傳感器測(cè)量懸臂梁撓度

1、傳感器測(cè)量懸臂梁撓度電阻應(yīng)變片傳感器電阻應(yīng)變片傳感器 磁電式傳感器磁電式傳感器 電容式傳感器電容式傳感器 電渦流傳感器電渦流傳感器4123目錄懸臂梁撓度計(jì)算(1).以固定端為原點(diǎn)，取直角坐標(biāo)系 。研究右側(cè)梁段的平衡，彎矩方程為：MAxlABFBBFAyxx)()(xlFxM(2).列出撓曲線近似微分方程并進(jìn)行積分。得到：)( xlFEI經(jīng)兩次積分后，依次得：CFlxxFEI22DCxxFxFIE2326MAxlABFBBFAyx懸臂梁撓度計(jì)算(3).在固定端A處，撓度和轉(zhuǎn)角均為零。即當(dāng)x=0時(shí)，00故可得：0AEIC由此得到梁的轉(zhuǎn)角方程和撓度方程分別為：)2(2xlEIFx)3(62xlEIF

2、x懸臂梁撓度計(jì)算自由端處的撓度為：在距離固定端為x 的應(yīng)變值為：EAhxlFx)(6EIFlB33由式可得到自由端撓度與x 處應(yīng)變值的關(guān)系：xBxlIAhl)(183電阻應(yīng)變片傳感器原理基底引線覆蓋層電阻絲bl 彈性敏感元件在感受被測(cè)量時(shí)將產(chǎn)生變形，使其表面產(chǎn)生應(yīng)變。而粘貼在彈性敏感元件表面的電阻應(yīng)變片將隨著彈性敏感元件產(chǎn)生應(yīng)變，因此電阻應(yīng)變片的電阻值也產(chǎn)生相應(yīng)的變化。 這樣，通過(guò)測(cè)量電阻應(yīng)變片的電阻值變化，就可以確定被測(cè)量的大小了。 電阻應(yīng)變式傳感器由彈性敏感電阻應(yīng)變式傳感器由彈性敏感元件和電阻應(yīng)變片組成。 電阻應(yīng)變片傳感器原理R1R4xlR2 R3等截面懸臂梁距離固定端x 處順著 l 的方

3、向上粘貼R1 R2 R3 R4 電阻應(yīng)變片，此時(shí)R1 R4 受拉，R2 R3 受壓，兩者發(fā)生極性相反的等量應(yīng)變，將這些應(yīng)變片連成差動(dòng)電橋，粘貼應(yīng)變片處的應(yīng)變?yōu)椋篍AhxlFx)(6A為梁的橫截面積，h為梁的厚度E為彈性模量FU2電阻應(yīng)變片傳感器原理全橋差動(dòng)電路的工作應(yīng)變片為四個(gè)，兩個(gè)受拉，兩個(gè)受壓。在應(yīng)變片接入橋路時(shí)，將兩變形符號(hào)相同的應(yīng)變片接在相對(duì)臂內(nèi)，符號(hào)不同的接在相鄰臂內(nèi)。AUiBDC右圖所示的全橋差動(dòng)電路的輸出電壓為：iURRU02其中R1 =R2 =R3 =R4 =R0iURRRRRRRRRRRRU4342112故有：RR1RR2RR3RR4電阻應(yīng)變片傳感器原理SRR0將 代入 得：

4、 iURRU02ixSUU2-S為應(yīng)變片的靈敏度由此可知，可根據(jù)電橋電壓來(lái)計(jì)算應(yīng)變片的應(yīng)變值，進(jìn)而求出自由端的撓度xBxlIAhl)(183由前面可知：END磁電式傳感器工作原理：利用電磁感應(yīng)原理，將輸入(運(yùn)動(dòng)速度)轉(zhuǎn)換成線圈中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)輸出的傳感器。特點(diǎn)：有源傳感器：不需要提供電源;具有雙向轉(zhuǎn)換特性;只適用于動(dòng)態(tài)測(cè)量。工作原理 由電磁感應(yīng)定律，當(dāng)W匝線圈在均恒磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，設(shè)穿過(guò)線圈的磁通為，則線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e為： dtdWe工作原理線圈在恒定磁場(chǎng)中作直線運(yùn)動(dòng)，并切割磁力線，感生電勢(shì)為： sinsinWBlvdtdxWBleB：磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度；l:每匝線圈的有效長(zhǎng)度：運(yùn)動(dòng)方向與磁場(chǎng)方向之間

5、的夾角；v:線圈與磁場(chǎng)之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度，m/ssin/)(WBlCedtx實(shí)際應(yīng)用左圖為為磁電式速度傳感器的典型結(jié)構(gòu)。 在測(cè)振時(shí)，傳感器固定或緊壓于被測(cè)系統(tǒng)，磁鋼4與殼體2一起隨被測(cè)系統(tǒng)的振動(dòng)而振動(dòng)，裝在芯軸6上的線圈5和阻尼環(huán)3組成慣性系統(tǒng)的質(zhì)量塊并在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)。彈簧片1徑向剛度很大、軸向剛度很小，使慣性系統(tǒng)既得到可靠的徑向支承，又保證有很低的軸向固有頻率。阻尼環(huán)一方面可增加慣性系統(tǒng)質(zhì)量，降低固有頻率，另一方面在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的阻尼力使振動(dòng)系統(tǒng)具有合理的阻尼。END電容式傳感器測(cè)位移采用差動(dòng)式電橋結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)支梁作為動(dòng)極板，上下分別為兩動(dòng)極板，當(dāng)在簡(jiǎn)支梁上施加力F時(shí)，動(dòng)極板便向下移動(dòng)一距離，由

6、于移動(dòng)位移很小，故忽略其傾角，看成豎直移動(dòng)，根據(jù)移動(dòng)前后的電容差值即可測(cè)得位移量。測(cè)量原理：其中一個(gè)電容器C1的電容隨位移d增加時(shí)，另一個(gè)電容器C2的電容則減小，差動(dòng)電容器的總電容變化為： 簡(jiǎn)化電容：2000000021112ddddCddSddSCCC當(dāng)d/d1時(shí)，將上式按泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)，得：略去非線性高次項(xiàng)的：即：.12402000ddddddCC002ddCC002CdCd實(shí)施方案：ddsC01ddsC02UUUddddsddsdds.2.210.002UUdd得：END電渦流傳感器根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)原理，塊狀金屬導(dǎo)體置于變化的磁場(chǎng)中或在磁場(chǎng)中作切割磁力線運(yùn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)體內(nèi)將產(chǎn)生呈渦旋狀的感應(yīng)

7、電流，此電流叫電渦流，以上現(xiàn)象稱為電渦流效應(yīng)。而根據(jù)電渦流效應(yīng)制成的傳感器稱為電渦流式傳感器。電渦流傳感器的工作原理電渦流位移傳感器系統(tǒng)中，通入高頻振蕩電流至探頭線圈，在探頭頭部的線圈中產(chǎn)生交變的磁場(chǎng)。當(dāng)被測(cè)金屬體靠近這一磁場(chǎng)，則在此金屬表面產(chǎn)生感應(yīng)電流，電渦流.與此同時(shí)該電渦流場(chǎng)也產(chǎn)生一個(gè)方向與頭部線圈方向相反的交變磁場(chǎng)，由于其反作用，使頭部線圈高頻電流的幅度和相位得到改變（線圈的有效阻抗），這一變化與金屬體磁導(dǎo)率、電導(dǎo)率、線圈的幾何形狀、幾何尺寸、電流頻率以及頭部線圈到金屬導(dǎo)體表面的距離等參數(shù)有關(guān)。電渦流工作原理基本原理簡(jiǎn)述金屬導(dǎo)體置于變化著的磁場(chǎng)中，導(dǎo)體內(nèi)就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，這種電流像水中

8、旋渦那樣在導(dǎo)體內(nèi)轉(zhuǎn)圈，所以稱之為電渦流或渦流。這種現(xiàn)象就稱為渦流效應(yīng)。電渦流式傳感器就是在這種渦流效應(yīng)的基礎(chǔ)上建立起來(lái)的。要形成渦流必須具備下列二個(gè)條件：存在交變磁場(chǎng)；導(dǎo)電體處于交變磁場(chǎng)之中。因此，渦流式傳感器主要由產(chǎn)生交變磁場(chǎng)的通電線圈和置于線圈附近因而處于交變磁場(chǎng)中的金屬導(dǎo)體兩部分組成。金屬導(dǎo)體也可以是被測(cè)對(duì)象本身。 渦流作用原理 如上圖所示，如果把一個(gè)扁平線圈置于金屬導(dǎo)體附近，當(dāng)線圈中通以正弦交變電流 時(shí)，線圈的周圍空間就產(chǎn)生了正弦交變磁場(chǎng) ，處于此交變磁場(chǎng)中的金屬導(dǎo)體內(nèi)就會(huì)產(chǎn)生渦流 ，此渦流也將產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，其方向與的 方向相反。由于磁場(chǎng)的作用，渦流要消耗一部分能量，從而使產(chǎn)生磁場(chǎng)的線

9、圈阻抗發(fā)生變化?？梢钥闯觯€圈與金屬導(dǎo)體之間存在著磁性聯(lián)系。若把導(dǎo)體形象地看作一個(gè)短路線圈，其間的關(guān)系可用圖中所示的電路來(lái)表示。線圈與金屬導(dǎo)體之間可以定義一個(gè)互感系數(shù)M ，它將隨著間距 的減少而增大根據(jù)基爾霍夫電壓定律，可列出方程 解之得可以看出線圈受到金屬導(dǎo)體影響后的等效阻抗為等效電阻、電感分別為 等效電阻 總是比原有的電阻 來(lái)得大，這是因?yàn)闇u流損耗、磁滯損耗都將使阻抗的實(shí)數(shù)部分增加。顯然，金屬導(dǎo)體材料的導(dǎo)電性能和線圈離導(dǎo)體的距離將直接影響這實(shí)數(shù)部分的大小。在等效電感中，第一項(xiàng) L1與磁效應(yīng)有關(guān)。若金屬導(dǎo)體為非磁性材料， L1就是空心線圈的電感。當(dāng)金屬導(dǎo)體是磁性材料時(shí)， L1將增大，而且隨著

10、 X的變化而變化。第二項(xiàng)與渦流效應(yīng)有關(guān)，渦流引起的反磁場(chǎng) H2將使電感減小， X越小，電感減小的程度就越大。若被測(cè)材料的情況不變，阻抗就成為距離的單值函數(shù)，便可做成渦流式位移傳感器。1.當(dāng)被測(cè)材料和激磁頻率一定時(shí)，那么阻抗Z的值將是位移x的單值函數(shù)，即： Z =f(x)。輸出電壓V與x的函數(shù)曲線只有在一段范圍內(nèi)呈線性，如圖所示。其線性范圍的大小，靈敏度的高低與線圈的形狀，大小有關(guān)。通過(guò)對(duì)各種形狀的線圈進(jìn)行了估算，并經(jīng)實(shí)驗(yàn)得出，傳感器希望線性范圍大，靈敏度高時(shí)，其線圈的形式最好是盡可能窄的扁平線圈，而線圈直徑增大時(shí)，線圈范圍也相應(yīng)的增大。電渦流傳感器的U-x特性曲線2.測(cè)量電路的任務(wù)就是把位移x

11、的變化變換為電壓或頻率的變化?？梢杂萌N類型的測(cè)量電路：電橋電路，諧振電路，正反饋電路。采用定頻調(diào)幅式測(cè)量電路的方法。下圖是定頻調(diào)幅法的原理圖。傳感器線圈與電容組成LC并聯(lián)諧振回路。它由有石英振蕩器輸出高頻信號(hào)激勵(lì)，它的輸出電壓為： 式中，i0為高頻激勵(lì)電流；Z為L(zhǎng)C回路的阻抗?？梢钥闯?，LC回路的阻抗Z越大，回路的輸出電壓越大。 晶體振蕩器R高頻放大器檢波器濾波器輸出LC 定頻調(diào)幅諧振電路的原理框圖定頻調(diào)幅諧振電路測(cè)量開(kāi)始前，傳感器遠(yuǎn)離初被測(cè)導(dǎo)體，調(diào)整LC回路使其諧振頻率等于激勵(lì)振蕩器的振蕩頻率。當(dāng)傳感器接近被測(cè)導(dǎo)體時(shí)，線圈的等效電感發(fā)生變化，致使回路失諧而偏離激勵(lì)頻率，回路的諧振峰將向左右移動(dòng)，如下圖所示 調(diào)幅電路諧振曲線若被測(cè)導(dǎo)體為非磁性材料，傳感器線圈的等效電感減小，回路的諧振頻率提高，諧振峰右移，回路所呈現(xiàn)的阻抗減小為Z1或Z2，輸出電壓就將由u降為u