 方便、加工精度高，但灵敏方便、加工精度高，但灵敏 度较小，适用于载荷较大的度较小，适用于载荷较大的 场合。场合。 第三章 力、扭矩和压力传感器 第一节第一节 测力传感器测力传感器 柱型弹性元件柱型弹性元件 一、电阻应变式测力传感器一、电阻应变式测力传感器

11、2. 弹性元件及计算公式弹性元件及计算公式 当被测力较大时，一般用钢材当被测力较大时，一般用钢材 制作弹性元件，钢的弹性模量制作弹性元件，钢的弹性模量 为为 2 11 102 m N 当被测力较小时，一般用铝合当被测力较小时，一般用铝合 金或铜合金。铝的弹性模量为金或铜合金。铝的弹性模量为 2 11 107 . 0 m N 材料越软，弹性模量越小，灵材料越软，弹性模量越小，灵 敏度也就越高。敏度也就越高。 第三章 力、扭矩和压力传感器 第一节第一节 测力传感器测力传感器 薄壁环型弹性元件薄壁环型弹性元件 一、电阻应变式测力传感器一、电阻应变式测力传感器 2. 弹性元件及计算公式弹性元件及计算公

12、式 测拉力测拉力 测压力测压力 第三章 力、扭矩和压力传感器 第一节第一节 测力传感器测力传感器 薄壁环型弹性元件薄壁环型弹性元件 圆环在拉力作用下，各断面所承受的弯矩为圆环在拉力作用下，各断面所承受的弯矩为 0 (0.3180.5cos )MFR 一、电阻应变式测力传感器一、电阻应变式测力传感器 2. 弹性元件及计算公式弹性元件及计算公式 拉拉力力（或或压压力力）（N N）F F 环环的的平平均均半半径径（m m）R R m m）; ;断断面面处处的的弯弯矩矩（N N坐坐标标角角M M ）；断断面面的的坐坐标标角角（式式中中 0 0 第三章 力、扭矩和压力传感器 第一节第一节 测力传感器测力

13、传感器 薄壁环型弹性元件薄壁环型弹性元件 一、电阻应变式测力传感器一、电阻应变式测力传感器 2. 弹性元件及计算公式弹性元件及计算公式 最大弯矩在圆环最大弯矩在圆环A断面和断面和B断面处，其值为断面处，其值为 0 0.318 A MFR 0 0.182 B MFR 两处的应变值分别为两处的应变值分别为 0 2 1.908 A FR bh E 0 2 1.092 B FR bh E 式中：b薄壁环的宽度（m） h薄壁环的厚度（m） 第三章 力、扭矩和压力传感器 第一节第一节 测力传感器测力传感器 薄壁环型弹性元件薄壁环型弹性元件 一、电阻应变式测力传感器一、电阻应变式测力传感器 2. 弹性元件及

14、计算公式弹性元件及计算公式 圆环受力后较易变形，因而它多用于测量圆环受力后较易变形，因而它多用于测量 较小的力。较小的力。 第三章 力、扭矩和压力传感器 第一节第一节 测力传感器测力传感器 梁型弹性元件梁型弹性元件 一、电阻应变式测力传感器一、电阻应变式测力传感器 2. 弹性元件及计算公式弹性元件及计算公式 梁型弹性元件灵敏度高。输出可以是应变也可以是挠度（位梁型弹性元件灵敏度高。输出可以是应变也可以是挠度（位 移）。由于它在相同力的作用下的变形比柱型和薄壁环型都移）。由于它在相同力的作用下的变形比柱型和薄壁环型都 大，所以多用于较小力的测量。大，所以多用于较小力的测量。 根据其支承情况，常用

15、的有根据其支承情况，常用的有悬臂梁式悬臂梁式和和两端固定梁式两端固定梁式两种两种 第三章 力、扭矩和压力传感器 第一节第一节 测力传感器测力传感器 悬臂梁式，上下表悬臂梁式，上下表 面的应变值为面的应变值为 2 6Fl bh E 梁型弹性元件梁型弹性元件 一、电阻应变式测力传感器一、电阻应变式测力传感器 2. 弹性元件及计算公式弹性元件及计算公式 第三章 力、扭矩和压力传感器 第一节第一节 测力传感器测力传感器 两端固定梁式，上下两端固定梁式，上下 表面的应变值为表面的应变值为 2 3 4 Fl bh E 梁型弹性元件梁型弹性元件 一、电阻应变式测力传感器一、电阻应变式测力传感器 2. 弹性元

16、件及计算公式弹性元件及计算公式 第三章 力、扭矩和压力传感器 第一节第一节 测力传感器测力传感器 柱型柱型 F SE 0 2 1.908 A FR bh E 0 2 1.092 B FR bh E 2 6Fl bh E 2 3 4 Fl bh E 一、电阻应变式测力传感器一、电阻应变式测力传感器 2. 弹性元件及计算公式弹性元件及计算公式 薄壁环型薄壁环型 悬臂梁悬臂梁 两端固定梁式两端固定梁式 第三章 力、扭矩和压力传感器 第一节第一节 测力传感器测力传感器 弹性元件的尺寸和材料确定后，弹性元件在外力弹性元件的尺寸和材料确定后，弹性元件在外力 作用下所产生的作用下所产生的应变与外力成正比应变

17、与外力成正比 一、电阻应变式测力传感器一、电阻应变式测力传感器 2. 弹性元件及计算公式弹性元件及计算公式 第三章 力、扭矩和压力传感器 第一节第一节 测力传感器测力传感器 应变片是非电量电测中一种常见的转换元件。由于应变片应变片是非电量电测中一种常见的转换元件。由于应变片 使用简便，测量精度高，体积小，动态响应好，因而得到使用简便，测量精度高，体积小，动态响应好，因而得到 广泛应用。广泛应用。 一、电阻应变式测力传感器一、电阻应变式测力传感器 3. 3. 应变片应变片 第三章 力、扭矩和压力传感器 第一节第一节 测力传感器测力传感器 (1)工作原理工作原理 应变效应应变效应 当金属丝在外力作

18、用下发生机械变形时，其电阻值将发当金属丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值将发 生变化，这种现象称为金属的电阻应变效应。生变化，这种现象称为金属的电阻应变效应。 一、电阻应变式测力传感器一、电阻应变式测力传感器 3. 3. 应变片应变片 第三章 力、扭矩和压力传感器 第一节第一节 测力传感器测力传感器 (1)工作原理工作原理 设有一根长度为设有一根长度为l、截面积为、截面积为S、电阻率为、电阻率为的金属丝，的金属丝， 其电阻其电阻R为为 一、电阻应变式测力传感器一、电阻应变式测力传感器 3. 3. 应变片应变片 S l R 第三章 力、扭矩和压力传感器 第一节第一节 测力传感器测力传感器 (

19、1)工作原理工作原理 设有一根长度为设有一根长度为l、截面积为、截面积为S、电阻率为、电阻率为的金属丝，的金属丝， 其电阻其电阻R为为 一、电阻应变式测力传感器一、电阻应变式测力传感器 3. 3. 应变片应变片 S l R v两边取对数，得两边取对数，得lnlnlnlnRlS v等式两边取微分，得等式两边取微分，得 dRddldS RlS 第三章 力、扭矩和压力传感器 第一节第一节 测力传感器测力传感器 2 2 2 dSrdrdr Srr dRddldS RlS x y dl l dr r (1)工作原理工作原理 一、电阻应变式测力传感器一、电阻应变式测力传感器 3. 3. 应变片应变片 第三

20、章 力、扭矩和压力传感器 第一节第一节 测力传感器测力传感器 (1)工作原理工作原理 一、电阻应变式测力传感器一、电阻应变式测力传感器 3. 3. 应变片应变片 dRddldS RlS dl l 2=-2 dSdr Sr 第三章 力、扭矩和压力传感器 第一节第一节 测力传感器测力传感器 (1)工作原理工作原理 一、电阻应变式测力传感器一、电阻应变式测力传感器 3. 3. 应变片应变片 dRddldS RlS dl l 2=-2 dSdr Sr 为电阻丝电阻率的相对变为电阻丝电阻率的相对变 化，根据压阻效应可得化，根据压阻效应可得 /d LL d E 第三章 力、扭矩和压力传感器 第一节第一节

21、测力传感器测力传感器 (1)工作原理工作原理 一、电阻应变式测力传感器一、电阻应变式测力传感器 3. 3. 应变片应变片 /(12 ) L dR RE 由尺寸变化由尺寸变化 引起引起 由压阻效应由压阻效应 引起引起 对于金属丝，第二部分可忽略不计。则：对于金属丝，第二部分可忽略不计。则： 21 )21 ( KK K R dR 金属电阻丝灵敏系数，式中： 第三章 力、扭矩和压力传感器 第一节第一节 测力传感器测力传感器 (2)电阻应变片电阻应变片 一、电阻应变式测力传感器一、电阻应变式测力传感器 3. 3. 应变片应变片 第三章 力、扭矩和压力传感器 第一节第一节 测力传感器测力传感器 一、电阻

22、应变式测力传感器一、电阻应变式测力传感器 3. 应变片应变片 基片基片 覆盖层覆盖层 金属丝金属丝 引线引线 /(12 )dR RK 12K 第三章 力、扭矩和压力传感器 第一节第一节 测力传感器测力传感器 一、电阻应变式测力传感器一、电阻应变式测力传感器 3. 应变片应变片 基片基片 覆盖层覆盖层 金属丝金属丝 引线引线 金属丝的作用是感受机械试金属丝的作用是感受机械试 件的应变变化，称它为敏感件的应变变化，称它为敏感 栅。栅。 第三章 力、扭矩和压力传感器 第一节第一节 测力传感器测力传感器 一、电阻应变式测力传感器一、电阻应变式测力传感器 3. 应变片应变片 基片基片 覆盖层覆盖层 金属丝金属丝 引线引线 对金属丝的要求对金属丝的要求 1 1）具有较高的电阻系数）具有较高的电阻系数 2 2）具有尽可能大的电阻）具有尽可能大的电阻 应变灵敏度系数，而且要求电阻应变灵敏度系数在尽可能应变灵敏度系数，而且要求电阻应变灵敏度系数在尽可能 大的应变范围内保持为常数。大的应变范围内保持为常数。 3 3）具有较小的温度系数）具有较小的温度系数 4 4）具有较高的弹性极限，以便得到较宽的测量范围）具有较高的弹性极限，以便得到较宽的测量范围 5 5）良好的加工性和焊接性）良好的加工性和焊接性 6 6）对铜的热电动势要小）对铜