力和壓力檢測系統(tǒng)

力的檢測在工程應(yīng)用中極為重要，往往是確定設(shè)備安全使用的主要性能指標(biāo)，在工況監(jiān)測中廣泛應(yīng)用，如壓力加工、水壩強(qiáng)度監(jiān)測、機(jī)械制造等。力學(xué)量的檢測在行業(yè)上主要使用電阻應(yīng)變片將受力轉(zhuǎn)換為應(yīng)變，進(jìn)而改變電阻引起電路參量變化。除了電阻應(yīng)變以外，隨著現(xiàn)代半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，壓阻式、壓磁式和壓電式傳感器也得到了長足發(fā)展，豐富了力檢測方法。力和壓力檢測系統(tǒng)通過熟悉電阻應(yīng)變片傳感器的使用，了解力檢測的一般原理和使用條件，掌握力傳感器的一般分類、原理和使用方法。任務(wù)一認(rèn)識力傳感器知識目標(biāo)通過實(shí)踐操作和訓(xùn)練理解，初步認(rèn)識電阻應(yīng)變片傳感器及其檢測適應(yīng)性，了解工業(yè)中常用的各種電阻應(yīng)變片式傳感器的基本選用原則。技能目標(biāo)任務(wù)一認(rèn)識力傳感器電阻應(yīng)變片式測力傳感器多應(yīng)用于工程檢測上，如水壩、橋梁、涵洞等結(jié)構(gòu)件的應(yīng)力監(jiān)測，也應(yīng)用于變形測試和振動(dòng)檢測等行業(yè)中，在稱重檢測中也得到廣泛的應(yīng)用。一、電阻應(yīng)變片式測力傳感器任務(wù)一認(rèn)識力傳感器由電阻的變化量可以推斷出彈性體的受力大小為式中，R為電阻應(yīng)變片的電阻（Ω）；μ為電阻絲的泊松系數(shù)；ε為電阻絲的應(yīng)變率；ρ為電阻絲電阻率（Ω?m）。任務(wù)一認(rèn)識力傳感器一般，彈性元件的形式有柱形彈性元件、薄壁環(huán)形彈性元件和梁型彈性元件，如圖5-2所示。任務(wù)一認(rèn)識力傳感器電阻絲應(yīng)變片結(jié)構(gòu)如圖5-3所示，將直徑為0.01~0.05mm的高電阻系數(shù)的金屬絲彎曲成柵形，用粘結(jié)劑粘貼在絕緣基體上，金屬絲的兩端焊接有引線，表面粘接絕緣保護(hù)片。金屬絲的作用是感受試樣表面的應(yīng)變變化，被稱為敏感柵。任務(wù)一認(rèn)識力傳感器（1）較高的電阻系數(shù)，即單位長度的電阻較大。（2）較大的應(yīng)變靈敏度系數(shù)，且電阻應(yīng)變靈敏度系數(shù)在盡可能大的應(yīng)變范圍內(nèi)保持常數(shù)，即線性度較好。（3）較小的溫度系數(shù)。（4）較高的彈性極限，有較寬的應(yīng)變檢測范圍。（5）良好的加工性能和焊接性。任務(wù)一認(rèn)識力傳感器基體應(yīng)該具有較低的彈性模量、較高的絕緣電阻、良好的抗熱及抗腐蝕性能。常用的基體有任務(wù)一認(rèn)識力傳感器基體紙基膠基玻璃纖維布基應(yīng)變片任務(wù)一認(rèn)識力傳感器應(yīng)變片金屬絲應(yīng)變片箔式應(yīng)變片半導(dǎo)體應(yīng)變片任務(wù)一認(rèn)識力傳感器如圖5-5所示，彈性元件圓筒兩端有螺紋孔，可以傳遞外力，筒的中間貼有應(yīng)變片（一般多個(gè)應(yīng)變片對稱布置），通過引線接入引線端將信號引出。任務(wù)一認(rèn)識力傳感器影響應(yīng)變式傳感器精度的主要因素有理論設(shè)計(jì)誤差任務(wù)一認(rèn)識力傳感器(1)傳感器電路、彈性元件、應(yīng)變片、殼體、保護(hù)層等因素的影響(2)工藝制造和使用誤差，如應(yīng)變片制造誤差、補(bǔ)償回路（包括蠕變補(bǔ)償）、彈性體材料熱處理、機(jī)械加工、殘余應(yīng)力與應(yīng)變的影響等某些鐵磁材料（磁致伸縮材料）受到壓縮時(shí)，導(dǎo)磁率沿應(yīng)力方向下降，而沿與應(yīng)力垂直方向增加，稱為壓磁效應(yīng)。二、壓磁式力傳感器任務(wù)一認(rèn)識力傳感器壓磁式傳感器具有輸出功率大、抗干擾能力強(qiáng)、過載性能好、結(jié)構(gòu)和電路簡單、能在惡劣環(huán)境下工作、壽命長等一系列優(yōu)點(diǎn)。任務(wù)一認(rèn)識力傳感器振弦式力傳感器以拉緊的金屬弦作為敏感元件的諧振式傳感器。當(dāng)弦的長度確定之后，其固有振動(dòng)頻率的變化量即可表征弦所受拉力的大小，通過相應(yīng)的檢測電路，就可得到與拉力成一定關(guān)系的電信號。振弦的固有振動(dòng)頻率f與拉力T的關(guān)系為式中，l為振弦的長度（m）；ρ為單位弦長的質(zhì)量（kg/m）；T為受到的拉力（N）。三、振弦式力傳感器任務(wù)一認(rèn)識力傳感器振弦的材料與質(zhì)量直接影響傳感器的精度、靈敏度和穩(wěn)定性。振弦式傳感器由振弦、磁鐵、夾緊裝置和受力機(jī)構(gòu)組成。任務(wù)一認(rèn)識力傳感器常用的電路有分壓電路、電位器電路、電橋電路（橋路），以及各種形式的振蕩和諧振電路。由于橋路線路簡單，靈敏度和準(zhǔn)確度較高，容易采取各種補(bǔ)償措施，輸出電平易于調(diào)整，橋電源所需功率小，甚至可對載波信號進(jìn)行調(diào)制等優(yōu)點(diǎn)，因此它的應(yīng)用最為廣泛，特別是電阻應(yīng)變檢測中，精密電橋是必不可少的設(shè)備。四、檢測電橋任務(wù)一認(rèn)識力傳感器1.按功能分類電橋按功能分為平衡電橋和不平衡電橋兩種。任務(wù)一認(rèn)識力傳感器平衡電橋平衡電橋主要應(yīng)用于靜態(tài)檢測或在反饋系統(tǒng)中起到比較器的作用不平衡電橋不平衡電橋是直接利用電橋被破壞平衡后產(chǎn)生的輸出（電壓或者電流）反映被測量2.按電橋電源分類電橋按電橋電源分為直流電橋和交流電橋兩種。1）直流電橋從電橋輸出的線性度以及電橋臂阻抗受溫度等干擾而變化時(shí)造成對橋輸出的影響看，恒流源電橋明顯優(yōu)于恒壓源電橋，因此適用于以半導(dǎo)體電阻為敏感元件的傳感器。任務(wù)一認(rèn)識力傳感器任務(wù)一認(rèn)識力傳感器2）交流電橋交流電橋電源為正弦交流或?qū)ΨQ矩形波，它雖調(diào)節(jié)平衡比直流電橋麻煩，但輸出交流信號易于放大，抗干擾能力強(qiáng)，且電橋的靈敏度通常比直流電橋高。因此它不僅用于電感和電容參數(shù)的變換，也經(jīng)常用于電阻參數(shù)的變換。這類電橋通常可獲得更為優(yōu)良的性能。任務(wù)一認(rèn)識力傳感器實(shí)訓(xùn)目標(biāo)使用等強(qiáng)度懸臂梁的中部粘接一個(gè)電阻應(yīng)變片，初步掌握常用電阻應(yīng)變片的粘貼技術(shù)及其質(zhì)量檢查方法，掌握半橋接線方法，根據(jù)電橋和差特性掌握正確的組橋方法。實(shí)訓(xùn)一認(rèn)識電阻應(yīng)變片及其使用方法實(shí)訓(xùn)一認(rèn)識電阻應(yīng)變片及其使用方法實(shí)訓(xùn)一認(rèn)識電阻應(yīng)變片及其使用方法實(shí)訓(xùn)一認(rèn)識電阻應(yīng)變片及其使用方法實(shí)訓(xùn)一認(rèn)識電阻應(yīng)變片及其使用方法操作步驟實(shí)訓(xùn)一認(rèn)識電阻應(yīng)變片及其使用方法1.2.3.檢查電阻應(yīng)變片并處理連接接頭組橋和標(biāo)定檢測應(yīng)變通過熟悉壓阻式傳感器使用，了解壓力檢測的一般原理和使用條件，掌握壓力傳感器的一般分類、原理和使用方法。任務(wù)二壓阻式壓力傳感器的應(yīng)用知識目標(biāo)通過實(shí)踐操作和訓(xùn)練理解，初步認(rèn)識壓阻式傳感器及其檢測適應(yīng)性，了解工業(yè)中常用的各種壓阻式傳感器的使用方法和一般規(guī)程。技能目標(biāo)任務(wù)二壓阻式壓力傳感器的應(yīng)用壓力（壓強(qiáng)）傳感器是工業(yè)實(shí)踐中最為常用的一種傳感器，主要檢測流體（如氣體和液體）的壓力值，單位為Pa，其廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)自控環(huán)境，涉及水利水電、鐵路交通、智能建筑、生產(chǎn)自控、航空航天、軍工、石化、油井、電力、船舶、機(jī)床、管道等眾多行業(yè)。壓力傳感器是用于檢測液體與氣體的壓強(qiáng)的傳感器。知識鏈接任務(wù)二壓阻式壓力傳感器的應(yīng)用壓阻式傳感器是指利用單晶硅材料的壓阻效應(yīng)和集成電路技術(shù)制成的傳感器。單晶硅材料在受到力的作用后，電阻率發(fā)生變化，通過檢測電路就可得到正比于力變化的電信號輸出。壓阻式傳感器用于壓力、拉力、壓力差和可以轉(zhuǎn)變?yōu)榱Φ淖兓钠渌锢砹浚ㄈ缫何?、加速度、重量、?yīng)變、流量、真空度）的檢測和控制。任務(wù)二壓阻式壓力傳感器的應(yīng)用壓阻效應(yīng)：當(dāng)力作用于某些硅晶體時(shí)，晶體的晶格產(chǎn)生變形,使載流子從一個(gè)能谷向另一個(gè)能谷散射,引起載流子的遷移率發(fā)生變化，電阻率發(fā)生變化。一、壓阻式壓力傳感器任務(wù)二壓阻式壓力傳感器的應(yīng)用壓阻式壓力傳感器：周邊固定支撐的電阻和硅膜片的一體化硅杯式擴(kuò)散型壓力傳感器。優(yōu)點(diǎn)是：頻率響應(yīng)高,適于動(dòng)態(tài)檢測體積小，適于微型化，可集成到一個(gè)芯片上精度高，可達(dá)0.1～0.01靈敏高,有些應(yīng)用場合可不加放大器無活動(dòng)部件，可靠性高任務(wù)二壓阻式壓力傳感器的應(yīng)用任務(wù)二壓阻式壓力傳感器的應(yīng)用壓阻式壓力傳感器廣泛地應(yīng)用于航空航天、航海、石油化工、動(dòng)力機(jī)械、生物醫(yī)學(xué)工程、氣象、地質(zhì)、地震檢測等各個(gè)領(lǐng)域。任務(wù)二壓阻式壓力傳感器的應(yīng)用二、壓力傳感器檢測常識任務(wù)二壓阻式壓力傳感器的應(yīng)用1.負(fù)壓和絕壓檢測3.2.漂移及影響傳感器漂移的因素精度1.負(fù)壓和絕壓檢測圖5-17所示為負(fù)壓檢測壓力圖，負(fù)壓傳感器也稱為表壓傳感器，傳感器兩端均連接至大氣，兩端受到大氣壓力相同時(shí)相互抵消。任務(wù)二壓阻式壓力傳感器的應(yīng)用圖5-18所示為絕壓檢測壓力圖，絕壓傳感器的背面完全密封且抽為真空。因此，絕壓傳感器可以檢測大氣壓的變化，通常檢測沒有參考?xì)鈮褐档臍怏w環(huán)境。任務(wù)二壓阻式壓力傳感器的應(yīng)用2.漂移及影響傳感器漂移的因素壓力傳感器中的漂移產(chǎn)生的根本原因在于所有的壓力傳感器均基于一種材料的彈性變形，不論其材質(zhì)彈性如何良好，每次彈性回復(fù)后，總會產(chǎn)生一定的彈性疲勞和殘余形變。在傳感器使用過程中，由于彈性材料引起的漂移根據(jù)材質(zhì)不同各不相同。任務(wù)二壓阻式壓力傳感器的應(yīng)用3.精度壓力傳感器的精度表示方法是以誤差值的大小來量度的，一般為±%FS，即誤差相當(dāng)于滿量程的百分比。通常精度包含了非線性誤差、重復(fù)性誤差和遲滯（回復(fù)）誤差。例如，壓力傳感器標(biāo)示精度為±0.5%FS，量程為100kPa，則最大誤差不會大于±0.5kPa。任務(wù)二壓阻式壓力傳感器的應(yīng)用三、壓力傳感器性能指標(biāo)任務(wù)二壓阻式壓力傳感器的應(yīng)用1.額定壓力范圍額定壓力范圍是滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值的壓力范圍。也就是在最高和最低溫度之間，傳感器輸出符合規(guī)定工作特性的壓力范圍。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)傳感器所測壓力在該范圍之內(nèi)。任務(wù)二壓阻式壓力傳感器的應(yīng)用2.最大壓力范圍最大壓力范圍是指傳感器能長時(shí)間承受的最大壓力，且不引起輸出特性永久性改變。特別是半導(dǎo)體壓力傳感器，為提高線性和溫度特性，一般都大幅度減小額定壓力范圍。因此，即使在額定壓力以上連續(xù)使用也不會被損壞。一般最大壓力是額定壓力最高值的2－3倍。任務(wù)二壓阻式壓力傳感器的應(yīng)用3.損壞壓力損壞壓力是指能夠加工在傳感器上且不使傳感器元件或傳感器外殼損壞的最大壓力。任務(wù)二壓阻式壓力傳感器的應(yīng)用4.線性度線性度是指在工作壓力范圍內(nèi)，傳感器輸出與壓力之間直線關(guān)系的最大偏離。任務(wù)二壓阻式壓力傳感器的應(yīng)用5.壓力遲滯為在室溫下及工作壓力范圍內(nèi)，從最小工作壓力和最大工作壓力趨近某一壓力時(shí)，傳感器輸出之差。任務(wù)二壓阻式壓力傳感器的應(yīng)用6.溫度范圍壓力傳感器的溫度范圍分為補(bǔ)償溫度范圍和工作溫度范圍。補(bǔ)償溫度范圍是由于施加了溫度補(bǔ)償，精度進(jìn)入額定范圍內(nèi)的溫度范圍。工作溫度范圍是保證壓力傳感器能正常工作的溫度范圍。實(shí)訓(xùn)目標(biāo)使用表壓法壓阻式壓力傳感器檢測一個(gè)密封容器內(nèi)的氣壓值，初步掌握壓力傳感器的一般特性和質(zhì)量檢查方法，掌握壓力變送器的輸出連接方法，熟悉壓力傳感器的使用特點(diǎn)和一般規(guī)程。實(shí)訓(xùn)二使用壓阻式壓力傳感器檢測氣壓實(shí)訓(xùn)二使用壓阻式壓力傳感器檢測氣壓實(shí)訓(xùn)二使用壓阻式壓力傳感器檢測氣壓注意事項(xiàng)（1）壓阻式傳感器的精度很高，但是存在的最大問題在于長期穩(wěn)定性不夠理想，存在較大的漂移，這是傳感器本身的特性所決定的。為了保證計(jì)量校準(zhǔn)結(jié)果的準(zhǔn)確和可靠，通常在一段時(shí)間內(nèi)需要重新標(biāo)定，一般為一年。實(shí)訓(xùn)二使