應(yīng)變式力傳感器

 

在所有力傳感器中，應(yīng)變式力傳感器應(yīng)用最為廣泛。它能應(yīng)用于從極小到很大的動、靜態(tài)力的測量，且測量精度高，其使用量約占力傳感器總量的90％左右。

 

應(yīng)變式力傳感器的工作原理與應(yīng)變式壓力傳感器基本相同，它也是由彈性敏感元件和貼在其上的應(yīng)變片組成。應(yīng)變式力傳感器首先把被測力轉(zhuǎn)變成彈性元件的應(yīng)變，再利用電阻應(yīng)變效應(yīng)測出應(yīng)變，從而間接地測出力的大小。彈性元件的結(jié)構(gòu)形式有柱形、筒形、環(huán)形、梁形、輪輻形、s形等。

 

應(yīng)變片的布置和接橋方式，對于提高傳感器的靈敏度和消除有害因素的影響有很大關(guān)系。根據(jù)電橋的加減特性和彈性元件的受力性質(zhì)，在貼片位置許可的情況下，可貼4或8片應(yīng)變片，其位置應(yīng)是彈性元件應(yīng)變最大的地方。

 

柱形應(yīng)變式力傳感器

 

圖1給出了常見的柱形、筒形、梁形彈性元件及應(yīng)變片的貼片方式。圖1（a）為柱形彈性元件；圖1（b）為筒形彈性元件；圖1（c）為梁形彈性元件。

 

圖1 幾種彈性元件及應(yīng)變片貼片方式

 

柱形彈性元件通常都做成圓柱形和方柱形，用于測量較大的力。最大量程可達(dá)10MN。在載荷較小時(shí)（1——100kN），為便于粘貼應(yīng)變片和減小由于載荷偏心或側(cè)向分力引起的彎曲影響，同時(shí)為了提高靈敏度，多采用空心柱體。四個(gè)應(yīng)變片粘貼的位置和方向應(yīng)保證其中兩片感受縱向應(yīng)變，另外兩片感受橫向應(yīng)變（因?yàn)榭v向應(yīng)變與橫向應(yīng)變是互為反向變化的），如圖1（a）所示。

 

當(dāng)被測力F沿柱體軸向作用在彈性體上時(shí)，其縱向應(yīng)變和橫向應(yīng)變分別為

 

 

式中，E為材料的彈性模量；S為柱體的截面積；μ為材料的泊松比。

 

在實(shí)際測量中，被測力不可能正好沿著柱體的軸線作用，而總是與軸線成一微小的角度或微小的偏心，這就使得彈性柱體除了受縱向力作用外，還受到橫向力和彎矩的作用，從而影響測量精度。

 

輪輻式力傳感器

 

 

簡單的柱式、筒式、梁式等彈性元件是根據(jù)正應(yīng)力與載荷成正比的關(guān)系來測量的，它們存在著一些不易克服的缺點(diǎn)。

 

為了進(jìn)一步提高力傳感器性能和測量精度，要求力傳感器有抗偏心、抗側(cè)向力和抗過載能力。20世紀(jì)70年代開始已成功地研制出切應(yīng)力傳感器。圖2是較常用的輪輻式切應(yīng)力傳感器的結(jié)構(gòu)簡圖。

 

圖2 輪輻式力傳感器

 

輪輻式力傳感器由輪圈、輪轱、輻條和應(yīng)變片組成。輻條成對且對稱地連接輪圈和輪轱，當(dāng)外力作用在輪轱上端面和輪轱下端面時(shí)，矩形輻條就產(chǎn)生平行四邊形變形，如圖2（b）所示，形成與外力成正比的切應(yīng)變。此切應(yīng)變能引起與中性軸成450方向的相互垂直的兩個(gè)正負(fù)正應(yīng)力，即由切應(yīng)力引起的拉應(yīng)力和壓應(yīng)力，通過測量拉應(yīng)力或壓應(yīng)力值就可知切應(yīng)力值的大小。

 

因此，在輪輻式傳感器中，把應(yīng)變片貼到與切應(yīng)力成45度的位置上，使它感受的仍是拉伸和壓縮應(yīng)變，但該應(yīng)變不是由彎距產(chǎn)生的，而主要是由剪切力產(chǎn)生的，此即這類傳感器的基本工作原理。這類傳感器最突出的優(yōu)點(diǎn)是抗過載能力強(qiáng)，能承受幾倍于額定量程的過載。此外，其抗偏心、抗側(cè)向力的能力也較強(qiáng)，精度在0.1％之內(nèi)。

 

壓磁式力傳感器

 

當(dāng)鐵磁材料在受到外力的拉、壓作用而在內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力時(shí)，其導(dǎo)磁率會隨應(yīng)力的大小和方向而變化：受拉力時(shí)，沿力作用方向的導(dǎo)磁率增大，而在垂直于作用力的方向上導(dǎo)磁率略有減??；受壓力作用時(shí)則導(dǎo)磁率的變化正好相反。這種物理現(xiàn)象就是鐵磁材料的壓磁效應(yīng)。這種效應(yīng)可用于力的測量。

 

圖3 壓磁式傳感器

 

壓磁式力傳感器一般由壓磁元件、傳力機(jī)構(gòu)組成，如圖3（a）所示。

 

其中主要部分是壓磁元件，它由其上開孔的鐵磁材料薄片疊成。壓磁元件上沖有四個(gè)對稱分布的孔，孔1和2之間繞有激磁繞組W12 （初級繞組），孔3和4間繞有測量繞組W34。（次級繞組），如圖3（b）所示。

 

當(dāng)激磁繞組W12通有交變電流時(shí)，鐵磁體中就產(chǎn)生一定大小的磁場。若無外力作用，則磁感應(yīng)線相對于測量繞組平面對稱分布，合成磁場強(qiáng)度日平行于測量繞組W34的平面，磁感應(yīng)線不與測量繞組W34交連，故繞組W34不產(chǎn)生感應(yīng)電勢，如圖3（C）所示。

 

當(dāng)有壓縮力F作用于壓磁元件上時(shí)，磁感應(yīng)線的分布圖發(fā)生變形，不再對稱于測量繞組W34的平面（如圖3（d）所示），合成磁場強(qiáng)度H不再與測量繞組平面平行，因而就有部分磁感應(yīng)線與測量繞組W34相交鏈，而在其上感應(yīng)出電勢。作用力愈大，交鏈的磁通愈多，感應(yīng)電勢愈大。

 

壓磁式力傳感器的輸出電勢比較大，通常不必再放大，只要經(jīng)過濾波整流后就可直接輸出，但要求有一個(gè)穩(wěn)定的激磁電源。壓磁式力傳感器可測量很大的力，抗過載能力強(qiáng)，能在惡劣條件下工作。但頻率響應(yīng)不高（1——10 kHz），測量精度一般在1％左右，也有精度更高的新型結(jié)構(gòu)的壓磁式力傳感器。常用于冶金、礦山等重工業(yè)部門作為測力或稱重傳感器，例如在軋鋼機(jī)上用來測量大的力以及用在吊車秤中。

 

 

壓電式力傳感器

 

壓電式傳感器 是基于壓電效應(yīng)的傳感器。是一種自發(fā)電式和機(jī)電轉(zhuǎn)換式傳感器。它的敏感元件由壓電材料制成。壓電材料受力后表面產(chǎn)生電荷。此電荷經(jīng)電荷放大器和測量電路放大和變換阻抗后就成為正比于所受外力的電量輸出。壓電式傳感器用于測量力和能變換為力的非電物理量。它的優(yōu)點(diǎn)是頻帶寬、靈敏度高、信噪比高、結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠和重量輕等。缺點(diǎn)是某些壓電材料需要防潮措施，而且輸出的直流響應(yīng)差，需要采用高輸入阻抗電路或電荷放大器來克服這一缺陷。利用壓電材料（石英晶體、壓電陶瓷）的壓電效應(yīng)，將被測力轉(zhuǎn)換為與其成正比的電荷量輸出；

 

石英晶體：性能穩(wěn)定，動態(tài)效應(yīng)好，機(jī)械強(qiáng)度高，線性范圍寬，多用于高精度，大量程測量，mN-MN.

 

壓電陶瓷：壓電常數(shù)遠(yuǎn)高于壓電晶體，價(jià)格便宜，用途廣泛。

 

主要用于動態(tài)測量：

 

 

振弦式力傳感器

 

振弦式傳感器（vibrating wire transducer）是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，其固有振動頻率的變化量即可表征弦所受拉力的大小，通過相應(yīng)的測量電路，就可得到與拉力成一定關(guān)系的電信號。振弦的固有振動頻率f與拉力T的關(guān)系為，式中l(wèi)為振弦的長度，ρ為單位弦長的質(zhì)量。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。鎢絲的性能穩(wěn)定、硬度、熔點(diǎn)和抗拉強(qiáng)度都很高，是常用的振弦材料。此外，還可用提琴弦、高強(qiáng)度鋼絲、鈦絲等作為振弦材料。振弦式傳感器由振弦、磁鐵、夾緊裝置和受力機(jī)構(gòu)組成。振弦一端固定、一端連接在受力機(jī)構(gòu)上。

 

 

早期的壓力傳感器即采用振弦式。這種傳感器的振弦一端固定，另一端連結(jié)在彈性感壓膜片上。弦的中部裝有一塊軟鐵，置于磁鐵和線圈構(gòu)成的激勵器的磁場中。激勵器在停止激勵時(shí)兼作拾振器，或單設(shè)拾振器。工作時(shí)，振弦在激勵器的激勵下振動，其振動頻率與膜片所受壓力的大小有關(guān)。

 

拾振器則通過電磁感應(yīng)獲取振動頻率信號。振弦振動的激勵方式有間歇式和連續(xù)式兩種。在間歇激勵方式中，采用張弛振蕩器給出激勵脈沖，并通過一個(gè)繼電器使線圈通電、磁鐵吸住弦上的軟鐵塊。

 

激勵脈沖停止后，磁鐵被松開，使振弦自由振動。此時(shí)在線圈中即產(chǎn)生感應(yīng)電勢，其交變頻率即為振弦的固有振動頻率。連續(xù)激勵方式又可分為電流法和電磁法。電流法將振弦作為等效的LC回路并聯(lián)于振蕩電路中，使電路以振弦的固有頻率振蕩。

 

電磁法采用兩個(gè)裝有線圈的磁鐵，分別作為激勵線圈和拾振線圈。拾振線圈的感應(yīng)信號被放大后又送至激勵線圈去補(bǔ)充振動的能量。為減小傳感器非線性對測量精度的影響，需要選擇適中的最佳工作頻段和設(shè)置預(yù)應(yīng)力，或采用在感壓膜的兩側(cè)各設(shè)一根振弦的差動式結(jié)構(gòu)。

 

 

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