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第7章 应变计式传感器 在力学物理量测量中，并不单单局限于测量应变和应力，有时还需要对力、压力、扭矩、位移、速度和加速度等其他物理量进行测量、监视和控制，这就需要使用相应的传感器。用于力学物理量测量的传感器有很多种类，常见的有电阻式、电感式、电容式、光电式、磁电式、热电式、压电式和电磁感应式等等。本章只介绍利用电阻应变计作为转换元件的各种传感器，属于电阻式传感器，称为应变计式传感器。 * * 第1部 电阻应变测量方法 第1部 电阻应变测量方法 第7章 应变计式传感器 本章内容： 学习要求： §7-1 基本原理与设计制造； §7-2 测力传感器； §7-3 压力传感器； §7-4 扭矩传感器； §7-5 位移传感器 （计划使用1学时） 熟悉应变计式传感器的基本原理与设计制作，掌握各种应变计式传感器的构造原理和制作工艺。 第1部 电阻应变测量方法 第7章 应变计式传感器 §7-1 基本原理与设计制造 电阻应变计可以将构件上的机械应变转变为电阻变化，用应变仪进行测量，因此，任何力学物理量只要能设法转变为应变，都可以用应变计进行间接测量。能够把物理量转变为应变的结构部件称为弹性元件。传感器主要由弹性元件、应变计和外壳构成。 1．基本原理 应变计式传感器完成物理量到电量的转换，需要经过两个环节，即先通过弹性元件把物理量转变为机械应变，然后再由应变计把弹性元件的应变转变为电阻变化。 第1部 电阻应变测量方法 第7章 应变计式传感器 常见弹性元件结构形式：拉压杆、弯曲梁、扭转轴、圆板、圆筒、圆环以及剪切轮幅式结构等等。 在力、液体压力、扭矩等物理量测量中，通常把物理量直接作为弹性元件所承受的载荷。在静位移测量中，利用刚性极小的弹性元件直接感受位移变化。而在振动测量中，则按照惯性测振原理，利用由弹性元件和惯性质量块组成的弹簧—质量系统来反映被测振动的位移、速度和加速度。 传感器的性能很大程度上取决于弹性元件。 应满足下述要求： (1)在设计量程内，测点应能产生足够大的应变量，以便具有较高的输出灵敏度。在最大工作载荷时，能产生500~1000με为宜。 (2)保证弹性元件的应力不超过材料的比例极限。 (3) 弹性系统固有频率远大于设计工作频率。 (4)如果弹性元件要做为被测构件的一部分，则弹性元件应有足够的刚度，以免变形过大，影响构件的正常工作。 (5)测点的应变与被测物理量成线性关系。 (6) 结构紧凑，但要有足够的空间粘贴应变计，并便于连接导线。 2. 弹性元件的设计 第1部 电阻应变测量方法 第7章 应变计式传感器 弹性元件的加工工艺流程：锻造——预先热处理——粗加工——热处理——精加工——动静载处理——人工时效。 预先热处理（退火），使材料晶粒细化均匀，改善切削条件。 粗加工后的热处理依据热处理规范。如：45钢，830~850℃淬火，550℃回火，硬度HB=255~269；40Cr，850℃油淬，HBC≥53,370℃盐炉回火，保温3h，硬度HBC≥46~48；铍青铜，760~780℃淬火，320℃回火（2小时）。 动静载处理可提高弹性、减小零漂和蠕变。动载处理在量程1/3到满量程（或超载20%）以每秒4次的频率加载。静载处理可在满量程125%下保持4~6h,或110%下保持18~20h。 人工时效目的是消除残余应力，提高的长期稳定性，方法是在160~180℃下保持18~20h。 3. 材料选择 4．弹性元件的加工 弹性元件材料应具有高强度、高比例极限、低扬氏模量、稳定的物理性质、良好的机加工和热处理性能。常用材料有：40Cr、35CrMnSiA、50CrMnA、50CrVA、40CrNiMoA、65SiMnWA等合金钢，及铍青铜QBe2、硬铝LY12、超硬铝LC4等；对于要求不高的传感器，也可使用优质45#碳素钢。 第1部 电阻应变测量方法 第7章 应变计式传感器 对于临时使用的传感器，应变计的选择与粘贴，可与通常应变测量相同。对于长期、反复使用的传感器，应选择高质量、蠕变小、横向效应小、散热性和稳定性好、阻值较高的箔式应变计，采用专用的热固化应变胶粘贴，并要严格控制贴片质量，在应变计上应覆盖良好的防护层。 5．应变计的选择与粘贴 由于弹性元件材料、应变计等的实际性能参数不理想，难免出现电桥不能调平衡、零点漂移、灵敏度漂移、和输出非线性等缺陷，为进一步提高传感器的精度和稳定性，对于长期使用的传感器，还应当针对传感器的缺陷在电路上采取一些补偿措施。一般的补偿电路如图7-2所示。其中R1、R2、R3、R4为应变计，RZ、RT、RE、RL为补偿电阻。 6．传感器的电路补偿 第1部 电阻应变测量方法