光纤传感器的分类课件.ppt

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1、第三章力学量传感器3.1多维测力弹性体系统3.2膜片压力传感器3.3光纤压力传感器3.4转矩传感器力学量通常是指狭义力学量：力、力矩、应力、压力等物理量。力学量传感器，又称力敏传感器，是应用最广泛的一类传感器。力学量作用的结果使器件结构尺寸变化，引起相关的电阻、电容、电感等电参量变化，构成结构型传感器。引起器件物理性能变化，如压阻效应、压电效应、压磁效应等，构成物性型传感器。3.1多维测力弹性体系统传统的应变片式测力传感器具有坚固耐用、长期稳定、成本低等优点。如果把一个弹性体设计成不同的膜片、弹性梁及弹性筒的组合，各组

2、成部分贴应变片分别测不同方向、不同性质的力，弹性体构成一个测多个力的弹性元件组合体，称作多维测力弹性体。再加上相关测量电路，就组成一个多维测力弹性体系统。3.1.1双量程动态测力弹性体系统双量程测力传感器可以在保证第一级大推力测量精度的同时，解决第二级小推力的测量问题，提高了其灵敏度和测量精度，使之达到与第一级有同等的测量精度。一、结构在实际中，双量程测力传感器大都采用了轮辐式结构，将弹性体串联成一体的复合弹性体，分别用于测量小力值和大力值。其特点是结构紧凑、合理可靠；高度小，结构稳定性好；有过载保护等。双量程测力传感

3、器结构3.1.1双量程动态测力弹性体系统3.1.1双量程动态测力弹性体系统这种复合结构传感器适用于大力值测量，又能保证在小力值范围内具有足够的灵敏度。当FF2时，空隙δ1=0，小量程段电桥满输出，而δ2≠0，大量程段电桥输出有效，对应为大力值测量。当F>F1时，空隙δ2=0，达到过载保护状态。两组轮辐上，应变片粘贴方式一致(都受拉应力)，分别由四片电阻应变片组成全电桥电路。3.1.1双量程动态测力弹性体系统二、动态数学模型从动力学观点来看，串联结

4、构的应变片式测力传感器的弹性结构部分可以抽象为二自由度的振动系统。假定传感器安置于完全理想刚性的基体上，则传感器可等效为串联的二阶弹簧—质量—阻尼（kmc）系统。当测量大力值时，δ1=0压头和弹性体成为一体，可简化成只有一个质量块的单自由度系统。系统的幅频特性和相频特性与一般的二阶系统的特性完全相同。3.1.1双量程动态测力弹性体系统高量程时传感器的力学模型图3.1.1双量程动态测力弹性体系统当测量小量程时，δ1≠0，测小力值和大力值的两弹性体都是受力的，应简化成有两个质量块的二自由度系统。串联二自由度测力传感器的力学

5、模型及受力分析如图所示，图中，f(t)为外界向系统实施的激励力，m1、m2分别为两个质量体的集中质量，k1、k2分别为两个弹性体的刚度，c1、c2分别为两个自由度结构的阻尼系数。3.1.1双量程动态测力弹性体系统k1c1m1f(t)y1y2c2k2m2m2m1f(t)串联二自由度测力传感器模型及受力分析3.1.1双量程动态测力弹性体系统于是可以根据系统受力分析，列写出描述二自由度系统输入-输出关系的微分方程组：3.1.1双量程动态测力弹性体系统现设x1、x2、x3、x4为状态变量，于是有：3.1.1双量程动态测力弹性体

6、系统可写出状态方程：3.1.1双量程动态测力弹性体系统现对上式进行拉氏变换，当初始状态为零时，有：3.1.1双量程动态测力弹性体系统由上式可解出，当激励F(s)存在时，其两个质量块的位移输出Y1(s)、Y2(s)的传递函数为：其中：3.1.1双量程动态测力弹性体系统这种串联式复合弹性体结构紧凑合理，结构稳定性好，有过载保护，可用于测量压缩力、推力、拉力及制动转矩和拖曳转矩。系统的线性度、迟滞、重复性均小于满量程的千分之一。3.1.3六维测力弹性体系统目前六维测力弹性体的结构主要有以下四类：三垂直筋结构筒形结构十字交叉梁

7、式结构组合式弹性体结构三垂直筋结构上下分别为两个圆环，中间由筋相连，这类弹性体结构简单，承载能力强，抗冲击力强。主要缺点是测量沿垂直筋方向力的灵敏度低，应用受到限制。在垂直筋内表面贴应变片测拉压应力，在垂直筋外表面贴应变片测剪切应力。筒形结构在一个圆柱整体上加工出两层竖筋，相当两个四垂直筋结构叠层组合。弹性体敏感部分位于上圆环（横梁）和下层竖筋（竖梁），在八个变形处的对称表面贴有八组应变片，组成八组输出电桥。该结构线性度好，重复性好，迟滞小，有温度补偿作用，但结构复杂不易加工，高度方向尺寸大，刚度低。十字交叉梁式结构弹

8、性体敏感部分是十字梁的四个臂，每个臂的四面均贴有应变片。弹性体为铝合金总体式结构，外形尺寸较大，对外机械连接麻烦。可以满足各分力和分力矩的一定灵敏度要求，各维力间干扰可控制在一定范围内。十字梁外端由薄片支撑，超载能力低，动态响应特性不易提高。组合式弹性体结构六维测力（矩）弹性体是组合式结构，分上下两个组件。上部组件是中空正方形薄壁