自动检测与转换技术 裴蓓 第6章 力和位置传感器

《自动检测与转换技术 裴蓓 第6章 力和位置传感器》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

1、第6章力和位置传感器力传感器概述6.1电阻应变片传感器6.2电容传感器6.3电感式传感器6.4【学习目标】掌握弹性敏感元件的类型及作用掌握电阻应变片的工作原理掌握电容传感器的工作原理及类型掌握各类型电容传感器的适用场合掌握电感传感器的工作原理掌握压电传感器的工作原理掌握数字式位置传感器的类型【技能目标】具备分析力传感器电路的能力具备制作电阻应变片传感器应用电路的能力具备制作电容传感器应用电路的能力具备制作电感传感器应用电路的能力具备制作压电传感器应用电路的能力具备调试电路的能力6.1力传感器概述当我们在超市里购买称重物品时，经常会用到电子秤，这就是力传感器之一—荷重传

2、感器用于测量重物的典型实例，如图6.1所示。图6.1荷重传感器的应用力传感器的用途极为广泛，它们在工农业生产、矿业、医学、国防、航空、航天、交通运输等许多领域都得到了广泛的应用。力的测量需要通过力传感器间接完成。图6.2所示为力传感器的测量示意框图。图6.2力传感器的测量示意框图6.1.1力传感器的分类6.1.2弹性敏感元件1．弹性敏感元件的特征（1）刚度（2）灵敏度（3）弹性滞后实际的弹性元件在加载、卸载的正反行程中变形曲线是不重合的，这种现象称为弹性滞后现象，它会给测量带来误差。产生弹性滞后的主要原因是：弹性敏感元件在工作过程中分子间存在内摩擦，当比较两种弹性材料

3、时，应都用加载变形曲线或都用卸载变形曲线，这样才有可比性。（4）弹性后效当载荷从某一数值变化到另一数值时，弹性元件变形不是立即完成相应的变形，而是经一定的时间间隔逐渐完成变形的，这种现象称为弹性后效。由于弹性后效的存在，弹性敏感元件的变形始终不能迅速地跟上力的变化，在动态测量时将引起测量误差。（5）固有振荡频率弹性敏感元件都有自己的固有振荡频率f0，它将影响传感器的动态特性。2．弹性敏感元件的结构形式（1）变换力的弹性敏感元件这类弹件敏感元件大都采用等截面柱式、圆环式、等截面薄板、悬臂梁及轴状等结构，图6.3所示为几种常见的变换力的弹性敏感元件结构。图6.3常见变换力

4、的弹性敏感元件形状①等截面圆柱式。②圆环式。③等截面薄板式。等截面薄板式弹性敏感元件如图6.3（e）所示。④悬臂梁式。悬臂梁式弹性敏感元件如图6.3（f）、（g）所示，它的一端固定，另一端自由，结构简单，加工方便，应变和位移较大，适用于测量1～5kN的力。⑤扭转轴。扭转轴是一个专门用来测量扭矩的弹性元件，如图6.3（h）所示。（2）变换压力的弹性敏感元件①弹簧管。②波纹管。波纹管是有许多同心环状皱纹的薄壁圆管，如图6.5所示。图6.5波纹管的外形图6.4弹簧管的结构注意静止压力测量时，不得高于最高标称压力的2/3，变动压力测量时，要低于最高标称压力的1/2；对于腐蚀性

5、流体等特殊测量对象，要了解弹簧管使用的材料能否满足使用要求。③波纹膜片和膜盒。平膜片在压力或力作用下位移量小，因而常把平膜片加工制成具有环状同心波纹的圆形薄膜，这就是波纹膜片。其波纹形状有正弦形、梯形和锯齿形，如图6.6所示。图6.6波纹膜片波纹的形状④薄壁圆筒。薄壁圆筒弹性敏感元件的结构如图6.7所示。图6.7薄壁圆筒弹性敏感元件的结构6.2电阻应变片传感器图6.8电阻丝拉伸6.2.1电阻应变片1．应力和应变的基本概念由材料力学知识可知，构件（或杆件）在外力作用下发生变形的同时，在构件内部截面上将产生一种相互作用力，称之为内力，用N表示。2．基本工作原理导体或半导体

6、材料在外力的作用下产生机械变形时，其电阻值亦将发生变化，这种现象称为电阻应变效应。图6.9所示为导体的电阻应变效应原理图。图6.9导体的电阻应变效应原理图6.2.2应变片的结构形式、类型与粘贴方法1．应变片的结构形式电阻丝应变片是用直径约为0.025mm的具有高电阻率的电阻丝制成的，如图6.10所示。1—引出线2—覆盖层3—基底4—电阻丝图6.10电阻丝应变片结构示意图2．应变片的类型应变片可分为金属应变片及半导体应变片两大类。前者可分成金属丝式、箔式和薄膜式3种。图6.11所示为几种不同类型的电阻应变片。金属丝式（见图6.11（a））应变片使用最早，有纸基、胶基之分

7、。1—电阻丝2—金属箔3—半导体4—基片图6.11电阻应变片箔的材料多为电阻率高、热稳定性好的铜镍合金（康铜）。箔的厚度一般为0.001～0.005mm，箔栅的尺寸、形状可以按使用者的需要制作，图6.11（b）所示就是其中的一种。在使用时，需采用温度补偿及非线性补偿措施。图6.11（c）中所示N型和P型半导体在受到拉力时，一个电阻值增加，另一个减小，可构成双臂半桥，同时又可产生温度自补偿功能。3．应变片的粘贴方法①试件的表面处理。②确定贴片位置③粘贴。④固化。⑤粘贴质量检查。⑥引线的焊接与防护。6.2.3测量转换电路图6.12所示为桥式测量转换电路，