项目3 力学传感器及其应用.ppt

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1、应变式传感器电感式传感器电容式传感器压电式传感器压磁式传感器项目3力学传感器及其应用13.1测力传感器力是物理基本量之一，因此测量各种动态、静态力的大小是十分重要的。力的测量需要通过力传感器间接完成，力传感器是将各种力学量转换为电信号的器件。2力传感器示例3电气式测力传感器的分类有：参量型测力传感器：将被测物理量转化为电参数。如电阻、电容或电感等。发电型测力传感器：将被测物理量转换为电源性参量。如电动势、电荷等。1、测力传感器的分类方式★4电气式测力传感器参量型测力传感器发电型测力传感器电阻应变式压电式电容式测力传感器测力传感器电感式压磁式2、测力传感器的种类★5由弹性元件

2、、电阻应变片及外壳等组装成的用来进行测量的装置，称为应变式传感器。3.1.1电阻应变式测力传感器61、应变式测力传感器的工作原理★电阻应变式测力传感器的工作原理是在一定形状的弹性元件上粘贴或用其它方法安装电阻应变敏感元件。当接触力作用在弹性元件上时，弹性元件产生变形，电阻应变敏感元件的阻值随之发生变化。我们可用变换电路将阻值的变化变成电压（或电流）的变化，并将其信号输出到测量电路，根据电压变化量即可得知接触力的大小与作用位置。7柱型应变式测力传感器结构8柱型弹性元件力与应变的关系★柱型传感器特点：结构简单，紧凑，可设计成压式或拉压式，可承受大载荷，强度计算简单。纵向应力：σ

3、＝F/S＝Eε其应变为：ε=ΔL/L=σ/E=F/SE式中σ——弹性元件的纵向应力（Pa）；ε——纵向应变；F——受力（N）；S——弹性元件的横断面积（m2）E——元件材料的弹性模量（Pa）9薄壁环型应变式测力传感器结构10薄壁环式应变弹性元件，其应变片在薄壁式弹性元件上的位置如图所示。其应变公式为：式中：εA一A处的应变值εB一B处的应变值εh一电桥输出的应变值；R0一薄壁环平均半径(m)；R一薄壁环内圆半径(m)；b—薄壁环的宽度(m)；h一薄壁环的厚度(mm)。F—受力（N）；E—元件材料的弹性模量（Pa）薄壁环型弹性元件力与应变的关系★11梁型应变式测力传感器结构（

4、1）12梁型应变式测力传感器结构（2）13悬臂梁式应变弹性元件，其应变片的位置如前图所示。其上下表面的应变值为：式中：l—悬臂外端距应变片中心的长度(m)；b—悬臂宽度(m)；h—悬臂厚度(m)；F—受力（N）；E—元件材料的弹性模量（Pa）悬臂梁式弹性元件力与应变的关系★14等强度悬臂梁式应变弹性元件，其应变片的位置如图所示。其上下表面的应变值为：式中：l—梁的长度(m)；b—梁的宽度(m)；h—梁的厚度(m)；F—受力（N）；E—元件材料的弹性模量（Pa）等强度悬臂梁式弹性元件力与应变的关系★15两端固定梁式应变弹性元件，应变片的位置如图所示。其上下表面的应变值为：式中

5、：l—梁的长度(m)；b—梁的宽度(m)；h—梁的厚度(m)；F—受力（N）；E—元件材料的弹性模量（Pa）两端固定梁式弹性元件力与应变的关系★162、弹性元件力与应变关系的结论★在电阻应变式测力传感器中，当弹性元件的尺寸和材料确定后，弹性元件在外力作用下所产生的应变与外力成正比。173．应变片电阻应变片(简称应变片)的作用是把导体的机械应变转换成电阻应变，以便进一步电测。实际的应变片根据敏感元件材料的不同，主要分为金属电阻应变片和半导体应变片两类。金属电阻应变片分为体型和薄膜型。半导体应变片常见的有体型、薄膜型、扩散型、外延型、PN结及其他形式。18设金属电阻丝长度为L，

6、截面积为S，电阻率为ρ，则电阻值R为：如图所示，当电阻丝受到拉力F时，其阻值发生变化。材料电阻值的变化，一是受力后材料几何尺寸变化；二是受力后材料的电阻率也发生了变化。大量实验表明，在电阻丝拉伸极限内，电阻的相对变化与应变成正比，而应变与应力也成正比。金属电阻应变片的工作原理19当电阻丝受到拉力F作用时,将伸长ΔL,横截面积相应减小ΔS,电阻率将因晶格发生变形等因素而改变Δρ,故引起电阻值相对变化量为式中ΔL/L是长度相对变化量,用应变ε表示：ΔS/S为圆形电阻丝的截面积相对变化量,即电阻应变式传感器工作原理220由材料力学可知,在弹性范围内,金属丝受拉力时,沿轴向伸长,沿

7、径向缩短,那么轴向应变和径向应变的关系可表示为式中:μ——电阻丝材料的泊松比,负号表示应变方向相反。将上2式带入前式，得：电阻应变式传感器工作原理321电阻应变式传感器工作原理4通常把单位应变能引起的电阻值变化称为金属电阻丝的灵敏系数。其物理意义是单位应变所引起的电阻相对变化量,其表达式为：因此：dR/R受两个因素影响:①受力后材料几何尺寸的变化,即(1+2μ)ε;②受力后材料压阻效应产生的变化,即πLEε。22应变片的受力23用应变片测量时，将其贴在被测对象表面上。当被测对象受力变形时，应变片的敏感栅也随同变形，