應變式力傳感器

 

在所有力傳感器中，應變式力傳感器應用最為廣泛。它能應用於從極小到很大的動、靜態力的測量
，且測量精度高，其使用量約占力傳感器總量的90％左右。

 

應ying變bian式shi力li傳chuan感gan器qi的de工gong作zuo原yuan理li與yu應ying變bian式shi壓ya力li傳chuan感gan器qi基ji本ben相xiang同tong
，它ta也ye是shi由you彈dan性xing敏min感gan元yuan件jian和he貼tie在zai其qi上shang的de應ying變bian片pian組zu成cheng。應ying變bian式shi力li傳chuan感gan器qi首shou先xian把ba被bei測ce力li轉zhuan變bian成cheng彈dan性xing元yuan件jian的de應ying變bian，再zai利li用yong電dian阻zu應ying變bian效xiao應ying測ce出chu應ying變bian
，從cong而er間jian接jie地di測ce出chu力li的de大da小xiao。彈dan性xing元yuan件jian的de結jie構gou形xing式shi有you柱zhu形xing
、筒形、環形、梁形
、輪輻形、s形等。

 

yingbianpiandebuzhihejieqiaofangshi
，duiyutigaochuanganqidelingminduhexiaochuyouhaiyinsudeyingxiangyouhendaguanxi。genjudianqiaodejiajiantexinghedanxingyuanjiandeshoulixingzhi，zaitiepianweizhixukedeqingkuangxia，ketie4或8片應變片
，其位置應是彈性元件應變最大的地方。

 

柱形應變式力傳感器

 

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
，用於測量較大的力。最大量程可達10MN。在載荷較小時（1——100kN），為wei便bian於yu粘zhan貼tie應ying變bian片pian和he減jian小xiao由you於yu載zai荷he偏pian心xin或huo側ce向xiang分fen力li引yin起qi的de彎wan曲qu影ying響xiang，同tong時shi為wei了le提ti高gao靈ling敏min度du，多duo采cai用yong空kong心xin柱zhu體ti。四si個ge應ying變bian片pian粘zhan貼tie的de位wei置zhi和he方fang向xiang應ying保bao證zheng其qi中zhong兩liang片pian感gan受shou縱zong向xiang應ying變bian
，另ling外wai兩liang片pian感gan受shou橫heng向xiang應ying變bian（因為縱向應變與橫向應變是互為反向變化的），如圖1（a）所示。

 

當被測力F沿柱體軸向作用在彈性體上時
，其縱向應變和橫向應變分別為

 

 

式中
，E為材料的彈性模量
；S為柱體的截麵積；μ為材料的泊鬆比。

 

在(zai)實(shi)際(ji)測(ce)量(liang)中(zhong)，被(bei)測(ce)力(li)不(bu)可(ke)能(neng)正(zheng)好(hao)沿(yan)著(zhe)柱(zhu)體(ti)的(de)軸(zhou)線(xian)作(zuo)用(yong)，而(er)總(zong)是(shi)與(yu)軸(zhou)線(xian)成(cheng)一(yi)微(wei)小(xiao)的(de)角(jiao)度(du)或(huo)微(wei)小(xiao)的(de)偏(pian)心(xin)
，這(zhe)就(jiu)使(shi)得(de)彈(dan)性(xing)柱(zhu)體(ti)除(chu)了(le)受(shou)縱(zong)向(xiang)力(li)作(zuo)用(yong)外(wai)
，還(hai)受(shou)到(dao)橫(heng)向(xiang)力(li)和(he)彎(wan)矩(ju)的(de)作(zuo)用(yong)

，從(cong)而(er)影(ying)響(xiang)測(ce)量(liang)精(jing)度(du)。

 

輪輻式力傳感器

 

 

簡單的柱式、筒式、梁式等彈性元件是根據正應力與載荷成正比的關係來測量的，它們存在著一些不易克服的缺點。

 

為了進一步提高力傳感器性能和測量精度，要求力傳感器有抗偏心、抗側向力和抗過載能力。20世紀70年代開始已成功地研製出切應力傳感器。圖2是較常用的輪輻式切應力傳感器的結構簡圖。

 

圖2 輪輻式力傳感器

 

輪輻式力傳感器由輪圈、輪軲、輻fu條tiao和he應ying變bian片pian組zu成cheng。輻fu條tiao成cheng對dui且qie對dui稱cheng地di連lian接jie輪lun圈quan和he輪lun軲gu
，當dang外wai力li作zuo用yong在zai輪lun軲gu上shang端duan麵mian和he輪lun軲gu下xia端duan麵mian時shi
，矩ju形xing輻fu條tiao就jiu產chan生sheng平ping行xing四si邊bian形xing變bian形xing
，如ru圖tu2（b）所示，形成與外力成正比的切應變。此切應變能引起與中性軸成450方向的相互垂直的兩個正負正應力，即由切應力引起的拉應力和壓應力
，通過測量拉應力或壓應力值就可知切應力值的大小。

 

因此，在輪輻式傳感器中，把應變片貼到與切應力成45度du的de位wei置zhi上shang，使shi它ta感gan受shou的de仍reng是shi拉la伸shen和he壓ya縮suo應ying變bian，但dan該gai應ying變bian不bu是shi由you彎wan距ju產chan生sheng的de，而er主zhu要yao是shi由you剪jian切qie力li產chan生sheng的de，此ci即ji這zhe類lei傳chuan感gan器qi的de基ji本ben工gong作zuo原yuan理li。這zhe類lei傳chuan感gan器qi最zui突tu出chu的de優you點dian是shi抗kang過guo載zai能neng力li強qiang，能neng承cheng受shou幾ji倍bei於yu額e定ding量liang程cheng的de過guo載zai。此ci外wai
，其qi抗kang偏pian心xin
、抗側向力的能力也較強，精度在0.1％之內。

 

壓磁式力傳感器

 

當鐵磁材料在受到外力的拉
、壓作用而在內部產生應力時，其導磁率會隨應力的大小和方向而變化：受拉力時，沿力作用方向的導磁率增大，而在垂直於作用力的方向上導磁率略有減小
；受壓力作用時則導磁率的變化正好相反。這種物理現象就是鐵磁材料的壓磁效應。這種效應可用於力的測量。

 

圖3 壓磁式傳感器

 

壓磁式力傳感器一般由壓磁元件、傳力機構組成，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。壓磁元件上衝有四個對稱分布的孔
，孔1和2之間繞有激磁繞組W12 （初級繞組），孔3和4間繞有測量繞組W34。（次級繞組）
，如圖3（b）所示。

 

當激磁繞組W12通(tong)有(you)交(jiao)變(bian)電(dian)流(liu)時(shi)，鐵(tie)磁(ci)體(ti)中(zhong)就(jiu)產(chan)生(sheng)一(yi)定(ding)大(da)小(xiao)的(de)磁(ci)場(chang)。若(ruo)無(wu)外(wai)力(li)作(zuo)用(yong)，則(ze)磁(ci)感(gan)應(ying)線(xian)相(xiang)對(dui)於(yu)測(ce)量(liang)繞(rao)組(zu)平(ping)麵(mian)對(dui)稱(cheng)分(fen)布(bu)，合(he)成(cheng)磁(ci)場(chang)強(qiang)度(du)日(ri)平(ping)行(xing)於(yu)測(ce)量(liang)繞(rao)組(zu)W34的平麵，磁感應線不與測量繞組W34交連，故繞組W34不產生感應電勢
，如圖3（C）所示。

 

當有壓縮力F作用於壓磁元件上時，磁感應線的分布圖發生變形，不再對稱於測量繞組W34的平麵（如圖3（d）所示），合成磁場強度H不再與測量繞組平麵平行，因而就有部分磁感應線與測量繞組W34相交鏈，而在其上感應出電勢。作用力愈大，交鏈的磁通愈多，感應電勢愈大。

 

壓ya磁ci式shi力li傳chuan感gan器qi的de輸shu出chu電dian勢shi比bi較jiao大da，通tong常chang不bu必bi再zai放fang大da，隻zhi要yao經jing過guo濾lv波bo整zheng流liu後hou就jiu可ke直zhi接jie輸shu出chu，但dan要yao求qiu有you一yi個ge穩wen定ding的de激ji磁ci電dian源yuan。壓ya磁ci式shi力li傳chuan感gan器qi可ke測ce量liang很hen大da的de力li，抗kang過guo載zai能neng力li強qiang，能neng在zai惡e劣lie條tiao件jian下xia工gong作zuo。但dan頻pin率lv響xiang應ying不bu高gao（1——10 kHz）
，測量精度一般在1％左右，也有精度更高的新型結構的壓磁式力傳感器。常用於冶金、礦山等重工業部門作為測力或稱重傳感器，例如在軋鋼機上用來測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(shi)基(ji)於(yu)壓(ya)電(dian)效(xiao)應(ying)的(de)傳(chuan)感(gan)器(qi)。是(shi)一(yi)種(zhong)自(zi)發(fa)電(dian)式(shi)和(he)機(ji)電(dian)轉(zhuan)換(huan)式(shi)傳(chuan)感(gan)器(qi)。它(ta)的(de)敏(min)感(gan)元(yuan)件(jian)由(you)壓(ya)電(dian)材(cai)料(liao)製(zhi)成(cheng)。壓(ya)電(dian)材(cai)料(liao)受(shou)力(li)後(hou)表(biao)麵(mian)產(chan)生(sheng)電(dian)荷(he)。此(ci)電(dian)荷(he)經(jing)電(dian)荷(he)放(fang)大(da)器(qi)和(he)測(ce)量(liang)電(dian)路(lu)放(fang)大(da)和(he)變(bian)換(huan)阻(zu)抗(kang)後(hou)就(jiu)成(cheng)為(wei)正(zheng)比(bi)於(yu)所(suo)受(shou)外(wai)力(li)的(de)電(dian)量(liang)輸(shu)出(chu)。壓(ya)電(dian)式(shi)傳(chuan)感(gan)器(qi)用(yong)於(yu)測(ce)量(liang)力(li)和(he)能(neng)變(bian)換(huan)為(wei)力(li)的(de)非(fei)電(dian)物(wu)理(li)量(liang)。它(ta)的(de)優(you)點(dian)是(shi)頻(pin)帶(dai)寬(kuan)

、靈敏度高、信噪比高、結構簡單
、工gong作zuo可ke靠kao和he重zhong量liang輕qing等deng。缺que點dian是shi某mou些xie壓ya電dian材cai料liao需xu要yao防fang潮chao措cuo施shi，而er且qie輸shu出chu的de直zhi流liu響xiang應ying差cha，需xu要yao采cai用yong高gao輸shu入ru阻zu抗kang電dian路lu或huo電dian荷he放fang大da器qi來lai克ke服fu這zhe一yi缺que陷xian。利li用yong壓ya電dian材cai料liao（石英晶體、壓電陶瓷）的壓電效應
，將被測力轉換為與其成正比的電荷量輸出；

 

石英晶體：性能穩定，動態效應好，機械強度高，線性範圍寬，多用於高精度，大量程測量，mN-MN.

 

壓電陶瓷：壓電常數遠高於壓電晶體，價格便宜，用途廣泛。

 

主要用於動態測量：

 

 

振弦式力傳感器

 

振弦式傳感器（vibrating wire transducer）是(shi)以(yi)拉(la)緊(jin)的(de)金(jin)屬(shu)弦(xian)作(zuo)為(wei)敏(min)感(gan)元(yuan)件(jian)的(de)諧(xie)振(zhen)式(shi)傳(chuan)感(gan)器(qi)。當(dang)弦(xian)的(de)長(chang)度(du)確(que)定(ding)之(zhi)後(hou)，其(qi)固(gu)有(you)振(zhen)動(dong)頻(pin)率(lv)的(de)變(bian)化(hua)量(liang)即(ji)可(ke)表(biao)征(zheng)弦(xian)所(suo)受(shou)拉(la)力(li)的(de)大(da)小(xiao)，通(tong)過(guo)相(xiang)應(ying)的(de)測(ce)量(liang)電(dian)路(lu)
，就(jiu)可(ke)得(de)到(dao)與(yu)拉(la)力(li)成(cheng)一(yi)定(ding)關(guan)係(xi)的(de)電(dian)信(xin)號(hao)。振(zhen)弦(xian)的(de)固(gu)有(you)振(zhen)動(dong)頻(pin)率(lv)f與拉力T的關係為
，式中l為振弦的長度，ρ為單位弦長的質量。振弦的材料與質量直接影響傳感器的精度
、靈敏度和穩定性。鎢絲的性能穩定、硬度

、熔點和抗拉強度都很高

，是常用的振弦材料。此外，還可用提琴弦、高強度鋼絲、鈦絲等作為振弦材料。振弦式傳感器由振弦
、磁鐵、夾緊裝置和受力機構組成。振弦一端固定、一端連接在受力機構上。

 

 

早zao期qi的de壓ya力li傳chuan感gan器qi即ji采cai用yong振zhen弦xian式shi。這zhe種zhong傳chuan感gan器qi的de振zhen弦xian一yi端duan固gu定ding
，另ling一yi端duan連lian結jie在zai彈dan性xing感gan壓ya膜mo片pian上shang。弦xian的de中zhong部bu裝zhuang有you一yi塊kuai軟ruan鐵tie，置zhi於yu磁ci鐵tie和he線xian圈quan構gou成cheng的de激ji勵li器qi的de磁ci場chang中zhong。激ji勵li器qi在zai停ting止zhi激ji勵li時shi兼jian作zuo拾shi振zhen器qi
，或huo單dan設she拾shi振zhen器qi。工gong作zuo時shi，振zhen弦xian在zai激ji勵li器qi的de激ji勵li下xia振zhen動dong
，其qi振zhen動dong頻pin率lv與yu膜mo片pian所suo受shou壓ya力li的de大da小xiao有you關guan。

 

拾(shi)振(zhen)器(qi)則(ze)通(tong)過(guo)電(dian)磁(ci)感(gan)應(ying)獲(huo)取(qu)振(zhen)動(dong)頻(pin)率(lv)信(xin)號(hao)。振(zhen)弦(xian)振(zhen)動(dong)的(de)激(ji)勵(li)方(fang)式(shi)有(you)間(jian)歇(xie)式(shi)和(he)連(lian)續(xu)式(shi)兩(liang)種(zhong)。在(zai)間(jian)歇(xie)激(ji)勵(li)方(fang)式(shi)中(zhong)，采(cai)用(yong)張(zhang)弛(chi)振(zhen)蕩(dang)器(qi)給(gei)出(chu)激(ji)勵(li)脈(mai)衝(chong)，並(bing)通(tong)過(guo)一(yi)個(ge)繼(ji)電(dian)器(qi)使(shi)線(xian)圈(quan)通(tong)電(dian)、磁鐵吸住弦上的軟鐵塊。

 

激(ji)勵(li)脈(mai)衝(chong)停(ting)止(zhi)後(hou)，磁(ci)鐵(tie)被(bei)鬆(song)開(kai)，使(shi)振(zhen)弦(xian)自(zi)由(you)振(zhen)動(dong)。此(ci)時(shi)在(zai)線(xian)圈(quan)中(zhong)即(ji)產(chan)生(sheng)感(gan)應(ying)電(dian)勢(shi)，其(qi)交(jiao)變(bian)頻(pin)率(lv)即(ji)為(wei)振(zhen)弦(xian)的(de)固(gu)有(you)振(zhen)動(dong)頻(pin)率(lv)。連(lian)續(xu)激(ji)勵(li)方(fang)式(shi)又(you)可(ke)分(fen)為(wei)電(dian)流(liu)法(fa)和(he)電(dian)磁(ci)法(fa)。電(dian)流(liu)法(fa)將(jiang)振(zhen)弦(xian)作(zuo)為(wei)等(deng)效(xiao)的(de)LC回路並聯於振蕩電路中
，使電路以振弦的固有頻率振蕩。

 

電(dian)磁(ci)法(fa)采(cai)用(yong)兩(liang)個(ge)裝(zhuang)有(you)線(xian)圈(quan)的(de)磁(ci)鐵(tie)，分(fen)別(bie)作(zuo)為(wei)激(ji)勵(li)線(xian)圈(quan)和(he)拾(shi)振(zhen)線(xian)圈(quan)。拾(shi)振(zhen)線(xian)圈(quan)的(de)感(gan)應(ying)信(xin)號(hao)被(bei)放(fang)大(da)後(hou)又(you)送(song)至(zhi)激(ji)勵(li)線(xian)圈(quan)去(qu)補(bu)充(chong)振(zhen)動(dong)的(de)能(neng)量(liang)。為(wei)減(jian)小(xiao)傳(chuan)感(gan)器(qi)非(fei)線(xian)性(xing)對(dui)測(ce)量(liang)精(jing)度(du)的(de)影(ying)響(xiang)，需(xu)要(yao)選(xuan)擇(ze)適(shi)中(zhong)的(de)最(zui)佳(jia)工(gong)作(zuo)頻(pin)段(duan)和(he)設(she)置(zhi)預(yu)應(ying)力(li)，或(huo)采(cai)用(yong)在(zai)感(gan)壓(ya)膜(mo)的(de)兩(liang)側(ce)各(ge)設(she)一(yi)根(gen)振(zhen)弦(xian)的(de)差(cha)動(dong)式(shi)結(jie)構(gou)。

 

 

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