ap4應(yīng)變式傳感器PPT學(xué)習(xí)課件

1、1,問(wèn)題：,哪個(gè)是敏感元件？ 哪個(gè)是傳感元件？ 傳感元件的工作原理是什么？ 傳感元件和彈性體的關(guān)系是什么？ 傳感元件測(cè)量的是什么參數(shù)？ 動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性？ 信號(hào)調(diào)理電路如何設(shè)計(jì)？,第1頁(yè)/共163頁(yè), 牛牛文庫(kù)文檔分享,2,本章主要內(nèi)容,電阻應(yīng)變片工作原理 電阻應(yīng)變片的種類(lèi)、材料和性能參數(shù)指標(biāo) 動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性 溫度誤差及其補(bǔ)償方法 電橋原理 幾種應(yīng)變式傳感器的工作原理,第2頁(yè)/共163頁(yè), 牛牛文庫(kù)文檔分享,3,金屬導(dǎo)體的電阻值隨其機(jī)械變形而發(fā)生變化的現(xiàn)象電阻應(yīng)變效應(yīng)。,:電阻系數(shù) l:金屬導(dǎo)線長(zhǎng)度 S:金屬導(dǎo)線截面積,4.1 電阻應(yīng)變效應(yīng),第3頁(yè)/共163頁(yè), 牛牛文庫(kù)文檔分享,4,第4頁(yè)/共16

2、3頁(yè), 牛牛文庫(kù)文檔分享,5,第5頁(yè)/共163頁(yè), 牛牛文庫(kù)文檔分享,6,K0的大小與絲的材料有關(guān)，與應(yīng)變數(shù)值有 關(guān)。,即：,第6頁(yè)/共163頁(yè), 牛牛文庫(kù)文檔分享,7,常用材料:,1)康銅（5060%Cu,40%Ni),K=2.2;,2)鎳鉻（80%Ni,20%Cr),K=2.4;,應(yīng)變片的標(biāo)稱靈敏系數(shù)為：,測(cè)量條件：鋼試件，單向應(yīng)力狀態(tài)。,第7頁(yè)/共163頁(yè), 牛牛文庫(kù)文檔分享,8,應(yīng)變片的外形,取絲繞結(jié)構(gòu)分析,第8頁(yè)/共163頁(yè), 牛牛文庫(kù)文檔分享,9,4.2 電阻應(yīng)變片,L和b分別稱為應(yīng)變片的基長(zhǎng)和寬度,第9頁(yè)/共163頁(yè), 牛牛文庫(kù)文檔分享,10,一、基本結(jié)構(gòu)組成,敏感柵：柵狀,要求

3、靈敏系數(shù)大、溫度系數(shù)小，如：康銅、鎳鉻合金等。 基底和蓋層（保護(hù)層）：紙質(zhì)或膠質(zhì)。要求機(jī)械強(qiáng)度高、絕緣性好、抗潮、耐熱。厚度0.030.06mm. 粘結(jié)劑：粘結(jié)力強(qiáng)、機(jī)械性能可靠。如：硝化纖維素、聚脂樹(shù)脂、氰基丙稀酸等。 引線：低阻鍍錫銅線。,第10頁(yè)/共163頁(yè), 牛牛文庫(kù)文檔分享,11,二、應(yīng)變片的類(lèi)型,金屬絲式應(yīng)變片：制作簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定。 金屬箔式應(yīng)變片：利用照相制版或光刻技術(shù)，將厚約為0.0030.01mm的金屬箔片制成敏感柵。 金屬薄膜應(yīng)變片：金屬薄膜應(yīng)變片是是采用真空蒸發(fā)或真空沉積等方法，在薄的絕緣基片上形成厚度在0.1m以下的金屬電阻材料薄膜的敏感柵。 半導(dǎo)體應(yīng)變片：采用半導(dǎo)體材

4、料制作。,第11頁(yè)/共163頁(yè), 牛牛文庫(kù)文檔分享,12,金屬箔式應(yīng)變片,尺寸小、圖形準(zhǔn)確 橫向靈敏度小 容許電流大 疲勞壽命長(zhǎng) 生產(chǎn)效率高,第12頁(yè)/共163頁(yè), 牛牛文庫(kù)文檔分享,13,半導(dǎo)體應(yīng)變片,原理： 壓阻效應(yīng)；,優(yōu)點(diǎn)：體積小、靈敏度高（比金屬 應(yīng)變片大幾十倍），機(jī)械滯后小；,缺點(diǎn)：溫度系數(shù)大、非線性差、靈敏 度分散性大。,第13頁(yè)/共163頁(yè), 牛牛文庫(kù)文檔分享,14,應(yīng)變片的粘貼,準(zhǔn)備工作：對(duì)彈性元件的表面進(jìn)行處理 粘貼應(yīng)變片 連線組橋 復(fù)查 固化,第14頁(yè)/共163頁(yè), 牛牛文庫(kù)文檔分享,15,橫向效應(yīng)分析：,設(shè)絲總長(zhǎng)為L(zhǎng),對(duì)n段直線部分：,平面應(yīng)變場(chǎng)任意方向的線應(yīng)變?yōu)椋?對(duì)圓

5、弧部分：,第15頁(yè)/共163頁(yè), 牛牛文庫(kù)文檔分享,16,第16頁(yè)/共163頁(yè), 牛牛文庫(kù)文檔分享,17,圓弧部分相對(duì)總電阻的變化為：,總的電阻變化為：,第17頁(yè)/共163頁(yè), 牛牛文庫(kù)文檔分享,18,令：,第18頁(yè)/共163頁(yè), 牛牛文庫(kù)文檔分享,19,定義橫向效應(yīng)系數(shù)C：,在單向應(yīng)力狀態(tài)下：,應(yīng)變片的靈敏系數(shù)：,第19頁(yè)/共163頁(yè), 牛牛文庫(kù)文檔分享,20,決定橫向效應(yīng)大小的因素：,橫向部分絲的電阻占總電阻的比例； 橫向部分絲的總長(zhǎng)度。,第20頁(yè)/共163頁(yè), 牛牛文庫(kù)文檔分享,21,討論1：應(yīng)變片測(cè)量的是哪個(gè)物理量， 線應(yīng)變的表達(dá)式是什么？,答:線應(yīng)變,答:長(zhǎng)度有限,阻值太小。,討論2

6、：測(cè)量應(yīng)變?yōu)槭裁床挥靡桓苯?屬絲，而要繞成柵狀？,應(yīng)變是一個(gè)點(diǎn)的應(yīng)變，應(yīng)變片測(cè)量到的是柵長(zhǎng)內(nèi)的平均應(yīng)變。,第21頁(yè)/共163頁(yè), 牛牛文庫(kù)文檔分享,22,討論3：在應(yīng)變片實(shí)際使用過(guò)程中， 利用標(biāo)稱靈敏系數(shù)計(jì)算應(yīng)變，存在 哪些原理誤差？,1）材料不同引起的誤差:,不同的材料，其不同。即使應(yīng)力狀態(tài) 相同，應(yīng)變場(chǎng)可能不同;,2）應(yīng)力狀態(tài)不同引起的誤差:,第22頁(yè)/共163頁(yè), 牛牛文庫(kù)文檔分享,23,2）應(yīng)力狀態(tài)不同引起的誤差:,標(biāo)定-單向應(yīng)力狀態(tài)；,其它應(yīng)力狀態(tài)下：,第23頁(yè)/共163頁(yè), 牛牛文庫(kù)文檔分享,24,按標(biāo)定靈敏系數(shù)計(jì)算的應(yīng)變值：,誤差,特殊：,當(dāng),有,第24頁(yè)/共163頁(yè), 牛牛文

7、庫(kù)文檔分享,25,討論4：應(yīng)變片作為敏感元件與彈性體 結(jié)合構(gòu)成傳感器時(shí)，是否要對(duì)材料或應(yīng) 力狀態(tài)進(jìn)行修正？,答：不用。因?yàn)閼?yīng)變片粘貼處的應(yīng)力 狀態(tài)是不變的，經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)以后,只要傳感 器有良好的重復(fù)性即可。,注：應(yīng)變片既可以作為敏感元件測(cè)量 應(yīng)變，也可以作為傳感元件測(cè)量其它量。,第25頁(yè)/共163頁(yè), 牛牛文庫(kù)文檔分享,26,4.3 應(yīng)變片的主要參數(shù),1. 應(yīng)變片的靈敏系數(shù)k,原因：1）基底傳遞衰減；2）存在橫向效應(yīng)。,2.橫向效應(yīng)系數(shù),第26頁(yè)/共163頁(yè), 牛牛文庫(kù)文檔分享,27,橫向效應(yīng)總是起著抵消縱向應(yīng)變的作用。 r、lC橫向效應(yīng)小 采用短接式、直角式橫柵減小橫向效應(yīng),結(jié)論：,第27頁(yè)/共

8、163頁(yè), 牛牛文庫(kù)文檔分享,28,3. 應(yīng)變極限,在一定溫度下，應(yīng)變片的指示應(yīng)變下降到真實(shí)應(yīng)變的90%時(shí)的真實(shí)應(yīng)變。,影響因素：粘接層的厚度、敏感柵材料的彈性變形范圍。,第28頁(yè)/共163頁(yè), 牛牛文庫(kù)文檔分享,29,4. 機(jī)械滯后,原因：基底和粘結(jié)劑的殘余變形。,減小方法：使用前進(jìn)行多次循環(huán)加、卸載荷。,第29頁(yè)/共163頁(yè), 牛牛文庫(kù)文檔分享,30,5. 零漂和蠕變,零漂：指示隨時(shí)間的漂移（未加載、溫度恒定）。 原因： 敏感柵通電流后的溫度效應(yīng) 應(yīng)變片的內(nèi)應(yīng)力 固化不充分,蠕變：在某一恒定溫度下，對(duì)試件加一恒定應(yīng)變，這時(shí)指示應(yīng)變隨時(shí)間變化的特性。,第30頁(yè)/共163頁(yè), 牛牛文庫(kù)文檔分享

9、,31,6. 應(yīng)變片的阻值和允許電流,標(biāo)準(zhǔn)化的阻值： 60 、120 、350 、600 、1000等,允許電流： 靜態(tài)測(cè)量時(shí)：典型取值25mA； 動(dòng)態(tài)測(cè)量時(shí)：比靜態(tài)電流大一些。,第31頁(yè)/共163頁(yè), 牛牛文庫(kù)文檔分享,32,4.4 電阻應(yīng)變片的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性,一、應(yīng)變波的傳播過(guò)程 機(jī)械應(yīng)變以相同于聲波速度的應(yīng)變波形式在材料中傳播。,應(yīng)變波在構(gòu)件材料中傳播速度：,彈性模量,構(gòu)件材料密度,應(yīng)變波從基底和粘接劑傳到敏感柵：,所需時(shí)間為10-8s量級(jí)，可以忽略。,第32頁(yè)/共163頁(yè), 牛牛文庫(kù)文檔分享,33,二、應(yīng)變片可測(cè)頻率的估算,1、正弦應(yīng)變波：,應(yīng)變波在應(yīng)變片敏感柵長(zhǎng)度內(nèi)傳播：,應(yīng)變片測(cè)量的

10、為柵長(zhǎng)內(nèi)線應(yīng)變的平均值。,第33頁(yè)/共163頁(yè), 牛牛文庫(kù)文檔分享,34,設(shè)某測(cè)試點(diǎn)的應(yīng)變振動(dòng)方程：,距離、速度、波長(zhǎng)、頻率的關(guān)系：,代入振動(dòng)方程，得到波動(dòng)方程：,第34頁(yè)/共163頁(yè), 牛牛文庫(kù)文檔分享,35,第35頁(yè)/共163頁(yè), 牛牛文庫(kù)文檔分享,36,當(dāng)：,第36頁(yè)/共163頁(yè), 牛牛文庫(kù)文檔分享,37,概念：柵長(zhǎng)越短，頻響越高。,設(shè)L=n時(shí)，滿足測(cè)試精度要求。,當(dāng)：,第37頁(yè)/共163頁(yè), 牛牛文庫(kù)文檔分享,38,2. 階躍應(yīng)變波,第38頁(yè)/共163頁(yè), 牛牛文庫(kù)文檔分享,39,4.5 應(yīng)變測(cè)量電橋電路,一、電阻電橋原理:,1、單臂電橋,第39頁(yè)/共163頁(yè), 牛牛文庫(kù)文檔分享,40

11、,第40頁(yè)/共163頁(yè), 牛牛文庫(kù)文檔分享,41,第41頁(yè)/共163頁(yè), 牛牛文庫(kù)文檔分享,42,第42頁(yè)/共163頁(yè), 牛牛文庫(kù)文檔分享,43,單臂電橋的工作特性。,第43頁(yè)/共163頁(yè), 牛牛文庫(kù)文檔分享,44,第44頁(yè)/共163頁(yè), 牛牛文庫(kù)文檔分享,45,相鄰橋臂，電阻一個(gè)增加、一個(gè)減少.,2、 差動(dòng)電橋：,第45頁(yè)/共163頁(yè), 牛牛文庫(kù)文檔分享,46,3、 全橋： 四臂都是應(yīng)變片，且相鄰電阻變化相反,第46頁(yè)/共163頁(yè), 牛牛文庫(kù)文檔分享,47,第47頁(yè)/共163頁(yè), 牛牛文庫(kù)文檔分享,48,有關(guān)差動(dòng)電橋的說(shuō)明：,輸出靈敏度提高。 增大輸入電壓可提高靈敏度，但受傳感元件功耗限制。

12、 采用差動(dòng)電橋可以減小非線性誤差，減小程度與電橋結(jié)構(gòu)形式有關(guān)。(*) 具有溫度誤差補(bǔ)償作用。(*),第48頁(yè)/共163頁(yè), 牛牛文庫(kù)文檔分享,49,典型組橋方式,第49頁(yè)/共163頁(yè), 牛牛文庫(kù)文檔分享,50,二、直流電橋的非線性誤差及其補(bǔ)償,對(duì)于單臂電橋：,有：,第50頁(yè)/共163頁(yè), 牛牛文庫(kù)文檔分享,51,非線性項(xiàng),取擬和直線特性：,結(jié)論：滿量程輸入時(shí)，非線性偏差最大。,擬合直線和實(shí)際工作特性之間的偏差為 非線性誤差。,第51頁(yè)/共163頁(yè), 牛牛文庫(kù)文檔分享,52,非線性誤差：,第52頁(yè)/共163頁(yè), 牛牛文庫(kù)文檔分享,53,略去高階小量，非線性偏差簡(jiǎn)化為：,實(shí)際輸出電壓：,第53頁(yè)/

13、共163頁(yè), 牛牛文庫(kù)文檔分享,54,舉例：,對(duì)于電阻應(yīng)變片：設(shè)max 2000， K2，則：,對(duì)于半導(dǎo)體應(yīng)變片：設(shè)max 1000， K125，則：,第54頁(yè)/共163頁(yè), 牛牛文庫(kù)文檔分享,55,減小非線性誤差的措施：,采用差動(dòng)半橋,第55頁(yè)/共163頁(yè), 牛牛文庫(kù)文檔分享,56,第56頁(yè)/共163頁(yè), 牛牛文庫(kù)文檔分享,57,結(jié)論：理想為線性，一般情況下非線性 誤差比單臂電橋的小。,擬和直線特性：,如果:,第57頁(yè)/共163頁(yè), 牛牛文庫(kù)文檔分享,58,對(duì)于全橋:,特殊情況：,結(jié)論：理想情況下為線性。,第58頁(yè)/共163頁(yè), 牛牛文庫(kù)文檔分享,59,采用恒流源,第59頁(yè)/共163頁(yè), 牛

14、牛文庫(kù)文檔分享,60,當(dāng)4臂產(chǎn)生應(yīng)變時(shí)：,第60頁(yè)/共163頁(yè), 牛牛文庫(kù)文檔分享,61,結(jié)論：非線性誤差為恒壓源的一半。,第61頁(yè)/共163頁(yè), 牛牛文庫(kù)文檔分享,62,采用雙恒流源,問(wèn)題：高精度的特性一致的恒流源比 較難實(shí)現(xiàn)。,第62頁(yè)/共163頁(yè), 牛牛文庫(kù)文檔分享,63,交流電橋,電橋的平衡調(diào)節(jié),第63頁(yè)/共163頁(yè), 牛牛文庫(kù)文檔分享,64,例題：有一應(yīng)變式測(cè)力傳感器，彈性元件為實(shí)心圓柱，直徑D40mm，沿圓柱的軸向和周向各粘貼兩片應(yīng)變片，應(yīng)變片的靈敏系數(shù)K1.9，標(biāo)稱阻值R100，構(gòu)成全橋。設(shè)力F10,000N,材料的彈性模量E200GPa，泊松比0.3，采用電壓源供電，若應(yīng)變片工

15、作電流為15mA，求電橋輸出電壓。,第64頁(yè)/共163頁(yè), 牛牛文庫(kù)文檔分享,65,三、 電阻應(yīng)變儀,電阻應(yīng)變儀,靜態(tài)電阻應(yīng)變儀,動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀,第65頁(yè)/共163頁(yè), 牛牛文庫(kù)文檔分享,66,第66頁(yè)/共163頁(yè), 牛牛文庫(kù)文檔分享,67,一個(gè)測(cè)量通道能接成一個(gè)測(cè)量電橋，其工作原理如圖。,有幾個(gè)測(cè)量通道，其實(shí)就是能接幾個(gè)測(cè)量電橋。,測(cè)量通道切換,第67頁(yè)/共163頁(yè), 牛牛文庫(kù)文檔分享,68,1. 橋臂切換法,橋臂切換法工作原理,第68頁(yè)/共163頁(yè), 牛牛文庫(kù)文檔分享,69,換種畫(huà)法,第69頁(yè)/共163頁(yè), 牛牛文庫(kù)文檔分享,70,應(yīng)變儀半橋切換工作原理,應(yīng)變儀內(nèi)部測(cè)量通道切換原理,第70

16、頁(yè)/共163頁(yè), 牛牛文庫(kù)文檔分享,71,應(yīng)變儀全橋切換原理,第71頁(yè)/共163頁(yè), 牛牛文庫(kù)文檔分享,72,2. 公共補(bǔ)償接線法,這種接線方法是單臂半橋接線法擴(kuò)展，適合于多點(diǎn)測(cè)量。,條件,多通道應(yīng)變儀,被測(cè)點(diǎn)比較靠近，在同一個(gè)溫度場(chǎng)中。,例：一根等強(qiáng)度梁，其上粘貼有多片應(yīng)變片。等強(qiáng)度梁在P力作用下，要求測(cè)量等強(qiáng)度梁上各點(diǎn)的應(yīng)變。,第72頁(yè)/共163頁(yè), 牛牛文庫(kù)文檔分享,73,公共接線圖,第73頁(yè)/共163頁(yè), 牛牛文庫(kù)文檔分享,74,公共接線在應(yīng)變儀上的連接原理,第74頁(yè)/共163頁(yè), 牛牛文庫(kù)文檔分享,75,4.6 溫度誤差及其補(bǔ)償,一、產(chǎn)生原因：,敏感柵的金屬電阻本身隨溫度發(fā)生變化：

17、Rt=R0（1+t) R t=R0t Rt：溫度為t時(shí)的電阻值； R0：溫度為t0時(shí)的電阻值； ：電阻溫度系數(shù),第75頁(yè)/共163頁(yè), 牛牛文庫(kù)文檔分享,76,試件材料與應(yīng)變材料的線膨脹系數(shù)不同引起應(yīng)變片附加形變：,l0,ls,lg,試件,應(yīng)變片,應(yīng)變片形變：ls=sl0t s :應(yīng)變片線膨 脹系數(shù)。,試件形變：lg=gl0t g :試件線膨脹系數(shù)。,第76頁(yè)/共163頁(yè), 牛牛文庫(kù)文檔分享,77,總的電阻變化： R t = R t + R t =R 0 t +R0K (g - s)t R t /R 0 = t +K (g - s)t,附加形變：l=lg- ls =(g- s) l0t 附加應(yīng)

18、變：=l/l0=(g - s) t 附加電阻變化： R t =R 0 K=R 0 K (g - s)t,折算成應(yīng)變：,第77頁(yè)/共163頁(yè), 牛牛文庫(kù)文檔分享,78,二、溫度補(bǔ)償方法,工作應(yīng)變片貼在試件上，補(bǔ)償片貼在補(bǔ)償件上，補(bǔ)償件的材料與試件相同，但是不受力，并接入電橋相鄰臂。 設(shè)：R1=R2=R3=R4=R R1t=R2t,1、橋路補(bǔ)償法：,第78頁(yè)/共163頁(yè), 牛牛文庫(kù)文檔分享,79,受力后:,第79頁(yè)/共163頁(yè), 牛牛文庫(kù)文檔分享,80,特點(diǎn)：可以大大減小溫度誤差，但不能完 全消除溫度誤差。,第80頁(yè)/共163頁(yè), 牛牛文庫(kù)文檔分享,81,工作片、補(bǔ)償片貼在同一構(gòu)件上，但兩者感受的

19、應(yīng)變符號(hào)相反。, 工作片、補(bǔ)償片貼在同一構(gòu)件上，但補(bǔ)償片不受力作用。,第81頁(yè)/共163頁(yè), 牛牛文庫(kù)文檔分享,82,2、應(yīng)變片自補(bǔ)償法基本思想：應(yīng)變片當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí)，產(chǎn)生的附加應(yīng)變?yōu)榱慊蛉舾刹糠种g相互抵消。,要使：R t =0 則：+K（g -s ）=0 求得： = -K（g - s ） 特點(diǎn)：制作簡(jiǎn)單、成本低； 缺點(diǎn): 只能在某種材料的試件上才能得到補(bǔ)償效果。 隨溫度變化為非線性時(shí)，引起輸出非線性。,適用于某一種構(gòu)件材料的自補(bǔ)償應(yīng)變片：,第82頁(yè)/共163頁(yè), 牛牛文庫(kù)文檔分享,83,雙金屬敏感柵自補(bǔ)償片（組合式自補(bǔ)償應(yīng)變片）,兩種不同溫度系數(shù)（一正一負(fù)）的金屬絲串聯(lián)繞制成敏感柵。,焊

20、點(diǎn),注意：R為一個(gè)橋臂電阻。,第83頁(yè)/共163頁(yè), 牛牛文庫(kù)文檔分享,84,特點(diǎn)：補(bǔ)償精度高、靈敏度不受損失。,第84頁(yè)/共163頁(yè), 牛牛文庫(kù)文檔分享,85,雙金屬半橋片,敏感柵由同符號(hào)電阻溫度系數(shù)的兩種合金絲串接而成。 敏感柵的兩部分電阻R1和R2分別接入電橋的相鄰兩臂上。,特點(diǎn)：,鉑或鉑合金,第85頁(yè)/共163頁(yè), 牛牛文庫(kù)文檔分享,86,優(yōu)點(diǎn)：適合于不同線膨脹系數(shù)的試件，調(diào)整R B，可使熱補(bǔ)償效果達(dá)到最佳。 缺點(diǎn)： 由于補(bǔ)償柵和工作柵感受相同應(yīng)變，所以補(bǔ)償同時(shí)抵消有效應(yīng)變，使輸出靈敏度降低； 對(duì)R 2要求高,通常為Pt電阻。,第86頁(yè)/共163頁(yè), 牛牛文庫(kù)文檔分享,87,3、靈敏度

21、的熱敏電阻補(bǔ)償法,溫度升高使應(yīng)變片靈敏度降低輸出Usc T并聯(lián)熱敏電阻Rt阻值下降輸出Usc 適當(dāng)選擇電阻R5可起到補(bǔ)償作用。,第87頁(yè)/共163頁(yè), 牛牛文庫(kù)文檔分享,88,4.7 應(yīng)變式傳感器,應(yīng)變式傳感器 = 彈性敏感元件+應(yīng)變片,電阻應(yīng)變式傳感器的特點(diǎn):,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸小、 重量輕； 使用方便、變換電路簡(jiǎn)單； 精度高、測(cè)量范圍大、穩(wěn)定性好； 測(cè)力：零點(diǎn)幾N到幾百kN，0.05%F.S 測(cè)壓：幾十Pa至1011Pa，0.1%F.S 價(jià)格便宜、品種多樣； 應(yīng)用廣泛。,第88頁(yè)/共163頁(yè), 牛牛文庫(kù)文檔分享,89,傳感器的彈性敏感元件,常用彈性敏感元件： 彈性梁、柱、筒 膜片 膜盒 框架

22、波紋管 圓環(huán),第89頁(yè)/共163頁(yè), 牛牛文庫(kù)文檔分享,90,常用彈性元件材料,強(qiáng)度高：具有較高的抗壓(或抗拉)強(qiáng)度,以便在大載荷下有足夠的安全性能； 溫度系數(shù)小且穩(wěn)定； 彈性滯后、彈性后效?。?良好的機(jī)械加工和熱處理性能； 耐腐蝕性能好。,鉻鋼 合金鋼 鉻錳彈簧鋼 鈹青銅 鋁合金,第90頁(yè)/共163頁(yè), 牛牛文庫(kù)文檔分享,91,柱式力彈性敏感元件:,特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可承受很大載荷 多種截面形狀：實(shí)心截面、空心截面,軸向產(chǎn)生的應(yīng)力、應(yīng)變（=0）,橫向產(chǎn)生的應(yīng)變（=900）,第91頁(yè)/共163頁(yè), 牛牛文庫(kù)文檔分享,92,梁式力彈性敏感元件,1.等截面梁,第92頁(yè)/共163頁(yè), 牛牛文庫(kù)文檔分享

23、,93,2、等強(qiáng)度梁,第93頁(yè)/共163頁(yè), 牛牛文庫(kù)文檔分享,94,3、雙端固定梁式,第94頁(yè)/共163頁(yè), 牛牛文庫(kù)文檔分享,95,第95頁(yè)/共163頁(yè), 牛牛文庫(kù)文檔分享,96,4、環(huán),第96頁(yè)/共163頁(yè), 牛牛文庫(kù)文檔分享,97,壓力彈性敏感元件,特點(diǎn)：空心，如： 彈簧管 波紋膜片和膜盒 平膜片 薄壁圓筒,第97頁(yè)/共163頁(yè), 牛牛文庫(kù)文檔分享,98,第98頁(yè)/共163頁(yè), 牛牛文庫(kù)文檔分享,99,圓形平膜片,第99頁(yè)/共163頁(yè), 牛牛文庫(kù)文檔分享,100,薄壁圓筒,第100頁(yè)/共163頁(yè), 牛牛文庫(kù)文檔分享,101,4.7.1 應(yīng)變式力傳感器,測(cè)力傳感器的性能要求：,第101頁(yè)

24、/共163頁(yè), 牛牛文庫(kù)文檔分享,102,測(cè)力傳感器應(yīng)標(biāo)明參數(shù)：,第102頁(yè)/共163頁(yè), 牛牛文庫(kù)文檔分享,103,特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、適合大載荷測(cè)量 多種截面形狀：實(shí)心截面、空心截面,1、柱式力傳感器,第103頁(yè)/共163頁(yè), 牛牛文庫(kù)文檔分享,104,彈性工作段,第104頁(yè)/共163頁(yè), 牛牛文庫(kù)文檔分享,105,相對(duì)兩片串聯(lián)，并置于對(duì)臂，消除偏心干擾。,第105頁(yè)/共163頁(yè), 牛牛文庫(kù)文檔分享,106,軸向產(chǎn)生的應(yīng)力、應(yīng)變,橫向產(chǎn)生的應(yīng)變,基本原理：,第106頁(yè)/共163頁(yè), 牛牛文庫(kù)文檔分享,107,舉例：傳感器的尺寸設(shè)計(jì)：,額定許用應(yīng)變：,要求：設(shè)計(jì)1000kgf空心柱式力傳感器。,

25、彈性元件的材料：,40CrNiMo,a、橫截面的計(jì)算,第107頁(yè)/共163頁(yè), 牛牛文庫(kù)文檔分享,108,選外徑 d1的原則：,1)不能過(guò)小，否則會(huì)失穩(wěn),且由于力的 偏心產(chǎn)生較大誤差；,2)不能過(guò)大，否則會(huì)由于壁太薄產(chǎn)生失穩(wěn)。,第108頁(yè)/共163頁(yè), 牛牛文庫(kù)文檔分享,109,取d1=15mm,取d2=13mm,b、柱高h(yuǎn)的計(jì)算,h選擇的原則：,1)不能過(guò)大，否則會(huì)產(chǎn)生失穩(wěn)；,2)不能過(guò)小，否則應(yīng)變沿軸線分布不 均勻。,第109頁(yè)/共163頁(yè), 牛牛文庫(kù)文檔分享,110,c、傳感器輸出計(jì)算,滿量程下的軸向應(yīng)變?yōu)椋?傳感器的讀數(shù)應(yīng)變?yōu)?按全橋計(jì)算）：,恒壓供橋時(shí)，橋壓為：,P-敏感柵上的功率密

26、度（W/mm2);,Ag-敏感柵面積（mm2);,第110頁(yè)/共163頁(yè), 牛牛文庫(kù)文檔分享,111,?。?取u=10V,K=2，則：,第111頁(yè)/共163頁(yè), 牛牛文庫(kù)文檔分享,112,第112頁(yè)/共163頁(yè), 牛牛文庫(kù)文檔分享,113,減小橫向力的措施,采用空心圓柱型彈性元件；,在載荷作用的端部附加承彎膜片；,采用扁平式彈性元件：,第113頁(yè)/共163頁(yè), 牛牛文庫(kù)文檔分享,114,汽車(chē)衡,整體稱重,地秤稱軸重,第114頁(yè)/共163頁(yè), 牛牛文庫(kù)文檔分享,汽車(chē)衡稱重系統(tǒng)-地秤的結(jié)構(gòu),第115頁(yè)/共163頁(yè), 牛牛文庫(kù)文檔分享,116,2、懸臂梁式力傳感器,它適于測(cè)量500Kg以下的載荷，最

27、小為測(cè)幾十克重的力，這種傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工容易、應(yīng)變片易粘貼、靈敏度高等特點(diǎn)。,第116頁(yè)/共163頁(yè), 牛牛文庫(kù)文檔分享,117,第117頁(yè)/共163頁(yè), 牛牛文庫(kù)文檔分享,118,問(wèn)題：傳感器的輸出隨載荷的位置而改變。,第118頁(yè)/共163頁(yè), 牛牛文庫(kù)文檔分享,119,問(wèn)題：為什么開(kāi)孔？,第119頁(yè)/共163頁(yè), 牛牛文庫(kù)文檔分享,120,電橋輸出為：,第120頁(yè)/共163頁(yè), 牛牛文庫(kù)文檔分享,121,結(jié)論：電橋輸出與載荷位置無(wú)關(guān)！,適合量程：小量程。,第121頁(yè)/共163頁(yè), 牛牛文庫(kù)文檔分享,應(yīng)用實(shí)例：電子秤,第122頁(yè)/共163頁(yè), 牛牛文庫(kù)文檔分享,人體秤,第123頁(yè)/共

28、163頁(yè), 牛牛文庫(kù)文檔分享,124,3、圓環(huán)式力傳感器,特點(diǎn)：測(cè)量中等和 較小力值。,在20區(qū)域內(nèi)截面的內(nèi)力為：,軸力:,剪力:,彎矩:,第124頁(yè)/共163頁(yè), 牛牛文庫(kù)文檔分享,125,此處應(yīng)變并非最大。為什么在此布片？,第125頁(yè)/共163頁(yè), 牛牛文庫(kù)文檔分享,126,圓環(huán)力傳感器動(dòng)畫(huà)演示：,第126頁(yè)/共163頁(yè), 牛牛文庫(kù)文檔分享,吊鉤秤,便攜式,第127頁(yè)/共163頁(yè), 牛牛文庫(kù)文檔分享,128,某應(yīng)變式力傳感器分解圖：,第128頁(yè)/共163頁(yè), 牛牛文庫(kù)文檔分享,129,4.7.2 壓力傳感器,1、正壓力與壓強(qiáng),正壓力：物體與物體在垂直于接觸表面方向的相互作用力，單位：N。,

29、對(duì)于流體(氣、液),工程上習(xí)慣稱為壓力。,壓強(qiáng)：?jiǎn)挝幻娣e上作用的正壓力。 單位：N/m2或Pa。,第129頁(yè)/共163頁(yè), 牛牛文庫(kù)文檔分享,130,適用于測(cè)量液體或氣體的壓力.其特性參數(shù)受圓板的周邊的固定情況影響大。,2、膜片式壓力傳感器,膜片結(jié)構(gòu)形式,第130頁(yè)/共163頁(yè), 牛牛文庫(kù)文檔分享,131,R為膜片自由變形部分的半徑；,為膜片的厚度；,為膜片中心的垂直位移；,特點(diǎn)：壓力與位移為非線性關(guān)系。,波紋膜片：（正弦波、三角波等）,為膜片材料的泊松比。,第131頁(yè)/共163頁(yè), 牛牛文庫(kù)文檔分享,132,a,b,c取決于波紋形狀、峰峰值和條紋數(shù)；,特點(diǎn)：壓力與位移為非線性關(guān)系，但非線性程

30、度比平膜片小。,第132頁(yè)/共163頁(yè), 牛牛文庫(kù)文檔分享,133,平膜片應(yīng)變分析,膜片在均勻壓力P的作用下，徑向應(yīng)力r和切向應(yīng)力t為：,第133頁(yè)/共163頁(yè), 牛牛文庫(kù)文檔分享,134,式中，R為膜片半徑，r為位置參量，h為膜片厚度，為材料泊松比。,利用胡克定律求徑向應(yīng)變和切向應(yīng)變?yōu)椋?E為材料的彈性模量。,由此得到的應(yīng)變分布曲線為：,第134頁(yè)/共163頁(yè), 牛牛文庫(kù)文檔分享,135,應(yīng)變分布特點(diǎn)：,1）最大正應(yīng)變：正應(yīng)變最大在圓心，方向沿徑向或切向；,第135頁(yè)/共163頁(yè), 牛牛文庫(kù)文檔分享,136,2)負(fù)應(yīng)變最大在平膜片的固定處，方向沿直徑方向。,第136頁(yè)/共163頁(yè), 牛牛文庫(kù)

31、文檔分享,137,膜片式壓力傳感器的一種敏感元件結(jié)構(gòu),一共4個(gè) 部分；構(gòu) 成電橋。,第137頁(yè)/共163頁(yè), 牛牛文庫(kù)文檔分享,138,平膜片傳感器實(shí)物照片,第138頁(yè)/共163頁(yè), 牛牛文庫(kù)文檔分享,139,第139頁(yè)/共163頁(yè), 牛牛文庫(kù)文檔分享,140,2、筒式壓力傳感器,設(shè)圓筒的內(nèi)半徑為a1;,圓筒的外半徑為a2;,令：,圓筒外表面的周向和軸向應(yīng)力分別為：,1）圓筒內(nèi)作用壓力P,第140頁(yè)/共163頁(yè), 牛牛文庫(kù)文檔分享,141,圓筒外表面的周向和軸向應(yīng)變分別為：,特點(diǎn)：兩個(gè)方向的應(yīng)變皆大于零；周向 應(yīng)變大于軸向應(yīng)變。,第141頁(yè)/共163頁(yè), 牛牛文庫(kù)文檔分享,142,布片方案：兩

32、個(gè)周向應(yīng)變片和兩個(gè)溫度補(bǔ)償片，恒壓電橋輸出為：,圓筒內(nèi)表面的周向和軸向應(yīng)力分別為：,2) 圓筒外作用壓力,第142頁(yè)/共163頁(yè), 牛牛文庫(kù)文檔分享,143,內(nèi)表面的周向應(yīng)變?yōu)樨?fù)，大小為：,恒壓電橋輸出為：,第143頁(yè)/共163頁(yè), 牛牛文庫(kù)文檔分享,144,4.7.3 應(yīng)變式位移傳感器,梁式彈性元件位移傳感器,第144頁(yè)/共163頁(yè), 牛牛文庫(kù)文檔分享,145,組合應(yīng)變式位移傳感器,關(guān)系：被測(cè)位移彈簧變形梁位移,第145頁(yè)/共163頁(yè), 牛牛文庫(kù)文檔分享,146,4.7.4 扭矩傳感器,0 90 180 270,3 1 2 4,第146頁(yè)/共163頁(yè), 牛牛文庫(kù)文檔分享,147,第147頁(yè)/

33、共163頁(yè), 牛牛文庫(kù)文檔分享,扭力扳手-反映力和力臂的乘積大小,可用于汽車(chē)、摩托車(chē)、飛機(jī)、內(nèi)燃機(jī)、機(jī)械制造和家用電器等領(lǐng)域，準(zhǔn)確控制緊固螺紋的裝配扭矩。量程2500N.m，耗電量10mA，有公制/英制單位轉(zhuǎn)換、峰值保持、自動(dòng)斷電等功能。,第148頁(yè)/共163頁(yè), 牛牛文庫(kù)文檔分享,149,4.7.5 加速度傳感器,設(shè)被測(cè)對(duì)象的 運(yùn)動(dòng)規(guī)律為：,對(duì)質(zhì)量塊進(jìn)行受力 分析：,彈簧的作用力為：,第149頁(yè)/共163頁(yè), 牛牛文庫(kù)文檔分享,150,阻尼力為：,慣性力為：,質(zhì)量塊受力平衡分析：,注：此處的x為去除掉重 力mg引起的彈簧變形后 的彈簧變形量。,第150頁(yè)/共163頁(yè), 牛牛文庫(kù)文檔分享,151,即：,或：,上式改寫(xiě)為：,第151頁(yè)/共163頁(yè), 牛牛文庫(kù)文檔分享,152,解為：,第152頁(yè)/共163頁(yè), 牛牛文庫(kù)文檔分享,153,第153頁(yè)/共163頁(yè), 牛牛文庫(kù)文檔分享,154,結(jié)論：在