《力传感器.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《力传感器.ppt（33页珍藏版）》请在三一办公上搜索。
1、力的测量方法 力的本质是物体之间的相互作用，不能直接得到其值的大小。力施加于某一物体后，将使物体的运动状态或动量改变，使物体产生加速度，这是力的“动力效应”。还可以使物体产生应力，发生变形，这是力的“静力效应”。因此，可以利用这些变化来实现对力的检测。力的测量方法可归纳为力平衡法，测位移法和利用某些物理效应测力等。,1.力平衡法 力平衡式测量法是基于比较测量的原理，用一个已知力来平衡待测的未知力，从而得出待测力的值。平衡力可以是已知质量的重力、电磁力或气动力等。,(1)机械式力平衡装置 图(a)为梁式天平，通过调整砝码使指针归零，将被测力Fi与标准质量(砝码G)的重力进行平衡，直接比较得出被测
2、力Fi的大小。机械式力平衡装置,图(b)为机械杠杆式力平衡装置，可转动的杠杆支撑支点M上，杠杆左端上面悬挂有刀形支承N，在N的下端直接作用有被测力Fi；杠杆右端是质量m已知的可滑动砝码G；另在杠杆转动中心上安装有归零指针。测量时，调整砝码的位置使之与被测力平衡。当达到平衡时，则有:式中:a，b分别为被测力Fi和砝码G的力臂；g为当地重力加速度。,可见，被测力Fi的大小与砝码重力mg的力臂b成正比，因此可以在杠杆上直接按力的大小刻度。这种测力计机构简单，常用于材料试验机的测力系统中。上述测力方法的优点是简单易行，可获得很高的测量精度。但这种方法是基于静态重力力矩平衡，因此仅适用于作静态测量。,(
3、2)磁电式力平衡装置 图3-21所示为一种磁电式力平衡测力系统。无外力作用时，系统处于初始平衡位置，光线全部被遮住，光敏元件无电流输出，力矩线圈不产生力矩。当被测力Fi作用在杠杆上时，杠杆发生偏转，光线通过窗口打开的相应缝隙，照射到光敏元件上，光敏元件输出与光照成比例的电信号，经放大后加到力矩线圈上与磁场相互作用而产生电磁力矩，用来平衡被测力Fi与 标准质量m的重力力矩之差，使杠杆重新处于平衡。此时杠杆转角与被测力Fi成正比，而放大器输出电信号在采样电阻R上的电压降Uo与被测力Fi成比例，从而可测出力Fi。,图3-21 磁电式力平衡测力系统,与机械杠杆式测力系统相比较，磁电式力平衡系统使用方便
4、，受环境条件影响较小，体积小、响应快，输出的电信号易于记录且便于远距离测量和控制。,2.测位移法1）电容式力传感器 在力作用下，弹性元件产生变形，测位移法通过测量未知力所引起的位移，从而间接地测得未知力值。电容式测力装置,图所示是电容传感器与弹性元件组成的测力装置。图中，扁环形弹性元件内腔上下平面上分别固连电容传感器的两个极板。在力作用下，弹性元件受力变形，使极板间距改变，导致传感器电容量变化。用测量电路将此电容量变化转换成电信号，即可得到被测力值。通常采用调频或调相电路来测量电容。这种测力装置可用于大型电子吊秤。,2）电容式力传感器,在矩形的特殊弹性元件上，加工若干个贯通的圆孔，每个圆孔内固
5、定两个端面平行的丁字形电极，每个电极上贴有铜箔，构成由多个平行板电容器并联组成的测量电路。在力F作用下，弹性元件变形使极板间矩发生变化，从而改变电容量。,其特点是结构简单，灵敏度高，动态响应快，但是由于电荷泄漏难于避免，不适宜静态力的测量。,差动变压器式测力装置,3）差动变压器式传感器,图为两种常用的由差动变压器与弹性元件构成的测力装置。弹性元件受力产生位移，带动差动变压器的铁芯运动，使两线圈互感发生变化，最后使差动变压器的输出电压产生和弹性元件受力大小成比例的变化。图(a)是差动变压器与弹簧组合构成的测力装置；图(b)为筒形弹性元件。,差动变压器式测力传感器,其特点是工作温度范围较宽,为了减
6、小横向力或偏心力的影响，传感器的高径比应较小。差动变压器式力传感器的弹性元件是簿壁圆筒，在外力作用下，变形使差动变压器的铁芯介质微位移，变压器次极产生相应电信号。,3.利用某些物理效应测力 物体在力作用下会产生某些物理效应，如应变效应，压磁效应，压电效应等，可以利用这些效应间接检测力值。各种类型的测力传感器就是基于这些效应。,测力传感器 测力传感器通常将力转换为正比于作用力大小的电信号，使用十分方便，因而在工程领域及其他各种场合应用最为广泛。测力传感器种类繁多，依据不同的物理效应和检测原理可分为电阻应变式、压磁式、压电式、振弦式等等。,1).应变式力传感器 应变式力传感器的工作原理与应变式压力
7、传感器基本相同，它也是由弹性敏感元件和贴在其上的应变片组成。应变式力传感器首先把被测力转变成弹性元件的应变，再利用电阻应变效应测出应变，从而间接地测出力的大小。应变片的布置和接桥方式，对于提高传感器的输出灵敏度和消除有害因素的影响有很大关系。,下图给出了常见的柱形、筒形、梁形弹性元件及应变片的贴片方式。图(a)为柱形弹性元件；图(b)为筒形弹性元件；图(c)为梁形弹性元件。几种弹性元件及应变片贴片方式,圆柱（筒）式力传感器（a）柱式；（b）筒式；（c）圆柱面展开图；（d）桥路连线图,柱（筒）式力传感器,应变式 柱式及筒式测力传感器结构敏感元件弹性柱/筒 力作用在轴向产生变形转换元件应变片转换电
8、路电桥工作方式：受压式、受拉式力的作用点或方向造成横向力-产生附加弯矩-造成测力误差 采用径向刚度大大高于轴向刚度的横向定位膜片特点:体积小、结构紧凑、构造简单、可以承受很大的载荷（0.13000吨），常用于大型轧钢设备的轧制力测量。,力测量,1弹性柱（筒）2应变片3横向定位膜片 4传感器体,应变式 剪切梁式测力传感器结构敏感元件剪切梁 受力F作用，在梁的切向产生剪切力（沿梁的方向等强度分布）切应力与梁的中心轴线成45方向有拉伸和压缩应力转换元件应变片 贴在梁侧面与中心轴成45度并相互垂直的位置上转换电路电桥 R1、R3受拉伸增加；R2、R4受压缩减小全桥测量特点：体积小、结构简单、线性好、测
9、量精度高,力测量,电子皮带秤电子皮带秤是一种能连续称量散状颗粒物料重量的装置，它不但可以对某一瞬间在输送带上的输送物料重量进行称重，而且还可以在某段时间内对输送的物料总重进行称重。因此，电子皮带秤在建材水泥、煤矿、冶金化工和粮仓、码头等场合中得到了普遍的应用。电子皮带秤的工作原理如图7-11所示，电子皮带秤主要由称重桥架与称重传感器、测速传感器、称重仪表等组成；皮带秤上使用着两个传感器，一个是测力传感器，它通过皮带下方的称架感受称量区间L的物料重量；另一个为测速传感器，它和皮带导轮同轴，当皮带传动时，通过导轮随动检测皮带的运行速度。,图7-11 电子皮带秤工作原理图,在电子皮带秤某一称量区间的
10、物料重量为,W（t）=q（t）L,（7-3）,式中，W（t）为L区间的物料重量；q（t）为皮带单位长度上的物料重量；L为区间长度。皮带在单位时间内的输送量为,Q（t）=Lq（t）v（t）,（7-4）,式中，Q（t）为单位时间里的输送物料的重量；v（t）为皮带速度。这样，只要将测力传感器输出经放大的信号U1和测速传感器经频率/电压转换电路输出的信号U2经乘法器相乘，便可得知皮带在单位时间内的输送量。将此值经积分,2.压磁式力传感器 当铁磁材料在受到外力拉、压作用而在内部产生应力时，其导磁率会随应力的大小和方向而变化。受拉力时，沿力作用方向的导磁率增大，而在垂直于作用力的方向上导磁率略有减小。受压
11、力作用时则导磁率的变化正好相反。这种物理现象就是铁磁材料的压磁效应。这种效应可用于力的测量。,在硅钢叠片上开有4个对称的通孔，孔中分别绕有互相垂直的两个线圈，如右图(图压磁元件工作原理)所示，一个线圈为励磁绕组，另一个为测量绕组。无外力作用时，磁力线不和测量绕组交链，测量绕组不产生感应电势。当受外力作用时，磁力线分布发生变化，部份磁力线和测量绕组交链，并在绕组中产生感应电势，且作用力愈大，感应电势愈大。,图3-27 压磁式传感器,压磁式力传感器的输出电势比较大，通常不必再放大，只要经过滤波整流后就可直接输出，但要求有一个稳定的激磁电源。压磁式力传感器可测量很大的力(数千吨)，抗过载能力强，能在
12、恶劣条件下工作。但频率响应不高（110kHz），测量精度一般在1左右，也有精度更高的新型结构的压磁式力传感器。常用于冶金、矿山等重工业部门作为测力或称重传感器，例如在轧钢机上用来测量大的力以及用在吊车秤中。且输出电势较大，甚至只需滤波整流，无需放大处理。常用于大型轧钢机的轧制力测量。,压电式 动态力传感器结构敏感元件弹性膜片 受力F作用，弹性膜片传递力转换元件压电元件 转换电路 电压放大器受频率以及电缆影响，一般精度测量 电荷放大器几乎不受电缆长度影响，高精度测量,力测量,压电式 动态力传感器应用电荷泄漏不可用于静态、准静态信号的测量（频率下限由后续放大器性质决定）减小电缆的影响固定好传感器的引出电缆选用低噪声的同轴电缆 接地问题 消除接地回路：绝缘连接、单点接地转换电路,力测量,
