信號(hào)檢測(cè)理論與技術(shù)-第三章

1、1第第3 3章章 力學(xué)量檢測(cè)技術(shù)力學(xué)量檢測(cè)技術(shù)3.1 壓力測(cè)量壓力測(cè)量3.2 力的測(cè)量力的測(cè)量3.3 轉(zhuǎn)矩測(cè)量轉(zhuǎn)矩測(cè)量2 在工業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研究等各個(gè)領(lǐng)域中，壓力、力和轉(zhuǎn)矩是經(jīng)常需要測(cè)量的重要參數(shù)。這些參數(shù)都是力的現(xiàn)象，因此在測(cè)量方法和所用儀器設(shè)備上有很多相同的地方。 本章介紹壓力、力和轉(zhuǎn)矩的測(cè)量方法、測(cè)量中所用的儀器設(shè)備及所用典型傳感器的基本原理及結(jié)構(gòu)。33.1 壓力測(cè)量壓力測(cè)量常見(jiàn)的傳感器型式有：應(yīng)變式、壓阻式、電容式、常見(jiàn)的傳感器型式有：應(yīng)變式、壓阻式、電容式、壓電式、諧振式等。壓電式、諧振式等。此外還有光電式、光纖式、超聲式。此外還有光電式、光纖式、超聲式。 41 1、彈性元件、彈性元件

2、彈性元件：利用彈性變形來(lái)進(jìn)行測(cè)量和變彈性元件：利用彈性變形來(lái)進(jìn)行測(cè)量和變換的元件。換的元件。作用：感受壓力，并產(chǎn)生變形。作用：感受壓力，并產(chǎn)生變形。 同樣的壓力下，不同結(jié)構(gòu)、不同材料的彈同樣的壓力下，不同結(jié)構(gòu)、不同材料的彈性元件會(huì)產(chǎn)生不同的彈性變形。性元件會(huì)產(chǎn)生不同的彈性變形。常用的彈性元件有彈簧管、波紋管、薄膜常用的彈性元件有彈簧管、波紋管、薄膜等，如表等，如表3-2所示。所示。其中波紋膜片和波紋管多用于微壓和低壓其中波紋膜片和波紋管多用于微壓和低壓測(cè)量；單圈和多圈彈簧管可用于高、中、測(cè)量；單圈和多圈彈簧管可用于高、中、低壓或真空度的測(cè)量。低壓或真空度的測(cè)量。5 表3-2 彈性元件的結(jié)構(gòu)和特

3、性類別名稱示 意 圖壓力測(cè)量范圍 kPa輸出特性動(dòng)態(tài)性質(zhì)最小最大時(shí)間常數(shù)/s自振頻率/Hz薄膜式平薄膜010010510-510-210104波紋210-110102撓性2111026波紋管式波紋210-110102彈簧管式單圈彈簧管010-10106102103多圈彈簧管010-201051010272. 應(yīng)變式壓力傳感器應(yīng)變式壓力傳感器應(yīng)變式壓力傳感器由應(yīng)變式壓力傳感器由彈性敏感元件彈性敏感元件和和貼在其貼在其上的應(yīng)變片上的應(yīng)變片組成。組成。工作原理：首先把工作原理：首先把被測(cè)壓力被測(cè)壓力轉(zhuǎn)變成轉(zhuǎn)變成彈性元件彈性

4、元件的應(yīng)變的應(yīng)變，再利用電阻應(yīng)變效應(yīng)測(cè)出，再利用電阻應(yīng)變效應(yīng)測(cè)出應(yīng)變應(yīng)變，從，從而間接地測(cè)出壓力的大小而間接地測(cè)出壓力的大小。應(yīng)變片的布置和接橋方式，對(duì)提高傳感器輸應(yīng)變片的布置和接橋方式，對(duì)提高傳感器輸出的靈敏度和消除有害因素的影響很重要。出的靈敏度和消除有害因素的影響很重要。8u應(yīng)變片應(yīng)變片電阻應(yīng)變效應(yīng)：當(dāng)導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料發(fā)生機(jī)械變形時(shí)，電阻應(yīng)變效應(yīng)：當(dāng)導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料發(fā)生機(jī)械變形時(shí)，其電阻值將發(fā)生變化。其電阻值將發(fā)生變化。AlRdAldAAldlAdR2AAllRR9對(duì)于半徑為對(duì)于半徑為r的圓導(dǎo)體，的圓導(dǎo)體，A=r2，A/A=2r/r由材料力學(xué)可知，在彈性范圍內(nèi)：由材料力學(xué)可知，在彈性范圍

5、內(nèi)： Errll/,/,/)21 (ERR為導(dǎo)體的縱向應(yīng)變，其數(shù)值一般很?。粸閷?dǎo)體的縱向應(yīng)變，其數(shù)值一般很??；為材料的泊松比，一般金屬為材料的泊松比，一般金屬=0.30.5；為壓阻系數(shù)，與材質(zhì)有關(guān)；為壓阻系數(shù)，與材質(zhì)有關(guān)；為應(yīng)力值；為應(yīng)力值；E為材料的彈性模量。為材料的彈性模量。 10u金屬電阻的靈敏系數(shù)金屬電阻的靈敏系數(shù)/210RRk21：材料的幾何尺寸變化引起的：材料的幾何尺寸變化引起的：壓阻效應(yīng)：壓阻效應(yīng)/金屬材料：金屬材料：k0以前者為主，則以前者為主，則k01+2半半 導(dǎo)導(dǎo) 體：體：k0值主要是由電阻率相對(duì)變化所決定值主要是由電阻率相對(duì)變化所決定0RkR11u應(yīng)變片分類：應(yīng)變片分類：

6、 絲式應(yīng)變片和箔式應(yīng)變片。絲式應(yīng)變片和箔式應(yīng)變片。絲式應(yīng)變片絲式應(yīng)變片：由金屬絲柵（敏感柵）、基底、引線、保：由金屬絲柵（敏感柵）、基底、引線、保護(hù)膜等組成。護(hù)膜等組成。箔式應(yīng)變片箔式應(yīng)變片的敏感柵是用厚度為的敏感柵是用厚度為0.0030.01mm的金屬的金屬箔經(jīng)光刻、腐蝕等工藝制成。箔經(jīng)光刻、腐蝕等工藝制成。12敏感柵是由多條直線和圓弧部分組成敏感柵是由多條直線和圓弧部分組成直線段：沿軸向拉應(yīng)變直線段：沿軸向拉應(yīng)變x，電阻增大，電阻增大圓弧段：沿軸向壓應(yīng)變圓弧段：沿軸向壓應(yīng)變y 電阻降低電阻降低 u 橫向效應(yīng)橫向效應(yīng)13u電阻應(yīng)變片的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性電阻應(yīng)變片的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性電阻應(yīng)變片測(cè)量變化頻率

7、較高的動(dòng)態(tài)應(yīng)變時(shí)，要考慮電阻應(yīng)變片測(cè)量變化頻率較高的動(dòng)態(tài)應(yīng)變時(shí)，要考慮它的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。實(shí)驗(yàn)表明，在動(dòng)態(tài)測(cè)量時(shí)，機(jī)械應(yīng)它的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。實(shí)驗(yàn)表明，在動(dòng)態(tài)測(cè)量時(shí)，機(jī)械應(yīng)變以相同于聲波速度的應(yīng)變波形式在材料中傳播。變以相同于聲波速度的應(yīng)變波形式在材料中傳播。應(yīng)變片的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性就是其感受隨時(shí)間變化的應(yīng)變應(yīng)變片的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性就是其感受隨時(shí)間變化的應(yīng)變時(shí)的響應(yīng)特性。時(shí)的響應(yīng)特性。應(yīng)變波由試件材料表面經(jīng)粘合劑，基底到敏感柵，需應(yīng)變波由試件材料表面經(jīng)粘合劑，基底到敏感柵，需要一定時(shí)間。要一定時(shí)間。當(dāng)應(yīng)變波在敏感柵長(zhǎng)度方向上傳播時(shí)，會(huì)有時(shí)間的滯當(dāng)應(yīng)變波在敏感柵長(zhǎng)度方向上傳播時(shí)，會(huì)有時(shí)間的滯后，對(duì)動(dòng)態(tài)后，對(duì)動(dòng)

8、態(tài)(高頻高頻)應(yīng)變測(cè)量就會(huì)產(chǎn)生誤差。應(yīng)變測(cè)量就會(huì)產(chǎn)生誤差。14應(yīng)變波的傳播應(yīng)變波的傳播速度速度應(yīng)變波在彈性材料中傳播時(shí)，其速度為應(yīng)變波在彈性材料中傳播時(shí)，其速度為151）應(yīng)變波在粘合劑和基底間的傳播）應(yīng)變波在粘合劑和基底間的傳播 應(yīng)變波由試件材料表面經(jīng)粘合劑、基底到敏感柵，需要應(yīng)變波由試件材料表面經(jīng)粘合劑、基底到敏感柵，需要的時(shí)間非常短。如應(yīng)變波在粘合劑中的傳播速度為的時(shí)間非常短。如應(yīng)變波在粘合劑中的傳播速度為1000m/s，粘合劑和基底的總厚度為粘合劑和基底的總厚度為0.05mm，則所需時(shí)間為，則所需時(shí)間為510-8s，可以忽略不計(jì)?？梢院雎圆挥?jì)。2）應(yīng)變波在應(yīng)變片敏感柵長(zhǎng)度內(nèi)的傳播）應(yīng)變波

9、在應(yīng)變片敏感柵長(zhǎng)度內(nèi)的傳播 當(dāng)應(yīng)變波在敏感柵長(zhǎng)度方向上傳播時(shí)，應(yīng)變片反映出當(dāng)應(yīng)變波在敏感柵長(zhǎng)度方向上傳播時(shí)，應(yīng)變片反映出來(lái)的應(yīng)變波形是應(yīng)變片絲柵長(zhǎng)度內(nèi)所感受應(yīng)變量的平均值，來(lái)的應(yīng)變波形是應(yīng)變片絲柵長(zhǎng)度內(nèi)所感受應(yīng)變量的平均值，將對(duì)動(dòng)態(tài)測(cè)量產(chǎn)生影響。將對(duì)動(dòng)態(tài)測(cè)量產(chǎn)生影響。16應(yīng)變片可測(cè)頻率的估算應(yīng)變片可測(cè)頻率的估算 影響應(yīng)變片頻率響應(yīng)特性的主要因素是應(yīng)變片的基長(zhǎng)。影響應(yīng)變片頻率響應(yīng)特性的主要因素是應(yīng)變片的基長(zhǎng)。 以正弦應(yīng)變波來(lái)分析應(yīng)變片的可測(cè)頻率：以正弦應(yīng)變波來(lái)分析應(yīng)變片的可測(cè)頻率： 應(yīng)變片反映的應(yīng)變波形是應(yīng)變片線柵長(zhǎng)度內(nèi)所感受應(yīng)應(yīng)變片反映的應(yīng)變波形是應(yīng)變片線柵長(zhǎng)度內(nèi)所感受應(yīng)變量的平均值，因此應(yīng)變

10、片所反映的波幅將低于真實(shí)應(yīng)變變量的平均值，因此應(yīng)變片所反映的波幅將低于真實(shí)應(yīng)變波，這就造成一定誤差。應(yīng)變片的基長(zhǎng)增大，該誤差也增波，這就造成一定誤差。應(yīng)變片的基長(zhǎng)增大，該誤差也增大。大。 圖圖(a)表示應(yīng)變片正處于應(yīng)變波達(dá)到最大幅值時(shí)的瞬時(shí)表示應(yīng)變片正處于應(yīng)變波達(dá)到最大幅值時(shí)的瞬時(shí)情況。設(shè)應(yīng)變波的波長(zhǎng)為情況。設(shè)應(yīng)變波的波長(zhǎng)為 ，應(yīng)變片的基長(zhǎng)為，應(yīng)變片的基長(zhǎng)為l0，其兩端，其兩端的坐標(biāo)為的坐標(biāo)為17應(yīng)變片對(duì)正弦應(yīng)變波的響應(yīng)特性應(yīng)變片對(duì)正弦應(yīng)變波的響應(yīng)特性18此時(shí)應(yīng)變片在其基長(zhǎng)此時(shí)應(yīng)變片在其基長(zhǎng)l0內(nèi)測(cè)得的平均應(yīng)變?yōu)閮?nèi)測(cè)得的平均應(yīng)變?yōu)?9測(cè)量誤差測(cè)量誤差e與應(yīng)變波長(zhǎng)對(duì)基長(zhǎng)的相對(duì)比值與應(yīng)變波長(zhǎng)對(duì)基長(zhǎng)

11、的相對(duì)比值 有關(guān)。有關(guān)。 愈大，誤差愈小，一般可取愈大，誤差愈小，一般可取n10-20，其誤差，其誤差小于小于1.6-0.4。故應(yīng)變波幅測(cè)量誤差故應(yīng)變波幅測(cè)量誤差e為為0nl0nl2021 v應(yīng)變波的傳播速度；應(yīng)變波的傳播速度； n應(yīng)變波波長(zhǎng)與應(yīng)變片基長(zhǎng)之比。應(yīng)變波波長(zhǎng)與應(yīng)變片基長(zhǎng)之比。對(duì)于鋼材，對(duì)于鋼材，v5000ms，如取，如取n20，則可算得不同基長(zhǎng)應(yīng)，則可算得不同基長(zhǎng)應(yīng)變片的最高工作頻率，如表所示。變片的最高工作頻率，如表所示。22應(yīng)變式壓力傳感器應(yīng)變式壓力傳感器 應(yīng)變式壓力傳感器所用彈性元件可根據(jù)被測(cè)應(yīng)變式壓力傳感器所用彈性元件可根據(jù)被測(cè)介質(zhì)和測(cè)量范圍的不同而采用各種型式，常見(jiàn)介質(zhì)和

12、測(cè)量范圍的不同而采用各種型式，常見(jiàn)有圓膜片、彈性梁、應(yīng)變筒等。有圓膜片、彈性梁、應(yīng)變筒等。23圖圖4-10所示為應(yīng)變筒式壓力傳感器結(jié)構(gòu)。當(dāng)應(yīng)變筒內(nèi)腔承所示為應(yīng)變筒式壓力傳感器結(jié)構(gòu)。當(dāng)應(yīng)變筒內(nèi)腔承受壓力時(shí)，薄壁筒表面的周向應(yīng)力最大，相應(yīng)的周向應(yīng)變受壓力時(shí)，薄壁筒表面的周向應(yīng)力最大，相應(yīng)的周向應(yīng)變?yōu)椋簽椋?) 1/()2(22dDEpp被測(cè)壓力；被測(cè)壓力； E應(yīng)變筒材料的彈性模量；應(yīng)變筒材料的彈性模量； 應(yīng)變應(yīng)變 筒材料的泊松比；筒材料的泊松比； D應(yīng)變筒外徑；應(yīng)變筒外徑；d應(yīng)變筒內(nèi)徑。應(yīng)變筒內(nèi)徑。式中：式中：24分析：四片應(yīng)變片接入電橋。分析：四片應(yīng)變片接入電橋。當(dāng)沒(méi)有壓力作用時(shí)，電橋是當(dāng)沒(méi)有壓

13、力作用時(shí)，電橋是平衡的；當(dāng)有壓力作用時(shí)，平衡的；當(dāng)有壓力作用時(shí)，應(yīng)變筒產(chǎn)生形變，工作應(yīng)變應(yīng)變筒產(chǎn)生形變，工作應(yīng)變片電阻變化，電橋失去平衡，片電阻變化，電橋失去平衡，產(chǎn)生與壓力變化相應(yīng)的電壓產(chǎn)生與壓力變化相應(yīng)的電壓輸出。輸出。25圖圖4-11所示為平膜片式壓力傳感器結(jié)構(gòu)，其上粘貼有如圖所示為平膜片式壓力傳感器結(jié)構(gòu)，其上粘貼有如圖4-12所示的箔式組合應(yīng)變片所示的箔式組合應(yīng)變片。 26對(duì)于邊緣固定的平圓膜片，當(dāng)受壓力作用時(shí)，膜片上任意一點(diǎn)對(duì)于邊緣固定的平圓膜片，當(dāng)受壓力作用時(shí)，膜片上任意一點(diǎn)的應(yīng)變可分為徑向應(yīng)變的應(yīng)變可分為徑向應(yīng)變r(jià)和切向應(yīng)變和切向應(yīng)變t273.3.壓阻式壓力傳感器壓阻式壓力傳感器

14、壓阻效應(yīng)：壓阻效應(yīng)：固體受力后電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象。固體受力后電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象。壓阻式壓力傳感器是基于半導(dǎo)體材料壓阻式壓力傳感器是基于半導(dǎo)體材料(單晶硅單晶硅)的壓阻效應(yīng)的壓阻效應(yīng)原理制成的傳感器。原理制成的傳感器。它是利用集成電路工藝直接在硅平膜片上按一定晶向制成它是利用集成電路工藝直接在硅平膜片上按一定晶向制成擴(kuò)散壓敏電阻，當(dāng)硅膜片受壓時(shí)，膜片的變形將使擴(kuò)散電擴(kuò)散壓敏電阻，當(dāng)硅膜片受壓時(shí)，膜片的變形將使擴(kuò)散電阻的阻值發(fā)生變化。阻的阻值發(fā)生變化。)21 (ERR為壓阻系數(shù)，為壓阻系數(shù)，E為材料的彈性模量。為材料的彈性模量。/210RRk28優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：靈敏度非常高。壓阻式傳感器的靈敏系數(shù)

15、要比金屬應(yīng)變片靈敏度非常高。壓阻式傳感器的靈敏系數(shù)要比金屬應(yīng)變片的靈敏系數(shù)大的靈敏系數(shù)大50至至100倍。有時(shí)壓阻式傳感器的輸出不需要放倍。有時(shí)壓阻式傳感器的輸出不需要放大，就可直接用于測(cè)量。大，就可直接用于測(cè)量。分辨力高。壓阻式傳感器測(cè)量壓力時(shí)，一二毫米水柱的微分辨力高。壓阻式傳感器測(cè)量壓力時(shí)，一二毫米水柱的微壓，也能反應(yīng)。壓，也能反應(yīng)。頻率響應(yīng)好。由于擴(kuò)散型壓阻式傳感器是用集成電路工藝頻率響應(yīng)好。由于擴(kuò)散型壓阻式傳感器是用集成電路工藝制成的，測(cè)量壓力時(shí)，有效面積可做得很小，這種傳感器可制成的，測(cè)量壓力時(shí)，有效面積可做得很小，這種傳感器可用來(lái)測(cè)量幾十千赫的脈動(dòng)壓力。用來(lái)測(cè)量幾十千赫的脈動(dòng)壓力

16、。 29缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：壓阻式傳感器是用半導(dǎo)體材料制成，半導(dǎo)體材料對(duì)溫度很壓阻式傳感器是用半導(dǎo)體材料制成，半導(dǎo)體材料對(duì)溫度很敏感，因此壓阻式傳感器的溫度誤差較大，這是壓阻式傳感敏感，因此壓阻式傳感器的溫度誤差較大，這是壓阻式傳感器的最大缺點(diǎn)。器的最大缺點(diǎn)。壓阻式傳感器必須要有溫度補(bǔ)償，或是在恒溫條件下使用。壓阻式傳感器必須要有溫度補(bǔ)償，或是在恒溫條件下使用。30硅膜片在圓形硅杯的底硅膜片在圓形硅杯的底部其兩邊有兩個(gè)壓力腔，部其兩邊有兩個(gè)壓力腔，分別輸入被測(cè)差壓或被測(cè)分別輸入被測(cè)差壓或被測(cè)壓力與參考?jí)毫Α８邏呵粔毫εc參考?jí)毫?。高壓腔接被測(cè)壓力，低壓腔與大接被測(cè)壓力，低壓腔與大氣連通或接參考?jí)毫Α膺B

17、通或接參考?jí)毫?。膜片上的兩?duì)電阻中，一膜片上的兩對(duì)電阻中，一對(duì)位于受壓應(yīng)力區(qū)，另一對(duì)位于受壓應(yīng)力區(qū)，另一對(duì)位于受拉應(yīng)力區(qū)，當(dāng)壓對(duì)位于受拉應(yīng)力區(qū)，當(dāng)壓力差使膜片變形，膜片上力差使膜片變形，膜片上的兩對(duì)電阻阻值發(fā)生變化，的兩對(duì)電阻阻值發(fā)生變化，使電橋輸出相應(yīng)壓力變化使電橋輸出相應(yīng)壓力變化的信號(hào)。的信號(hào)。 圖3-10 壓阻式壓力傳感器 31壓阻式壓力傳感器的特點(diǎn)壓阻式壓力傳感器的特點(diǎn):(1)(1)靈敏度高，頻率響應(yīng)高；靈敏度高，頻率響應(yīng)高；(2)(2)測(cè)量范圍寬，可測(cè)低至測(cè)量范圍寬，可測(cè)低至1010PaPa的微壓到高至的微壓到高至6060MPaMPa的的 高壓；高壓； (3)(3)精度高，工作可靠，

18、其精度可達(dá)精度高，工作可靠，其精度可達(dá)0.20.20.020.02； (4)(4)易于微小型化，目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)出直徑易于微小型化，目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)出直徑1.81.82mm2mm的壓阻式壓力傳感器。的壓阻式壓力傳感器。324.4.壓電式壓力傳感器壓電式壓力傳感器 壓電效應(yīng)：壓電效應(yīng)：某些電介質(zhì)，沿某一個(gè)方向受力而發(fā)生某些電介質(zhì)，沿某一個(gè)方向受力而發(fā)生機(jī)械變形時(shí)，其內(nèi)部將發(fā)生極化現(xiàn)象，在其表面會(huì)機(jī)械變形時(shí)，其內(nèi)部將發(fā)生極化現(xiàn)象，在其表面會(huì)產(chǎn)生電荷。當(dāng)外力撤去后，又會(huì)重新回到不帶電的產(chǎn)生電荷。當(dāng)外力撤去后，又會(huì)重新回到不帶電的狀態(tài)。狀態(tài)。常用的壓電材料有壓電晶體常用的壓電材料有壓電晶體(如石英晶體如石英晶

19、體)和壓電陶和壓電陶瓷瓷(如鈦酸鋇如鈦酸鋇)兩大類。兩大類。壓電式壓力傳感器是利用壓電材料的壓電效應(yīng)將被壓電式壓力傳感器是利用壓電材料的壓電效應(yīng)將被測(cè)壓力轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。測(cè)壓力轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。33n由壓電材料制成的壓電元件受到壓力作用時(shí)，由壓電材料制成的壓電元件受到壓力作用時(shí)，產(chǎn)生的電荷量與作用力之間呈線性關(guān)系。即產(chǎn)生的電荷量與作用力之間呈線性關(guān)系。即QkSp式中，式中，Q為電荷量，為電荷量，k為壓電常數(shù)，為壓電常數(shù)，p為壓力。為壓力。34壓電元件夾于兩個(gè)彈性壓電元件夾于兩個(gè)彈性膜片之間，壓電元件的膜片之間，壓電元件的一個(gè)側(cè)面與膜片接觸并一個(gè)側(cè)面與膜片接觸并接地，另一側(cè)面通過(guò)引接地，另一側(cè)面通過(guò)引

20、線將電荷量引出。線將電荷量引出。 被測(cè)壓力均勻作用在膜被測(cè)壓力均勻作用在膜片上，使壓電元件受力片上，使壓電元件受力而產(chǎn)生電荷。而產(chǎn)生電荷。電荷量一般用電荷放大電荷量一般用電荷放大器或電壓放大器放大。器或電壓放大器放大。圖3-11壓電式壓力傳感器35壓電式壓力傳感器特點(diǎn)壓電式壓力傳感器特點(diǎn): :(1)(1)體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠；體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠；(2)(2)測(cè)量范圍寬，可測(cè)測(cè)量范圍寬，可測(cè)100100MPaMPa以下的壓力；以下的壓力；(3)(3)測(cè)量精度較高；測(cè)量精度較高；(4)(4)頻率響應(yīng)高，可達(dá)頻率響應(yīng)高，可達(dá)3030KHzKHz，是動(dòng)態(tài)壓力檢測(cè)中常是動(dòng)態(tài)壓力檢測(cè)中常用的

21、傳感器，但由于壓電元件存在電荷泄漏，故用的傳感器，但由于壓電元件存在電荷泄漏，故不適宜測(cè)量緩慢變化的壓力和靜態(tài)壓力。不適宜測(cè)量緩慢變化的壓力和靜態(tài)壓力。365.5.電容式壓力傳感器電容式壓力傳感器 電容式壓力傳感器采用變電容測(cè)量原理，電容式壓力傳感器采用變電容測(cè)量原理，將由被測(cè)壓力引起的彈性元件的位移變形轉(zhuǎn)變將由被測(cè)壓力引起的彈性元件的位移變形轉(zhuǎn)變?yōu)殡娙莸淖兓?，測(cè)出電容變化量，便可測(cè)出壓為電容的變化，測(cè)出電容變化量，便可測(cè)出壓力。力。 平行板電容器的電容量表達(dá)式平行板電容器的電容量表達(dá)式 式中式中為電容極板間介質(zhì)的介電常數(shù)；為電容極板間介質(zhì)的介電常數(shù)； A為兩平行板相對(duì)面積；為兩平行板相對(duì)面積

22、； d 為兩平行板間距。為兩平行板間距。dAC(3-9)37 改變改變A、d、 中任意一個(gè)參數(shù)都可以使電容中任意一個(gè)參數(shù)都可以使電容量發(fā)生變化。量發(fā)生變化。變極距式電容壓力傳感器變極距式電容壓力傳感器變面積式電容壓力傳感器變面積式電容壓力傳感器。 38差動(dòng)變極距式電容壓力傳感器差動(dòng)變極距式電容壓力傳感器改變電容兩平行板間距改變電容兩平行板間距 d 的測(cè)量方式有較高的測(cè)量方式有較高的靈敏度，但當(dāng)位移較大時(shí)非線性嚴(yán)重。的靈敏度，但當(dāng)位移較大時(shí)非線性嚴(yán)重。采用差動(dòng)電容法可以改善非線性、提高靈敏采用差動(dòng)電容法可以改善非線性、提高靈敏度、并可減小因度、并可減小因受溫度影響引起的不穩(wěn)定性。受溫度影響引起的

23、不穩(wěn)定性。39n左右對(duì)稱的不銹鋼基座內(nèi)有左右對(duì)稱的不銹鋼基座內(nèi)有玻璃絕緣層，其內(nèi)側(cè)的凹形玻璃絕緣層，其內(nèi)側(cè)的凹形球面上除邊緣部分外鍍有金球面上除邊緣部分外鍍有金屬膜作為固定電極，中間被屬膜作為固定電極，中間被夾緊的彈性膜片作為可動(dòng)測(cè)夾緊的彈性膜片作為可動(dòng)測(cè)量電極，左、右固定電極和量電極，左、右固定電極和測(cè)量電極經(jīng)引線引出，從而測(cè)量電極經(jīng)引線引出，從而組成了兩個(gè)電容器。測(cè)量電組成了兩個(gè)電容器。測(cè)量電極將空間分隔成左、右兩個(gè)極將空間分隔成左、右兩個(gè)腔室，其中充滿硅油。腔室，其中充滿硅油。n當(dāng)隔離膜片感受兩側(cè)壓力的當(dāng)隔離膜片感受兩側(cè)壓力的作用時(shí)，通過(guò)硅油將差壓傳作用時(shí)，通過(guò)硅油將差壓傳遞到彈性測(cè)量膜

24、片的兩側(cè)，遞到彈性測(cè)量膜片的兩側(cè)，從而使膜片產(chǎn)生位移。電容從而使膜片產(chǎn)生位移。電容極板間距離的變化，將引起極板間距離的變化，將引起兩側(cè)電容器電容值的改變。兩側(cè)電容器電容值的改變。 電容式差壓傳感器40特點(diǎn)：特點(diǎn)： 結(jié)構(gòu)堅(jiān)實(shí)，過(guò)載能力大；結(jié)構(gòu)堅(jiān)實(shí)，過(guò)載能力大；靈敏度高；靈敏度高；精度高，其精確度可達(dá)精度高，其精確度可達(dá)0.250.05；可以測(cè)量壓力和差壓?？梢詼y(cè)量壓力和差壓。41圖3-13 變面積式電容壓力傳感器 被測(cè)壓力作用在金屬膜被測(cè)壓力作用在金屬膜 片上，片上，通過(guò)中心柱和支撐簧片，使可通過(guò)中心柱和支撐簧片，使可動(dòng)電極隨簧片中心位移而動(dòng)作。動(dòng)電極隨簧片中心位移而動(dòng)作?？蓜?dòng)電極與固定電極均是

25、金可動(dòng)電極與固定電極均是金屬同心多層圓筒，斷面呈梳齒屬同心多層圓筒，斷面呈梳齒形，其電容量由兩電極交錯(cuò)重形，其電容量由兩電極交錯(cuò)重疊部分的面積所決定。疊部分的面積所決定。變面積式電容壓力傳感器變面積式電容壓力傳感器2lnLCDd D、d外電極內(nèi)徑和內(nèi)電極外徑外電極內(nèi)徑和內(nèi)電極外徑 ； 極板間介質(zhì)介電常數(shù)；極板間介質(zhì)介電常數(shù)； L 極板相互重疊的長(zhǎng)度。極板相互重疊的長(zhǎng)度。423.2 力的測(cè)量力的測(cè)量 測(cè)力傳感器種類繁多，依據(jù)不同的物理效測(cè)力傳感器種類繁多，依據(jù)不同的物理效應(yīng)應(yīng) 和檢測(cè)原理可分為和檢測(cè)原理可分為電阻應(yīng)變式電阻應(yīng)變式壓磁式壓磁式壓電式壓電式振弦式振弦式431. 應(yīng)變式力傳感器應(yīng)變式力

26、傳感器 應(yīng)變式力傳感器的工作原理與應(yīng)變式壓力應(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，也是由傳感器基本相同，也是由彈性敏感元件彈性敏感元件和貼在和貼在其上的其上的應(yīng)變片應(yīng)變片組成。組成。 應(yīng)變式力傳感器首先把應(yīng)變式力傳感器首先把被測(cè)力被測(cè)力轉(zhuǎn)變成轉(zhuǎn)變成彈性彈性元件的應(yīng)變?cè)膽?yīng)變，再利用電阻應(yīng)變效應(yīng)測(cè)出應(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。從而間接地測(cè)出力的大小。 44 圖3-25給出了常見(jiàn)的柱形、筒形、梁形彈性元件及應(yīng)變片的貼片方式。 圖3-25 幾種彈性元件及應(yīng)變片貼片方式452. 壓磁式力傳感器壓磁式力傳感器壓磁效應(yīng)壓磁效應(yīng):當(dāng)鐵磁材料在受到外力拉、壓作當(dāng)鐵

27、磁材料在受到外力拉、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。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，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。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)受壓力作用時(shí),導(dǎo)磁率的變化正好相反。導(dǎo)磁率的變化正好相反。 46圖3-27 壓磁式傳感器壓磁式力傳感器由壓磁元件、傳力機(jī)構(gòu)組成。壓磁元件壓磁式力傳感器由壓磁元件、傳力機(jī)構(gòu)組成。壓磁元件由其上開(kāi)孔的鐵磁材料薄片疊成。由其上開(kāi)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?？讐捍旁蠜_有

28、四個(gè)對(duì)稱分布的孔。孔l和和2之間繞有激之間繞有激磁繞組磁繞組W12，孔，孔3和和4間繞有測(cè)量繞組間繞有測(cè)量繞組W34。47當(dāng)激磁繞組當(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(wú)外力作用，則磁感應(yīng)線相對(duì)于測(cè)量繞大小的磁場(chǎng)。若無(wú)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)度組平面對(duì)稱分布，合成磁場(chǎng)強(qiáng)度H平行于測(cè)量繞組平行于測(cè)量繞組W34的的平面，磁感應(yīng)線不與測(cè)量繞組平面，磁感應(yīng)線不與測(cè)量繞組W34交連，故繞組交連，故繞組W34不產(chǎn)不產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)。生感應(yīng)電勢(shì)。當(dāng)有壓力當(dāng)有壓力F作用于壓磁元件上時(shí)，磁感應(yīng)線的分布圖發(fā)作用于壓磁元件上

29、時(shí)，磁感應(yīng)線的分布圖發(fā)生變形，不再對(duì)稱于測(cè)量繞組生變形，不再對(duì)稱于測(cè)量繞組W34的平面，合成磁場(chǎng)強(qiáng)的平面，合成磁場(chǎng)強(qiáng)度度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)量繞組與測(cè)量繞組W34相交鏈，在其上感應(yīng)出電勢(shì)。作用力愈相交鏈，在其上感應(yīng)出電勢(shì)。作用力愈大，交鏈的磁通越多，感應(yīng)電勢(shì)愈大。大，交鏈的磁通越多，感應(yīng)電勢(shì)愈大。48n特點(diǎn)：特點(diǎn)：壓磁式力傳感器的輸出電勢(shì)比較大，通常不必再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(guò)濾波整流后就可直接輸出。放大，只要經(jīng)過(guò)濾波整流后就可直接輸出。壓磁式力傳感器可測(cè)量很大的力，抗過(guò)載能力強(qiáng)，壓磁式

30、力傳感器可測(cè)量很大的力，抗過(guò)載能力強(qiáng)，能在惡劣條件下工作。能在惡劣條件下工作。但頻率響應(yīng)不高但頻率響應(yīng)不高(1l0 kHz)，測(cè)量精度一般在，測(cè)量精度一般在1左右。左右。常用于冶金、礦山等重工業(yè)部門(mén)作為測(cè)力或稱重常用于冶金、礦山等重工業(yè)部門(mén)作為測(cè)力或稱重傳感器，例如在軋鋼機(jī)上用來(lái)測(cè)量大的力以及用傳感器，例如在軋鋼機(jī)上用來(lái)測(cè)量大的力以及用在吊車秤中。在吊車秤中。493.3 轉(zhuǎn)矩測(cè)量轉(zhuǎn)矩測(cè)量應(yīng)變式轉(zhuǎn)矩測(cè)量應(yīng)變式轉(zhuǎn)矩測(cè)量 扭轉(zhuǎn)角式轉(zhuǎn)矩測(cè)量扭轉(zhuǎn)角式轉(zhuǎn)矩測(cè)量501. 應(yīng)變式轉(zhuǎn)矩測(cè)量應(yīng)變式轉(zhuǎn)矩測(cè)量 應(yīng)變式轉(zhuǎn)矩測(cè)量?jī)x通過(guò)測(cè)量由于轉(zhuǎn)矩作用在應(yīng)變式轉(zhuǎn)矩測(cè)量?jī)x通過(guò)測(cè)量由于轉(zhuǎn)矩作用在轉(zhuǎn)軸上產(chǎn)生的應(yīng)變來(lái)測(cè)量轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)軸上

31、產(chǎn)生的應(yīng)變來(lái)測(cè)量轉(zhuǎn)矩。根據(jù)材料力學(xué)的理論，轉(zhuǎn)軸在轉(zhuǎn)矩根據(jù)材料力學(xué)的理論，轉(zhuǎn)軸在轉(zhuǎn)矩M的作用的作用下，其橫截面上最大剪應(yīng)力下，其橫截面上最大剪應(yīng)力max與軸截面系與軸截面系數(shù)數(shù)W和轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩M之間的關(guān)系為之間的關(guān)系為: 51 (3-20) (3-21)式中式中 D為軸的外徑；為軸的外徑；d為空心軸的內(nèi)徑。為空心軸的內(nèi)徑。max無(wú)法用應(yīng)變片來(lái)測(cè)量，但與轉(zhuǎn)軸中心線無(wú)法用應(yīng)變片來(lái)測(cè)量，但與轉(zhuǎn)軸中心線成成45 夾角方向上的正負(fù)主應(yīng)力的數(shù)值等于夾角方向上的正負(fù)主應(yīng)力的數(shù)值等于max，即即 (3-22)WMmax443116DdDW13max4416 DMDd（）52根據(jù)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，應(yīng)變?yōu)楦鶕?jù)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系

32、，應(yīng)變?yōu)?式中式中E為材料的彈性模量為材料的彈性模量(Pa)；為材料的泊松比。為材料的泊松比。4413111161dDEDMEEE4431331161dDEDMEEE(3-24)(3-23)53這樣就可沿正負(fù)主應(yīng)力這樣就可沿正負(fù)主應(yīng)力 和和 的方向貼應(yīng)變片，的方向貼應(yīng)變片，測(cè)出應(yīng)變即可知其軸上所受的轉(zhuǎn)矩測(cè)出應(yīng)變即可知其軸上所受的轉(zhuǎn)矩M。應(yīng)變片可以直接貼在需要測(cè)量轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)軸上，也應(yīng)變片可以直接貼在需要測(cè)量轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)軸上，也可以貼在一根特制的軸上制成應(yīng)變式轉(zhuǎn)矩傳感器，可以貼在一根特制的軸上制成應(yīng)變式轉(zhuǎn)矩傳感器，用于各種需要測(cè)量轉(zhuǎn)矩的場(chǎng)合用于各種需要測(cè)量轉(zhuǎn)矩的場(chǎng)合 。1354 圖圖3-28為應(yīng)變片式轉(zhuǎn)

33、矩傳感器，在沿軸向?yàn)閼?yīng)變片式轉(zhuǎn)矩傳感器，在沿軸向45 方向上分別粘貼有四個(gè)應(yīng)變片，感受軸方向上分別粘貼有四個(gè)應(yīng)變片，感受軸的最大正、負(fù)應(yīng)變，將其組成全橋電路，則的最大正、負(fù)應(yīng)變，將其組成全橋電路，則可輸出與轉(zhuǎn)矩可輸出與轉(zhuǎn)矩M成正比的電壓信號(hào)。這種接法成正比的電壓信號(hào)。這種接法可以消除軸向力和彎曲力的干擾。可以消除軸向力和彎曲力的干擾。圖3-28 應(yīng)變片式轉(zhuǎn)矩傳感器55 應(yīng)變式轉(zhuǎn)矩傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，精度較高。應(yīng)變式轉(zhuǎn)矩傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，精度較高。貼在轉(zhuǎn)軸上的電阻應(yīng)變片與測(cè)量電路一般通過(guò)貼在轉(zhuǎn)軸上的電阻應(yīng)變片與測(cè)量電路一般通過(guò)集流環(huán)連接。集流環(huán)存在觸點(diǎn)磨損和信號(hào)不穩(wěn)集流環(huán)連接。集流環(huán)存在觸點(diǎn)磨損和信號(hào)

34、不穩(wěn)定等問(wèn)題，不適于測(cè)量高速轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)矩。定等問(wèn)題，不適于測(cè)量高速轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)矩。 近年來(lái)，巳研制出遙測(cè)應(yīng)變式轉(zhuǎn)矩儀，將近年來(lái)，巳研制出遙測(cè)應(yīng)變式轉(zhuǎn)矩儀，將輸出電壓用無(wú)線發(fā)射的方式傳輸，有效地解決輸出電壓用無(wú)線發(fā)射的方式傳輸，有效地解決了上述問(wèn)題。了上述問(wèn)題。562. 扭轉(zhuǎn)角式轉(zhuǎn)矩測(cè)量扭轉(zhuǎn)角式轉(zhuǎn)矩測(cè)量 扭轉(zhuǎn)角式轉(zhuǎn)矩測(cè)量法是通過(guò)扭轉(zhuǎn)角來(lái)測(cè)量扭轉(zhuǎn)角式轉(zhuǎn)矩測(cè)量法是通過(guò)扭轉(zhuǎn)角來(lái)測(cè)量轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)矩的。 根據(jù)材料力學(xué)，在轉(zhuǎn)矩根據(jù)材料力學(xué)，在轉(zhuǎn)矩M作用下，轉(zhuǎn)軸上作用下，轉(zhuǎn)軸上相距相距L的兩橫截面之間的相對(duì)轉(zhuǎn)角的兩橫截面之間的相對(duì)轉(zhuǎn)角 為為: (3-25)式中式中 G為軸的剪切彈性模量。為軸的剪切彈性模量。GdDML4

35、43257 由由(3-25)式可知，當(dāng)轉(zhuǎn)軸受轉(zhuǎn)矩作用時(shí)，式可知，當(dāng)轉(zhuǎn)軸受轉(zhuǎn)矩作用時(shí)，其上兩截面間的相對(duì)扭轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)矩成正比，其上兩截面間的相對(duì)扭轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)矩成正比，因此可以通過(guò)測(cè)量扭轉(zhuǎn)角來(lái)測(cè)量轉(zhuǎn)矩。因此可以通過(guò)測(cè)量扭轉(zhuǎn)角來(lái)測(cè)量轉(zhuǎn)矩。 根據(jù)這一原理，可以制成根據(jù)這一原理，可以制成光電式、相位光電式、相位差式、振弦式差式、振弦式轉(zhuǎn)矩傳感器等。轉(zhuǎn)矩傳感器等。58(1)(1)光電式轉(zhuǎn)矩傳感器光電式轉(zhuǎn)矩傳感器 圖3-30 光電式轉(zhuǎn)矩傳感器59 光電式轉(zhuǎn)矩傳感器如圖光電式轉(zhuǎn)矩傳感器如圖3-30所示。在轉(zhuǎn)軸上所示。在轉(zhuǎn)軸上安裝兩個(gè)光柵圓盤(pán)，兩個(gè)光柵盤(pán)外側(cè)設(shè)有光源和安裝兩個(gè)光柵圓盤(pán)，兩個(gè)光柵盤(pán)外側(cè)設(shè)有光源和光敏元件。光敏元