第十一章 传感器 实验力学华中科技大学版本.ppt

第十一章 传感器 11-1 传感器的一般特性 物理量 → 敏感元件 → 传感元件→ 测量电路 → 电量 位移 悬臂梁 应变计 电桥电路 电压 11-1-1 传感器的静态特性 稳定时的输入输出关系－－线性最好 1、线性度 一般曲线 2、滞后 传感器正、反行程间的输入－输出曲线不重合的程度，也是百分比 3、灵敏度 线性传感器的校准线的斜率即静态灵敏度 11-1-2 传感器的动态特性 1、零阶传感器（输出－输入关系为零阶微分方程） 如右上线性电位器式传感器 2、二阶传感器 即前述振子的幅频和相频特性曲线 11-2 应变计式传感器的基本原理 应变计式传感器由 弹性元件和应变计桥路构成 11-2-1 弹性元件 任何部位的应力不能超过材料的弹性极限（或屈服极限），并有合适的安全系数（n＝1.5～2.0） 粘贴应变计的部位应有足够大的应变，（如1000～1500）结构紧凑又便于贴片、接线。 应是小变形，不改变原工作状态 动态特性的固有频率高 各种材料可查表选择 各种材料特性 11-2-2 应变计 一般都用胶膜基箔式应变计，大量采用环氧树脂，性能最好。 11-2-3 传感器电路补偿 为提高传感器性能和使其具有互换性，还常采取各种补偿电路 1、零点调整 某一桥臂中串联一段电阻温度系数很小的锰铜、康铜，使输出接近于零 2、灵敏度标准化 为保证互换性，可在电源供桥回路中串联一个电阻Rs，即降低供桥电压，使灵敏度达标准值 零点温度补偿 线性补偿 灵敏度温度补偿 输入电阻标准化调整 11-3 各种应变计式传感器的构造和特性 11-3-1测力传感器（称重传感器） 按弹性元件不同分：杆式、环式、板式、梁式、剪切轮辐式、双联孔式等 1、杆（柱）式弹性元件 结构简单，可承受大载荷；空心、实心、方、圆 注意承弯膜片、电桥接法 设计： 2、悬臂梁式弹性元件 适用于较小的载荷，结构简单，易加工，灵敏度高 右图实际是剪力测量电路（a、b接半桥） 3、环形弹性元件 结构简单，坚固稳定，自振频率高，应力分布有正负，便于接桥，灵敏度高（环内A、B处贴片） 按半径与截面高之必可分为小曲率、大曲率。 R/h5为小曲率（薄环），5的为大曲率（厚环） 小曲率的弯矩计算式为：(使曲率增大为正弯矩） 小曲率圆环用直梁公式近似计算弯曲应力 不计正压力，大曲率环不适用 4、剪切轮辐式弹性元件 结构高度底，精度高，线性好，抗偏心载荷和侧向力强，灵敏度高，承载力大，（由十字辐条承载并感受应变）易安装 45度贴片，全桥接法 输出灵敏度 辐条高 h 取2.5～3 辐条宽 b 辐条长 l 取1～1.5 辐条高 h 5、S形双连孔梁式弹性元件 灵敏度高，线性好，抗偏心能力强，适用较小载荷。 结构可简化为右图两端固定双梁。 荷载P分别由两梁各受P/2及其弯矩，弯矩图为线性反对称分布 故孔内四个贴片位置的应变绝对值相同，符号相反， ε1=ε3 ε2=ε4 =-ε1 ，全桥测量，则P与总应变读数成正比 其它弹性元件 多孔式框架结构弹性元件 简化为一端固定，一端只能上下移动的悬臂梁 S形剪切梁式弹性元件 受反对称外力，腹板部分受剪切，测量不受加载点位置的影响 板环式弹性元件 可视作前圆环式弹性元件的变化，视作变截面环，整体刚度有提高，适合拉压，只能近似计算，最后标定 多维测力传感器 鞍马三维测力传感器 Fx，Fy，Fz 车削三向力八角环式测力传感器 Px，Py，Pz 通过设计结构、选择电桥接法，将各个力与所测应变建立关系，标定出具体系数即可。 常用剪力电路、弯矩电路和正应力电路 对受Fx、Fy、Fz、和Mx、My、Mz作用的一般结构上贴6个应变片，则：这6个应变是该6个荷载的函数 11-3-2 测力传感器的标定 标定加载方法 标准砝码加载：小载荷力传感器 杠杆砝码机构加载： 杠杆比1～20，精度0.2％ 标准测力计： 高精度（0.1％）标准测力计与被标定传感器串联 总原则：高精度等级标定底精度等级 数据处理：最小二乘法 11-3-3 压力（压强）传感器 1、膜片式压力传感器 周边固定圆形金属膜，一边受压，有径向和周向应变 应变分布见右上图 边沿：径向应变大，且为负值 中心：周向应变大，都是正值 做成圆膜形箔式应变花，灵敏度高，但非线性大 2、 桶式压力传感器 具有盲孔的弹性元件，内腔与压力接通，圆筒外表面周向应变： 对薄壁筒 3、 组合式压力传感器 2、 11-3-4 位移传感器 其结构多种，以悬臂梁多见，按材料力学解出挠度、应力： 既有： 11-3-5 扭矩传感器 圆轴受扭，其45度方向分别受拉压应力，其值等于剪应力，并有关系： D为实心圆杆直径 本章结束 *