传感器与自动检测技术第四章重点@余成波

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1、1.力值测量所依据的原理是力的静力效应和动力效应。（1）力的静力效应是指弹性物体受力作用后产生相应变形的物理现象。（2）力的动力效应是指具有一定质量的物体受到力的作用时，其动量将发生变化，从而产生相应的加速度的物理现象。只需测出物体的加速度，就可间接测得力值。即利用动力效应测力的特点是通过测量力传感器中质量块的加速度而间接获得力值。2.测力传感器可以是位移型、加速度型或物性型。按其工作原理则可以分为：弹性式、电阻应变式、电感式、电容式、压电式、压磁式等。3.弹性变形式的力传感器：该类传感器的测量基础是弹性元件的弹性变形和作用力成正比的现象，其原则上可简化成图4.1所示

2、的单自由度系统。其输入力和输出弹性变形（或位移）之间的关系为：式中：为粘度阻尼系数；为弹性刚度；为激振力，为系统的输入；振动位移，为系统的输出。4.图4.2是一种用于测量压缩力的应变片式测力头的典型构造。图4.2（b）是输出端接放大器的直流不平衡电桥的电路。第一桥臂接电阻应变片,其它三个桥臂接固定电阻。当应变片未受力时，由于没有阻值变化，电桥维持初始平衡条件因而输出电压为零，即当应变片承受应力时，应变片产生的变化，电桥处于不平衡状态，此时假设，，并考虑到电桥初始平衡条件及省略分母中的微量，则上式可写为。5.图4.3是测量拉压力的传感器的典型弹性元件。为了获得较大的灵敏

3、度，采用梁式结构。6.压磁式测力传感器：某些铁磁材料（如正磁致伸缩材料）受机械力F作用后，其内部产生机械力，从而引起其磁导率（或磁阻）发生变化，这种物理现象称为“压磁效应”。压磁元件受力作用后，磁弹性体的磁阻（或磁导率）发生与作用力成正比的变化，测出磁阻变化即间接测定了力值。压磁元件的结构和工作原理如图4.5所示。图4.5压磁元件及其工作原理图（a）结构示意（b）无外力作用时（c）有外力作用时7.差动变压器式力传感器事实上，大多数位移传感器只要在结构上作点变化，就可改为测力传感器。如差动变压器式、电容式、电感式等等。图4.4所示即为差动变压器式测力传感器的结构示意图。

4、1—弹性元件2—铁心3—球面垫4—感应线圈5—线圈座8.压电式测力传感器：压电式测力传感器的工作原理和压电式加速度传感器类同，主要是利用某些具有压电效应的材料如石英、钛酸钡等，当受到外力作用发生变形时，其内部将发生极化，从而在其表面上有电荷出现，形成电场。当外力去掉时，这些物质又重新回复到原来的不带电状态。这种现象称为正压电效应。拉、压型单向测力传感器根据垂直于电轴的型切片便可制成拉（压）型单向测力传感器，其结构如图4.7所示。1—壳体2—弹性垫3—压电晶体4—电极5—绝缘套6—引出导线9.压力的测量：液体式压力计：它是利用液体静力平衡原理，将被测压力与一定高度的工作

5、液体产生的重力相平衡，采用液柱的高度差来测量压力的仪器。10.弹性式压力计：它是基于弹性元件（单圈或多圈弹管、膜盒、膜片、波纹管等）受压后产生的位移与被测压力呈一定函数关系的原理制成的。11.负荷式压力计：它是基于静力平衡原理进行压力测量的，通常有活塞式、浮球式和钟罩式三大类。12.电气式压力计：电气式压力计一般由压力传感器和电子测量线路或压力变送器构成。13.压力传感器：应变式压力传感器常用的有圆桶式和平膜片式两种结构。前者应变片沿圆桶环向粘贴；后者应变片沿平膜片的径向和切向粘贴。在测量桥路中，一般多采用热敏电阻元件来补偿材料弹性模量受温度影响的变化。9.压力变送器

6、：一般用压力表传递压力信息的距离不能很远。为此，往往是将弹性测压元件与电气传感器相结合构成压力变送器，以实现远距离传输。通常将压力变送器分为力平衡式和位移式两大类。10.转矩测量：转矩传感器的工作原理：转矩是力的一种特殊形式，它是力和力臂的乘积，是改变物体转动状态的原因。工程中转矩的测量常与功率、转速的测量联系在一起，它们之间的转换关系见表4.2。测量转矩方法，按照其基本原理可以分为：平衡力法（反力法）、传递法（扭轴法）和能量转换法等三大类。11.转矩测量的方法（1）平衡力法：它是利用平衡转矩去平衡被测转矩M，从而求得M的方法。对于任何一种均匀工作的动力机械或制动机械

7、，当它的主轴受转矩作用时，在它的机体上必然同时作用着方向相反的平衡力矩（即支座反力矩），因此测量出机体上的平衡力矩就可知被测转矩的大小（平衡力法）。即。式中：为转轴与力作用点的距离，即力臂；F为力。17.转矩测量的方法（2）传递法：它是根据弹性元件在传递扭矩时所产生物理参数的变化（变形、应力或应变）来测量转矩的方法，它利用弹性体把转矩转换为角位移，再由角位移转换成电信号输出。测量转矩时常用的弹性元件是扭轴。图4.16给出了一些用于转矩传感器的扭矩轴弹性元件。把这种扭转轴连接在驱动源和负载之间，扭转轴就会产生扭转，所产生的扭转角为。式中：为扭转轴的扭转