應(yīng)變式力傳感器

 

在所有力傳感器中，應(yīng)變式力傳感器應(yīng)用最為廣泛。它能應(yīng)用于從極小到很大的動(dòng)、靜態(tài)力的測(cè)量，且測(cè)量精度高，其使用量約占力傳感器總量的90％左右。

 

應(yīng)變式力傳感器的工作原理與應(yīng)變式壓力傳感器基本相同，它也是由彈性敏感元件和貼在其上的應(yīng)變片組成。應(yīng)變式力傳感器首先把被測(cè)力轉(zhuǎn)變成彈性元件的應(yīng)變，再利用電阻應(yīng)變效應(yīng)測(cè)出應(yīng)變，從而間接地測(cè)出力的大小。彈性元件的結(jié)構(gòu)形式有柱形、筒形、環(huán)形、梁形、輪輻形、s形等。

 

應(yīng)變片的布置和接橋方式，對(duì)于提高傳感器的靈敏度和消除有害因素的影響有很大關(guān)系。根據(jù)電橋的加減特性和彈性元件的受力性質(zhì)，在貼片位置許可的情況下，可貼4或8片應(yīng)變片，其位置應(yīng)是彈性元件應(yīng)變最大的地方。

 

柱形應(yīng)變式力傳感器

 

圖1給出了常見的柱形、筒形、梁形彈性元件及應(yīng)變片的貼片方式。圖1（a）為柱形彈性元件；圖1（b）為筒形彈性元件；圖1（c）為梁形彈性元件。

 

圖1 幾種彈性元件及應(yīng)變片貼片方式

 

柱形彈性元件通常都做成圓柱形和方柱形，用于測(cè)量較大的力。最大量程可達(dá)10MN。在載荷較小時(shí)（1——100kN），為便于粘貼應(yīng)變片和減小由于載荷偏心或側(cè)向分力引起的彎曲影響，同時(shí)為了提高靈敏度，多采用空心柱體。四個(gè)應(yīng)變片粘貼的位置和方向應(yīng)保證其中兩片感受縱向應(yīng)變，另外兩片感受橫向應(yīng)變（因?yàn)榭v向應(yīng)變與橫向應(yīng)變是互為反向變化的），如圖1（a）所示。

 

當(dāng)被測(cè)力F沿柱體軸向作用在彈性體上時(shí)，其縱向應(yīng)變和橫向應(yīng)變分別為

 

 

式中，E為材料的彈性模量；S為柱體的截面積；μ為材料的泊松比。

 

在實(shí)際測(cè)量中，被測(cè)力不可能正好沿著柱體的軸線作用，而總是與軸線成一微小的角度或微小的偏心，這就使得彈性柱體除了受縱向力作用外，還受到橫向力和彎矩的作用，從而影響測(cè)量精度。

 

輪輻式力傳感器

 

 

簡(jiǎn)單的柱式、筒式、梁式等彈性元件是根據(jù)正應(yīng)力與載荷成正比的關(guān)系來測(cè)量的，它們存在著一些不易克服的缺點(diǎn)。

 

為了進(jìn)一步提高力傳感器性能和測(cè)量精度，要求力傳感器有抗偏心、抗側(cè)向力和抗過載能力。20世紀(jì)70年代開始已成功地研制出切應(yīng)力傳感器。圖2是較常用的輪輻式切應(yīng)力傳感器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。

 

圖2 輪輻式力傳感器

 

輪輻式力傳感器由輪圈、輪轱、輻條和應(yīng)變片組成。輻條成對(duì)且對(duì)稱地連接輪圈和輪轱，當(dāng)外力作用在輪轱上端面和輪轱下端面時(shí)，矩形輻條就產(chǎn)生平行四邊形變形，如圖2（b）所示，形成與外力成正比的切應(yīng)變。此切應(yīng)變能引起與中性軸成450方向的相互垂直的兩個(gè)正負(fù)正應(yīng)力，即由切應(yīng)力引起的拉應(yīng)力和壓應(yīng)力，通過測(cè)量拉應(yīng)力或壓應(yīng)力值就可知切應(yīng)力值的大小。

 

因此，在輪輻式傳感器中，把應(yīng)變片貼到與切應(yīng)力成45度的位置上，使它感受的仍是拉伸和壓縮應(yīng)變，但該應(yīng)變不是由彎距產(chǎn)生的，而主要是由剪切力產(chǎn)生的，此即這類傳感器的基本工作原理。這類傳感器最突出的優(yōu)點(diǎn)是抗過載能力強(qiáng)，能承受幾倍于額定量程的過載。此外，其抗偏心、抗側(cè)向力的能力也較強(qiáng)，精度在0.1％之內(nèi)。

 

壓磁式力傳感器

 

當(dāng)鐵磁材料在受到外力的拉、壓作用而在內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力時(shí)，其導(dǎo)磁率會(huì)隨應(yīng)力的大小和方向而變化：受拉力時(shí)，沿力作用方向的導(dǎo)磁率增大，而在垂直于作用力的方向上導(dǎo)磁率略有減小；受壓力作用時(shí)則導(dǎo)磁率的變化正好相反。這種物理現(xiàn)象就是鐵磁材料的壓磁效應(yīng)。這種效應(yīng)可用于力的測(cè)量。

 

圖3 壓磁式傳感器

 

壓磁式力傳感器一般由壓磁元件、傳力機(jī)構(gòu)組成，如圖3（a）所示。

 

其中主要部分是壓磁元件，它由其上開孔的鐵磁材料薄片疊成。壓磁元件上沖有四個(gè)對(duì)稱分布的孔，孔1和2之間繞有激磁繞組W12 （初級(jí)繞組），孔3和4間繞有測(cè)量繞組W34。（次級(jí)繞組），如圖3（b）所示。

 

當(dāng)激磁繞組W12通有交變電流時(shí)，鐵磁體中就產(chǎn)生一定大小的磁場(chǎng)。若無外力作用，則磁感應(yīng)線相對(duì)于測(cè)量繞組平面對(duì)稱分布，合成磁場(chǎng)強(qiáng)度日平行于測(cè)量繞組W34的平面，磁感應(yīng)線不與測(cè)量繞組W34交連，故繞組W34不產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，如圖3（C）所示。

 

當(dāng)有壓縮力F作用于壓磁元件上時(shí)，磁感應(yīng)線的分布圖發(fā)生變形，不再對(duì)稱于測(cè)量繞組W34的平面（如圖3（d）所示），合成磁場(chǎng)強(qiáng)度H不再與測(cè)量繞組平面平行，因而就有部分磁感應(yīng)線與測(cè)量繞組W34相交鏈，而在其上感應(yīng)出電勢(shì)。作用力愈大，交鏈的磁通愈多，感應(yīng)電勢(shì)愈大。

 

壓磁式力傳感器的輸出電勢(shì)比較大，通常不必再放大，只要經(jīng)過濾波整流后就可直接輸出，但要求有一個(gè)穩(wěn)定的激磁電源。壓磁式力傳感器可測(cè)量很大的力，抗過載能力強(qiáng)，能在惡劣條件下工作。但頻率響應(yīng)不高（1——10 kHz），測(cè)量精度一般在1％左右，也有精度更高的新型結(jié)構(gòu)的壓磁式力傳感器。常用于冶金、礦山等重工業(yè)部門作為測(cè)力或稱重傳感器，例如在軋鋼機(jī)上用來測(cè)量大的力以及用在吊車秤中。

 

 

壓電式力傳感器

 

壓電式傳感器 是基于壓電效應(yīng)的傳感器。是一種自發(fā)電式和機(jī)電轉(zhuǎn)換式傳感器。它的敏感元件由壓電材料制成。壓電材料受力后表面產(chǎn)生電荷。此電荷經(jīng)電荷放大器和測(cè)量電路放大和變換阻抗后就成為正比于所受外力的電量輸出。壓電式傳感器用于測(cè)量力和能變換為力的非電物理量。它的優(yōu)點(diǎn)是頻帶寬、靈敏度高、信噪比高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠和重量輕等。缺點(diǎn)是某些壓電材料需要防潮措施，而且輸出的直流響應(yīng)差，需要采用高輸入阻抗電路或電荷放大器來克服這一缺陷。利用壓電材料（石英晶體、壓電陶瓷）的壓電效應(yīng)，將被測(cè)力轉(zhuǎn)換為與其成正比的電荷量輸出；

 

石英晶體：性能穩(wěn)定，動(dòng)態(tài)效應(yīng)好，機(jī)械強(qiáng)度高，線性范圍寬，多用于高精度，大量程測(cè)量，mN-MN.

 

壓電陶瓷：壓電常數(shù)遠(yuǎn)高于壓電晶體，價(jià)格便宜，用途廣泛。

 

主要用于動(dòng)態(tài)測(cè)量：

 

 

振弦式力傳感器

 

振弦式傳感器（vibrating wire transducer）是以拉緊的金屬弦作為敏感元件的諧振式傳感器。當(dāng)弦的長(zhǎng)度確定之后，其固有振動(dòng)頻率的變化量即可表征弦所受拉力的大小，通過相應(yīng)的測(cè)量電路，就可得到與拉力成一定關(guān)系的電信號(hào)。振弦的固有振動(dòng)頻率f與拉力T的關(guān)系為，式中l(wèi)為振弦的長(zhǎng)度，ρ為單位弦長(zhǎng)的質(zhì)量。振弦的材料與質(zhì)量直接影響傳感器的精度、靈敏度和穩(wěn)定性。鎢絲的性能穩(wěn)定、硬度、熔點(diǎn)和抗拉強(qiáng)度都很高，是常用的振弦材料。此外，還可用提琴弦、高強(qiáng)度鋼絲、鈦絲等作為振弦材料。振弦式傳感器由振弦、磁鐵、夾緊裝置和受力機(jī)構(gòu)組成。振弦一端固定、一端連接在受力機(jī)構(gòu)上。

 

 

早期的壓力傳感器即采用振弦式。這種傳感器的振弦一端固定，另一端連結(jié)在彈性感壓膜片上。弦的中部裝有一塊軟鐵，置于磁鐵和線圈構(gòu)成的激勵(lì)器的磁場(chǎng)中。激勵(lì)器在停止激勵(lì)時(shí)兼作拾振器，或單設(shè)拾振器。工作時(shí)，振弦在激勵(lì)器的激勵(lì)下振動(dòng)，其振動(dòng)頻率與膜片所受壓力的大小有關(guān)。

 

拾振器則通過電磁感應(yīng)獲取振動(dòng)頻率信號(hào)。振弦振動(dòng)的激勵(lì)方式有間歇式和連續(xù)式兩種。在間歇激勵(lì)方式中，采用張弛振蕩器給出激勵(lì)脈沖，并通過一個(gè)繼電器使線圈通電、磁鐵吸住弦上的軟鐵塊。

 

激勵(lì)脈沖停止后，磁鐵被松開，使振弦自由振動(dòng)。此時(shí)在線圈中即產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，其交變頻率即為振弦的固有振動(dòng)頻率。連續(xù)激勵(lì)方式又可分為電流法和電磁法。電流法將振弦作為等效的LC回路并聯(lián)于振蕩電路中，使電路以振弦的固有頻率振蕩。

 

電磁法采用兩個(gè)裝有線圈的磁鐵，分別作為激勵(lì)線圈和拾振線圈。拾振線圈的感應(yīng)信號(hào)被放大后又送至激勵(lì)線圈去補(bǔ)充振動(dòng)的能量。為減小傳感器非線性對(duì)測(cè)量精度的影響，需要選擇適中的最佳工作頻段和設(shè)置預(yù)應(yīng)力，或采用在感壓膜的兩側(cè)各設(shè)一根振弦的差動(dòng)式結(jié)構(gòu)。

 

 

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