自动检测技术及应用3(力学传感器及力学量检测)教材.ppt

自动检测技术及应用____(力学传感器) 杨 柳 yl9165@126.comQQ：398530543 了解力的概念及力的测量原理。 掌握常用力、压力传感器的测量原理。 掌握电阻应变片的测量电路及补偿原理 掌握电容式传感器的测量原理 熟悉应变式、压电式、电容式等传感器 的应用。 学习要点 2.1 概述 力是物质之间的一种相互作用 物体之间相互作用的结果 使物体产生变形； 在物体内产生应力、应变； 改变物体的机械运动状态； 改变物体所具有的动能和势能。 力传感器的组成 力是一种非电物理量，不能用电工仪表直接测量，需要借助某一装置将力转换为电量进行测量，能实现这一功能的装置就是力传感器。力传感器主要由力敏感元件、转换元件和测量电路组成。如图2-1所示。 力的计量单位及测量原理 力的计量单位为牛顿 力的测量的原理 力的静力效应 力的动力效应 指弹性物体受力后产生变形的一种物理现象。由胡克定律知：如在弹性范围内,弹性物体在力的作用下产生的变形（x），与所受的力F成正比(k为弹性元件的劲度系数)。因此，只要通过一定的手段测出物体的弹性变形量，就可间接确定物体所受力的大小。 指具有一定质量的物体受到力的作用时，其动量将发生变化，从而产生相应加速度的物理现象。由牛顿第二定律可知：当物体质量（m）确定后，物体受到的力（F）与所产生的加速度（a）成单值对应关系。只要测出物体的加速度，就可间接测得物体所受到力的大小。 测量力的方法 其中大多需要弹性敏感元件或其它敏感元件的转换。 测量力的方法 电阻式（电位器式、电阻应变片式） 电感式（自感、互感、涡流） 电容式 压电式 压磁式 压阻式 返回本章目录 2.2 弹性敏感元件 弹性敏感元件把力或压力转换成了应变或位移,然后再由转换电路将应变或位移转换成电信号。 弹性敏感元件是力传感器中一个关键性的部件，应具有良好的弹性、足够的精度,应保证长期使用和温度变化时的稳定性。 2.2.1 弹性敏感元件的特性 1. 刚度——抵抗变形的能力 刚度是弹性元件在外力做用下变形大小的量度，一般用表示 式中 F —— 作用在弹性元件上的外力 x —— 弹性元件产生的变形 （2-1） 2. 灵敏度 灵敏度——弹性敏感元件在单位力作用下产生变形的大小，在弹性力学中称为弹性元件的柔度。它是刚度的倒数, 用K表示 （2-2） 在测控系统中希望它是常数 3. 弹性滞后 实际的弹性元件在加载、卸载的正反行程中变形曲线是不重合的，这种现象称为弹性滞后现象，它会给测量带来误差。如图2-2所示。 原因：弹性元件在工作过程中分子间存在内摩擦。当比较两种弹性材料时，应都用加载变形曲线或都用卸载变形曲线来比较，这样才有可比性。 图2-2 弹性滞后 4. 弹性后效 当载荷从某一数值变化到另一数值时,弹性元件变形不是立即完成相应的变形，而是经一定的时间间隔逐渐完成变形的，这种现象称为弹性后效。 图2-3 弹性后效 弹性后效造成的结果 由于弹性后效的存在，弹性敏感元件的 变形始终不能迅速地跟上力的变化， 在动态测量时将引起测量误差。 造成这一现象的原因是由于弹性敏感元件 中的分子间存在内摩擦。 2.2.2 弹性敏感元件的分类 弹性敏感元件分类 力转换为应变或位移的变换力的弹性敏感元件。 压力转换为应变或位移的变换压力的弹性敏感元件。 1. 变换力的弹性敏感元件 2. 变换压力的弹性敏感元件 (1)弹簧管　弹簧管又叫布尔登管，它是弯成各种形状的空心管，管子的截面形状有许多种，但使用最多的是C形薄壁空心管。如图2-5a所示。 C形弹簧管的一端密封但不固定，成为自由端，另一端连接在管接头上且固定。当流体压力通过管接头进入弹簧管后，在压力F作用下，弹簧管的横截面力图变成圆形截面，截面的短轴力图伸长。使弹簧管趋向伸直，一直伸展到管弹力与压力的作用相平衡为止。这样自由端便产生了位移。通过测量位移的大小，比可得到压力的大小。 (1) 弹簧管 各种波纹管敏感元件的外形 波纹管是有许多同心环状皱纹的薄壁圆管 返回本章目录 2.3 电阻应变式传感器 电阻应变式传感器是一种利用电阻材料的应变效应，将工程结构件的内部变形转换为电阻变化的传感器。 此类传感器主要是在弹性元件上通过特定工艺粘贴电阻应变片来组成。通过一定的机械装置将被测量转化成弹性元件的变形，然后由电阻应变片将