项目五力和压力检测系统（课件）- 《传感器与检测技术（第3版）》同步教学（北京邮电版）

项目五 力和压力检测系统 目录/Contents 01 认识力传感器 02 压阻式压力传感器的应用 2 任 务 一 认识力传感器 01 认识力传感器 4 知识目标 熟悉电阻应变片式传感器的使用,了解力检测的一般原理和使用条件,掌握力传感器的一般分类、原理和使用方法。 技能目标 通过实践操作和训练理解,初步认识电阻应变片式传感器及其检测适应性,了解工业中常用的各种电阻应变片式传感器的基本选用原则。 教学视频——电阻应变式传感器 常见的电阻应变片式测力传感器的结构原理如图5-1所示,在一个圆柱形弹性体的圆柱面上按照径向和轴向表面电阻应变片式测力传感器的结构原理的对称位置上粘贴电阻应变片,根据弹性力学和材料力学的知识可以推断由于弹性体受力变形,在径向和轴向会产生相应的应变,使得两个方向上产生伸长和缩短的效应,这时电阻应变片也和弹性体表面一起产生相应的变形,从而使得电阻发生变化。 一、电阻应变片式测力传感器 由电阻的变化量可以推断出弹性体的受力大小为： 式中,R为电阻应变片的电阻,Ω;μ为电阻丝的泊松系数; ε为电阻丝的应变率;ρ为电阻丝电阻率,Ω·m。式中,(1+2μ)ε表示一般金属丝长度变化后应变引 起的电阻变化,是一般金属电阻应变片的主要转换原理,称为 灵敏度系数; dρ/ρ 表示应变引起的电阻率变化,是半导体应变片的主要应用原理。应变通过材料力学和弹性力学的方法转换为应力,即可获得应力和电阻变化之间的关系。 电阻应变式传感器概述： 可测力、压力、位移、应变、加速度等物理量; 知识拓展 工作原理 金属丝、箔、薄膜在外界应力作用下电阻值变化的效应——电阻应变效应 结构简单，使用方便 易于实现自动化、多点及远距离测量、遥测; 灵敏度高，测量速度快，适合静态、动态测量; 知识拓展 教学视频——电阻应变效应 敏感栅 电阻丝应变片的结构如图5-3所示,将直径为0.01~0.05mm 的高电阻系数的金属丝 弯曲成栅形,用粘结剂粘贴在绝缘基体上,金属丝的两端焊接有引线,表面粘接绝缘保护片。 金属丝的作用是感受试样表面的应变变化,被称为敏感栅。 箔式应变片优点: 制造技术能保证敏感栅尺寸准确，线条均匀和适应各种不同测量要求的形状， 其栅长可做到0.2mm; 敏感栅薄而宽，与被测试件粘贴面积大，黏结牢靠，传递试件应变性能好: 散热条件好，允许通过较大的工作电流，从而提高了输出灵敏度: 横向效应小; 蠕变和机械滞后小，疲劳寿命长。 由于上述优点，有逐渐取代丝式应变片的趋势。 知识拓展 敏感栅的特点 较高的电阻系数,即单位长度的电阻较大 较大的应变灵敏度系数,且电阻应变灵敏度系数在尽可能大的应变范围内保持常数,即线性度较好 较小的温度系数 较高的弹性极限,有较宽的应变检测范围 良好的加工性能和焊接性 对敏感栅的材料的要求: ①应变灵敏系数大，并在所测应变范围内保持为常数; ②电阻率高而稳定，以便于制造小栅长的应变片; ③电阻温度系数要小; ④抗氧化能力高，耐腐蚀性能强; 知识拓展 ⑤在工作温度范围内能保持足够的抗拉强度; ⑥加工性能良好，易于拉制成丝或轧压成箔材; ⑦易于焊接，对引线材料的热电势小。 常用材料有:康铜、镍铬合金、铁铬铝合金、铁镍铬合金、铂、铂钨合金等，如下表。 知识拓展 知识拓展 16 某些铁磁材料(磁致伸缩材料)受到压缩时,导磁率沿应力方向下降,而沿与应力垂直方 向增加,这称为压磁效应。在外力作用下,磁力线呈 椭圆分布,椭圆长轴与外力方向一致(拉力)。若该铁磁材料开有四个对称的通孔,如图5-6 所示,交叉绕两组相互垂直的线圈,励励线圈所产生的磁力线在线圈两侧对称布置,合成磁场强度与测量线圈平面平行,磁力线不和测量线圈交联,从而使得后者不产生感应电动势。 二、压磁式力传感器 传感器在使用上需要考虑受力点的位置,压磁式传感器如果受力点不同,即使受力值相 同,检测结果也有可能不同。所以,一般传感器敏感元件作为核心部件,周围布置有弹性框架传递力引起的变形,避免检测中的不确定性。压磁式传感器的典型结构形式如图5-7所示,其中主要的区别是压磁元件的结构形式。 压磁式传感器的优点 输出功率大 抗干扰能力强 过载性能好 结构和电路简单 能在恶劣环境下工作 寿命长 振弦式力传感器是以拉紧的金属弦作为敏感元件的谐振式传感器。当弦的长度确定之后,其固有振动频率的变化量即可表征弦所受拉力的大小,通过相应的检测电路,就可得到与拉力成一定关系的电信号。 振弦的固有振动频率f与拉力T 的关系为 式中,l为振弦的长度,m;ρ为单位弦长的质量,kg/m。 三、振弦式力传感器 振弦式传感器的检测原理 振弦的材料与质量直接影响传感器的精度、灵敏度和稳定性。钨丝的性能稳定,硬度、熔点和抗拉强度都很高,是常用的振弦材料