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1、机械工程测试技术 力、压力和位移测量（2）,第七章,内容,1、力传感器及其测量技术2、流体压力传感器及其测量技术3、位移传感器及其测量技术重点：掌握各种常见的力、压力和位移测量方法,力物体对物体的作用：物体变形；物体运动 单位：牛顿（N）、千牛（kN）、公斤（kg）1 kg 9.8 N分类：静力、动态力应用：称重、应变、扭矩,1、力测量,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
2、受很大的载荷,1、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、测量精度高,1、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,1、力测量,
3、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,1、力测量,测力装置的动态测量动态误差负载效应：改变/影响了被测体状态，造成力测量的误差 直接利用被测系统的构件作为测力装置的弹性元件测量装置阻尼力及惯性力的影响（弹性质量）测量装置为二阶系统，其频率特性不满足不失真测量 在整个频率范围内进行全面标定和校准,1、力测量,测力装置的动态测量交叉干扰多向测力，相互影响精心设计弹性元件，使变形合理正确选择应变片粘贴部位利用修正来减小交叉干扰频率特性校
4、准,1、力测量,LC05系列产品测量动态、短期静态的振动和冲击力，机械结构的拉伸和压缩力与激振器配合，能够测量和控制激振力与加速度、速度传感器配合，可测量机械阻抗,1、力测量,流体压强单位面积上所受到的流体作用力，即垂直作用力/面积 工程上则习惯于称其为“压力”单位：Pa(帕、N/m2)、兆帕（MPa）应用：气压、液/油压,2、流体压力测量,U形管压力计测量技术原理：压力平衡U形管定量工作液体若一端通压力（或大气）P0，另一端接被测压力P h为两侧的液面差值,为重度（密度x g重力加速度）被测介质（如气体）重度远小于工作液体的重度：,2、流体压力测量,1越小，h就越大,说明选用密度较小的工作液
5、体，可以提高压力计的灵敏度。,U形管压力计测量技术精度：取决于刻度及读数的方式一般U形管压力计读数刻度的最小单位是1mm配备光学读数装置，提高读数精度适用范围测量低压负压或压差优点:结构简单、使用方便、价格低廉缺点:玻璃管易破碎、体积偏大、读数不方便,2、流体压力测量,U形管压力计测量技术误差环境条件的影响读数标尺因温度变化会膨胀或收缩工作液体比重也会受当地温度和重力加速度的影响安装的影响：自由悬挂毛细管现象的影响管内的毛细现象:将使液柱产生附加的升高或降低，其值取决于工作液的种类、温度及管子内径要求所用液柱管的内径不能太细读数方面的影响由于液体与固体间表面张力的影响，玻璃管中水银柱液体是凸起
6、的，而水面则是下凹的读数时，应注意从凸面或凹面的顶点算起,2、流体压力测量,斜管微压计结构：U形管的垂直管倾斜到夹角，放大了读数精度：读数最小单位是0.1mm适用范围：专供测量微小压力的实验用仪器,2、流体压力测量,实际应用时可以改变，越小，灵敏度越高液面拉得也越长，会影响读数的准确性，并且太小会使压力测量范围过小一般不小于150,弹性式压力计：波登管、膜片、波纹管波登管:指针式压力计的弹性敏感元件横截面为空心椭圆形或扁圆形的金属管通入有一定压力的流体时，管内外的压力差迫使管截面趋于圆形，导致波登管封闭的自由端产生线位移或角位移横截面纵横直径比愈大，波登管灵敏度越高，但强度降低优点是：测量精度
7、高，可测兆帕级压力缺点是：尺寸大，固有频率较低，不宜作为动态测量,2、流体压力测量,弹性式压力计：波登管、膜片、波纹管膜片:中低压压力计的敏感元件在压力作用下，迫使膜片产生相应的弹性变形位移借助连杆组经传动机构的传动并予放大齿轮指针在膜片表面粘贴应变片来感测其表面应变平膜片:周边固定的弹性膜片,最低阶固有频率与膜片厚度、膜片半径、膜片材料的密度、弹性膜量等许多因素有关波纹膜片和膜盒：灵敏度高,2、流体压力测量,弹性式压力计：波登管、膜片、波纹管波纹管:指针式压力计的弹性敏感元件在压力作用下，迫使波纹管轴向产生相应的弹性变形位移特点：在较低的压力下得到较大的变位，灵敏适用介质：液体，空气，天然气
8、及相容气体 黄铜波纹管、不锈钢波纹管,2、流体压力测量,动态流体压力测量应变式弹性元件：悬链膜片、平膜片等转换元件：采用应变片来感受弹性元件受压后的局部变形转换电路：电桥常用应变式压力传感器悬链膜片-应变筒式平膜片式,2、流体压力测量,动态流体压力测量应变式:SPTA系列,2、流体压力测量,敏感元件采用合金材料与箔式自补偿应变片组成全桥电路，内装高精度、低噪声、低漂移集成放大器输出信号可达5V,可解决小信号的远距离传输精度高，稳定性好，结构简单，使用方便适用于气体，液体及腐蚀介质的静态及缓变压力参数的测量,动态流体压力测量压阻式弹性元件：单晶硅平膜片转换元件：沿一定晶轴方向扩散着一些长条形电阻
9、应变片转换电路：电桥特点：灵敏度比一般金属应变片高的多,2、流体压力测量,动态流体压力测量压电式弹性元件：膜片式转换元件：压电元件转换电路：电荷放大器传感器有很高的固有频率,2、流体压力测量,动态流体压力测量压电式：6301,2、流体压力测量,测量液体、气体的缓变和速变压力主要技术指标压力范围：6Mpa 最大压力：10MPa 灵 敏 度：210-4pC/Pa非线性度：1%满量程迟 滞：0.5%满量程谐振频率：125kHz上升时间：2.4s电 容：8pF绝缘电阻：1012温度范围：-196+200重 量：24.5g,动态流体压力测量压电式：AK系列,2、流体压力测量,采用外壳和膜片为一体的圆膜片
10、结构频响高，精度高，性能稳定可靠适用于各种动、静态，气、液体介质的压力测量尺寸小，安装方便连接螺纹：M201.5最小外形尺寸10,压力传感器标定静态标定：确定传感器的静态指标灵敏度非线性度、重复性精度量程动态标定频率响应特性,2、流体压力测量,压力传感器标定静态标定仪器：标准活塞压力计 以作用在某一确定面积上的已知重力来平衡被测压力的 确定的柱塞面积、精确的标准砝码,2、流体压力测量,工作原理被标定：压力计、传感器油杯手轮油缸活塞充油砝码手轮H砝码/标准压力（确定面积上的已知重力）高精度：0.02、0.05、0.2、0.5宽量程：标准砝码,压力传感器标定静态标定应变式、压阻式压力传感器均匀、逐
11、步加载和卸载加砝码时要避免因冲击引起的压力值的过冲滞后特性压电式压力传感器 测量系统具有足够高的绝缘电阻，以防止电荷的泄露 为提高标定精度，标定过程中采用快速卸载法,2、流体压力测量,压力传感器标定动态标定标准激励信号 周期函数：如正弦波、三角波等 以正弦波为常用，如正弦压力信号发生器低压、低频率瞬变函数：如阶跃波、半阶跃波等 以阶跃波最常用，适用于高频范围标定,2、流体压力测量,压力传感器标定动态标定标准激励信号：激波管装置,2、流体压力测量,工作原理被标定：传感器高压气源激波管高压管段压力表形成一定的压力刺膜机构膜片音速激波低压管段传感器阶跃激励阶跃压力波：10MPa,3、位移测量,位移物
12、体移动的距离 微小移动距离：毫米纳米单位：mm(毫米)、m(微米)传感器类型电感式传感器涡流式传感器电容式传感器,电感式传感器(单边)差动变压器结构：2组线圈、一根铁芯 线圈1通入交变电流i(t)，在线圈附近空间产生磁通，通过耦合，从而在线圈2产生感生电压U2，则 M21是两线圈之间的互感和铁芯的位置有关当铁心在两个线圈的孔中左、右移动时，u2随之变化，但是与x之间的关系呈现非线性，灵敏度也低实用中常采用双边差动变压器结构改善其非线性,3、位移测量,电感式传感器双边（三段式）差动变压器结构：初级线圈、完全对称的反极性串联的次级线圈、衔铁次级开路时输出：与铁心位移、速度成正比,3、位移测量,电感
13、式传感器双边（三段式）差动变压器双边差动变压器特性曲线 缺点：一个输出，对应两个输入 改善：后接相敏检波器线性度：非线性度可达到0.1用途：小位移1020mm优点：输出功率大，性能稳定 精度高,3、位移测量,电感式传感器二段式差动变压器大位移测量：数百毫米结构：激励线圈 2x感应线圈铁芯 在中心位置：感应电压等值反向 激励电流以及输出电压：,3、位移测量,速度(低频)位移(载波)速度(载波),电感式传感器二段式差动变压器大行程测量仪结构图 第一个分量是低频信号，其频率与v相同，可用于测量速度第二个分量是调幅信号（正比于位移x），可作为位移测量信号 第三个分量是调幅信号（正比于位移v），相差90
14、，相敏滤去,3、位移测量,国产差动变压器传感器主要技术参数,3、位移测量,涡流式传感器工作原理结构：变压器-变互感 原边激励线圈 次边输出短路的一匝/环路 间隙控制互感/耦合电涡流线圈等效阻抗 Z=R+jL Z=f（i1、f、t、）Z和距离、导体、t有关,3、位移测量,涡流式传感器工作原理谐振电路 C1谐振电容 L、R等效电感及电阻 谐振频率以及阻抗，互感为0，Zab峰值最大，Zab峰值降低（回路失谐）12 阻抗下降（a、b）,3、位移测量,铁磁材料：导磁率大大于空气的材料（铁氧体、钕铁硼，钐钴）非磁材料：铜、铝,涡流式传感器测量系统灵敏度取决于：被测面材料、被测面形状标定优点：非接触测量、线
15、性好，工作范围宽，分辨率小缺点：灵敏度稍低于电容式传感器,3、位移测量,涡流式传感器,3、位移测量,一体化电涡流位移/振动传感器（内置前置器）,常用的涡流探头前置器,涡流式传感器涡流传感器:3300传感器量程 0.252.3mm灵敏度 7.87V/mm频响 010 kHz 精度 4线性 0.0254mm 供电-24Vdc,12mA 温漂 10(22177),3、位移测量,涡流式传感器eddyNCDT 3300 电涡流位移传感器线性量程:2 mm绝对误差:0.25%FSO分辨率:0.005%FSO频率响应:25 kHz(-3 dB)探头适用温度：-50 至+150,3、位移测量,涡流式传感器,3
16、、位移测量,EX-V 系列数字位移感应传感器高速：采样频率40kHz高精度：线性修正模拟输出：5V,电容式传感器测量电路:3种调频运放,3、位移测量,调幅,电容式传感器特点结构简单，配合适当的测量电路，可得到较大的灵敏度工作频率高，适于对变化速率高的位移进行测量如果把被测件作为一个极板片，可以实现非接触式测量,3、位移测量,电容式传感器非接触DWC型电容式位移传感器线性量程:5/10/50/100/500/1000/2000/3000/4000/5000m分辨率:0.01%FS非线性:0.25%FS频响:0-7.5KHz电源:+15V,-15V输出:-5V-+5V温度稳定性:0.25%FS/h长期稳定性:0.05%FSO/y,3、位移测量,传感器比较,3、位移测量,Thank you!,
