傳感器及應用 第04章 力與運動學量傳感器及應用

傳感器及應用第4章要點：1.金屬切削力的測量方法，扭矩的測量方法2.電子皮帶秤的原理，電子計價秤的組成3.振動及加速度傳感器的組成原理及類型4.多普勒效應5.轉(zhuǎn)速測量方法第4章力與運動學量傳感器及應用

在機械制造業(yè)中，力與運動學量的測量與位移測量有著同等重要的地位。力與運動學量傳感器一般都由彈性敏感元件和相應的轉(zhuǎn)換元件及轉(zhuǎn)換電路組成。通過本章學習，重點熟悉荷重、扭矩、速度、加速度等傳感器及應用。主要內(nèi)容●

4.1測力與稱重

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4.2運動學量傳感器及應用4.1測力與稱重力學量包括：力、力矩、應力、質(zhì)量和稱重等。位移傳感器與變換力的彈性敏感元件組合可以測量力。測力與稱重在原理上基本相同，但在定義、評價和計量性能上卻有很大差異。稱重是使用地點重力加速度和空氣浮力來測量質(zhì)量的，而測力則用于力值比較和傳遞。力的單位用牛頓（N）及其倍、分量，而質(zhì)量的單位用克（g）及其倍、分量，1kg≈9.80665N。因此，目前把力學量傳感器明確地分為測力傳感器和稱重傳感器。稱重傳感器固定地安裝在衡器上，力總是以相同的方式引入，對力引入時可能產(chǎn)生的誤差在檢定時已考慮了。測力傳感器則會因安裝狀態(tài)不正確而受到側(cè)向力、彎曲力的作用，因此對安裝技術(shù)應提出相應要求。4.1.1測力傳感器及其應用1.YDS-781型壓電式單向力傳感器

傳感器的結(jié)構(gòu)如圖4-1所示，主要用于變化頻率中等的動態(tài)力的測量，如車床動態(tài)切削力的測試。傳感器的測力范圍為0～5000N，非線性誤差小于1％，電荷靈敏度為3.8～4.4μC/N，固有頻率約為數(shù)十千赫。圖4-1YDS-781型壓電式單向力傳感器的結(jié)構(gòu)1—傳力上蓋2—壓電片4—電極引出插頭2.金屬加工切削力的測量

如圖4-2所示是利用壓電陶瓷傳感器進行測量刀具切削力的示意圖。由于壓電陶瓷元件的自振頻率高，特別適合測量變化劇烈的載荷。圖中壓電傳感器位于車刀前部的下方。圖4-2刀具切削力測量示意圖

如圖4-3所示是拉刀的切削力試驗圖。在拉削加工中，因為切削速度低，可以在拉刀的卡具上粘貼應變片進行受力狀態(tài)的測試。應變片與測試電路組成橋路并由放大電路及示波器進行測試。圖4-3拉刀切削力試驗圖3.壓電引信壓電引信常應用在破甲彈上，對提高彈丸的破甲能力起著非常重要的作用。壓電引信由壓電晶體和起爆裝置兩部分組成，壓電晶體放在彈丸的頭部，起爆裝置設(shè)置在彈丸的尾部，如圖4-4所示。圖4-4使用壓電引信的破甲彈

壓電引信的電路如圖4-5所示。平時電雷管E處于短路保險狀態(tài)，壓電晶體產(chǎn)生的電荷將從電阻R泄放掉，不會使電雷管動作。彈丸發(fā)射后，引信起爆裝置解除保險狀態(tài)，開關(guān)S從a處斷開與b接通，處于待發(fā)狀態(tài)。圖4-5壓電引信電路當彈丸與裝甲目標相遇時，碰撞力使壓電晶體產(chǎn)生電荷，經(jīng)導線傳給電雷管使其起爆，并引起彈丸的爆炸，錐孔炸藥爆炸形成的能量使藥形罩熔化，形成高溫高速的金屬流將鋼甲穿透，起到殺傷作用。4.1.2扭矩測量

扭矩是各種機械傳動軸的基本載荷形式，扭矩的測量對傳動軸載荷的確定、傳動系統(tǒng)各工作零件的強度設(shè)計及電機容量的選擇，都有重要意義。1.測量原理

扭矩是一種力矩，它是改變物體轉(zhuǎn)動狀態(tài)的原因。扭矩的大小可用下式表示：M=lF

扭矩傳感器與力傳感器一樣，要使用彈性元件，它利用彈性體把扭矩轉(zhuǎn)換為角位移，再由角位移轉(zhuǎn)換成電信號輸出。用于扭矩傳感器的彈性元件是扭矩軸，如圖4-6所示。把扭轉(zhuǎn)軸連接在驅(qū)動源和負載之間，扭轉(zhuǎn)軸就會產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)，所產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)角可用下式表示：圖4-6一些扭轉(zhuǎn)軸的結(jié)構(gòu)a）柱型b）圓臺型c）方臺階型d）多個小棒型扭轉(zhuǎn)軸2.扭矩傳感器（1）應變片式扭矩傳感器當扭轉(zhuǎn)軸發(fā)生扭轉(zhuǎn)時，在相對于軸中心線45°方向上產(chǎn)生的應力最大，應變也最大。沿扭轉(zhuǎn)軸中心線45°方向粘貼四個電阻應變片，或直接粘貼如圖2-3d所示的專用應變片，并組成橋式電路，將應力轉(zhuǎn)換為電壓輸出。由此便可測量扭矩的大小。由于應變片隨扭轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，為了給電橋輸入電壓和取出檢測信號，在扭轉(zhuǎn)軸上安裝有集電環(huán)和電刷。它是一種接觸式測量，結(jié)構(gòu)復雜。

如圖4-7所示，將套筒1、2分別卡在被測軸的兩個相鄰面上，然后將振弦5與6分別安裝在套筒上的支架3、4和3＇、4＇上，安裝時必須使振弦具有一定的預應力。圖4-7振弦式轉(zhuǎn)矩傳感器1、2—套筒3、4、3’、4’—支架5、6—振弦（2）振弦式轉(zhuǎn)矩傳感器

當被測軸轉(zhuǎn)動傳遞轉(zhuǎn)矩T時，軸產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形，致使其兩相鄰截面扭轉(zhuǎn)一個角度，造成振弦5和6一個受到拉力，另一個受到壓力。在被測軸的彈性變形范圍內(nèi)，軸的扭轉(zhuǎn)角與外加轉(zhuǎn)矩T成正比，而振弦的張力又與扭轉(zhuǎn)角成正比?？梢杂脺y量傳感器輸出的差頻信號來測量被測軸上所承受的轉(zhuǎn)矩。圖4-8磁致伸縮式扭矩傳感器工作原理圖a）結(jié)構(gòu)原理b）橋路原理

磁致伸縮式扭矩傳感器的轉(zhuǎn)換原理是磁致伸縮效應。采用鐵磁材料制作的扭轉(zhuǎn)軸在受到扭矩作用時，扭轉(zhuǎn)軸中產(chǎn)生方向性應力，扭轉(zhuǎn)軸表面的磁場分布會變得不對稱，從而出現(xiàn)磁的各向異性。如圖4-8所示是磁致伸縮式扭矩傳感器工作原理圖。（3）磁致伸縮式扭矩傳感器

磁致伸縮式扭矩傳感器具有以下優(yōu)點，被廣泛應用于大型動力機械的扭矩測量。①可實現(xiàn)非接觸測量，避免了接觸測量需經(jīng)常檢修的麻煩，也沒有電刷和集流環(huán)產(chǎn)生的干擾信號，因而工作可靠，堅固耐用。②對扭轉(zhuǎn)軸的材質(zhì)要求不高，一般采用低碳鋼即可。③當扭轉(zhuǎn)軸切應力在3000N/cm2以下時，輸出電勢與扭矩呈線性關(guān)系，測量誤差較小。（4）磁電式扭矩傳感器

磁電式扭矩傳感器是根據(jù)磁電轉(zhuǎn)換和相位差原理制成的，它可以將轉(zhuǎn)矩力學量轉(zhuǎn)換成有一定相位差的電信號。如圖4-9所示為磁電式傳感器的工作原理圖。圖4-9磁電式扭矩傳感器原理

在驅(qū)動源和負載之間的扭轉(zhuǎn)軸的兩側(cè)安裝有齒形圓盤，它們旁邊裝有相應的兩個磁電傳感器。當扭矩作用在扭轉(zhuǎn)軸上，兩個磁電傳感器輸出的感應電壓具有與扭轉(zhuǎn)軸的扭轉(zhuǎn)角成正比的相位差，它與轉(zhuǎn)矩測量儀表配套，可直接測量各種動力機械的轉(zhuǎn)矩。這種傳感器可以廣泛地應用于發(fā)動機的臺架試驗、電機扭矩及轉(zhuǎn)速的測量、減速器、變速器扭矩及轉(zhuǎn)速的測量、風機扭矩和轉(zhuǎn)速的測試、各種旋轉(zhuǎn)機械扭矩及轉(zhuǎn)速的測試等場合。

這種將扭矩轉(zhuǎn)換成電信號相位差的方法，也可以用光電式、霍爾式、電感式、電容式等傳感器，這些都是非接觸式測量，應用廣泛。4.1.3電子皮帶秤

電子皮帶秤是一種能連續(xù)稱量散狀顆粒物料重量的裝置，它不但可以對某一瞬間在輸送帶上的輸送物料重量進行稱重，而且還可以在某段時間內(nèi)輸送的物料總重進行稱重。因此，電子皮帶秤在建材水泥、煤礦、冶金化工和糧倉、碼頭得到了普遍的應用。電子皮帶秤的工作原理如圖4-10所示。在電子皮帶秤某一稱量區(qū)間的物料重量為W（t）=q（t）L皮帶在單位時間內(nèi)的輸送量為Q（t）=q（t）v（t）

只要將測力傳感器輸出并經(jīng)放大的信號電壓U1和測速傳感器經(jīng)F/V轉(zhuǎn)換電路輸出的電壓信號U2經(jīng)乘法器相乘，便可得知皮帶在單位時間內(nèi)的輸送量。將此值經(jīng)積分器積分，即可得到0～t段時間內(nèi)的物料總重量，該重量可直接在顯示器上顯示出來。圖4-10電子皮帶秤工作原理圖1—測速傳感器2—測力傳感器3—稱架4—物料5—皮帶4.1.4電子計價秤圖4-11電子計價秤的外形圖

電子計價秤，通常是指稱量范圍在3～30kg內(nèi)帶有計價功能的商用案秤。一般電子秤的外形圖如圖4-11所示。前面的三個數(shù)字顯示窗口，左面的為質(zhì)量顯示，中間的為商品單價顯示，右面的為計價顯示。通過鍵盤可輸入商品單價，稱量物品后，計價顯示窗口便顯示金額。（1）稱重傳感器電子計價秤通常選用如圖4-12所示以鋁合金為材料的雙復梁式結(jié)構(gòu)的稱重傳感器。圖4-12雙復梁式稱重傳感器a)雙連橢圓孔結(jié)構(gòu)b)四連孔結(jié)構(gòu)典型的15kg計價電子秤的稱重傳感器的技術(shù)性能要求見表4-1。表4-115kg鋁合金傳感器性能測量范圍0～20kg最大激勵電壓15V非線性(包括滯后)0.02%F.S輸入阻抗406±15Ω重復性0.01%F.S輸出阻抗351±3Ω蠕變(30min)0.02%F.S允許工作溫度-30～+80℃輸出靈敏度1.8±O.09mV／V安全超載范圍130%

如圖4-13所示是R208A型電子計價稱電路原理圖。LC表示傳感器，放大器可選用OP07或ICL7650。采用低價格的、能自動歸零的雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器，量程電壓為0～2.8V。邏輯電路是以8039單片機為核心，由DIP開關(guān)/鍵盤掃描、打印接口等組成。

（2）電路原理圖4-13R208A型電子計價稱電路原理圖

4.2運動學量傳感器及應用運動學量包括：速度、角速度、加速度、角加速度、振動、頻率和時間等。

4.2.1振動的測量1.振動及其分類振動是指物體圍繞平衡位置做往復運動。（1）按振動對象分為：機械振動、土木振動、運輸工具振動、武器及爆炸引起的沖擊振動等。（2）按振動頻率分類如高頻振動、低頻振動、超低頻振動。（3）按信號特征分類如周期振動、非周期振動、隨機振動等。3.振動傳感器的類型①由非接觸式傳感器構(gòu)成振動傳感器：如電感式（包括電渦流式）、電容式、霍爾式、光電式等。如圖4-17所是用電渦流傳感器測量金屬導體試件振幅的示意圖。若要測量非金屬材料的振動，可用光電式傳感器等。

2.振動測量的內(nèi)容振動頻率、振動振幅、振動速度和加速度。圖4-17用電渦流傳感器測量振幅原理圖1—試件2—傳感器

在振動測量中主要考慮傳感器固有振動頻率f0和被測振動頻率f的關(guān)系。測量振幅當f0≤5f時測量速度當f0=f且阻尼很大時測量加速度當f0≥f時圖4-18機械二階系統(tǒng)②用接觸式傳感器構(gòu)成振動傳感器：如磁電式、電感式、壓電式等。接觸式振動傳感器必須由質(zhì)量塊、彈簧和阻尼元件組成機械二階系統(tǒng)，如圖4-18所示。其固有振動頻率為：4.2.2加速度傳感器與刀具磨損監(jiān)測加速度傳感器實質(zhì)上是一種測量力的裝置。加速度是運動參數(shù)位移對時間的二階微分，其運動方程是一個二階線性微分方程。因此，需要經(jīng)過一個慣性系統(tǒng)——質(zhì)量——彈簧系統(tǒng)，即機械二階系統(tǒng)，將加速度變成位移x或力F。所有的加速度傳感器都有這樣一個系統(tǒng)組成，所不同的是轉(zhuǎn)換原理、結(jié)構(gòu)形式和響應特性。根據(jù)不同的轉(zhuǎn)換原理，常見的加速度傳感器有應變式、電感式、電容式、磁電式、壓電式等幾種。1.應變式加速度傳感器如圖4-19所示，應變式加速度傳感器是利用電阻應變片3作為轉(zhuǎn)換元件，與質(zhì)量塊1和彈性梁2構(gòu)成。應變式加速度傳感器不適用于頻率較高的振動和沖擊場合，一般適用頻率為10～60Hz。圖4-19應變式加速度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖1—質(zhì)量塊2—等強度彈性梁3—電阻應變片4—殼體2.電容式加速度傳感器近年來，利用表面微加工技術(shù)制造電容式加速度傳感器發(fā)展迅速。它的核心部分只有Φ3mm左右，與測量轉(zhuǎn)換電路封裝在一起，有8腳帽型TO-5金屬封裝，也有16腳DIP封裝，形同普通的集成電路。圖4-20表面微加工的電容式加速度傳感器1—第一層多晶硅2—第二層多晶硅3—第三層多晶硅4—懸臂5—絕緣體（1）表面微加工的電容式加速度傳感器如圖4-20所示圖4-21電容加速度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖a）靜止時b）有加速度時1—固定點2—彎曲梁3—固定極片4—動極片（2）ADXL50電容式集成加速度傳感器如圖4-22所示

圖4-22ADXL50集成加速度傳感器框圖3.電感式加速度傳感器如圖4-23所示為差動變壓器式加速度傳感器的原理結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4-23差動變壓器式加速度傳感器原理結(jié)構(gòu)示意圖1—懸臂梁2—差動變壓器4.磁電式加速度傳感器如圖4-24所示圖4-24動圈式振動加速度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

壓電式加速度傳感器是利用晶體的壓電效應工作的，它主要由壓電元件、質(zhì)量塊、彈性元件以及外殼等組成。如圖4-25a所示是一種壓縮式壓電加速計的結(jié)構(gòu)原理圖。如圖5-25b所示是利用切變效應的壓電加速計的結(jié)構(gòu)原理圖。圖4-25壓電式加速度計a）壓縮式b）剪切式1—殼體2—彈簧3—質(zhì)量塊4—壓電片5—基座6—質(zhì)量環(huán)7—壓電陶瓷圓筒8—引線9—基座5.壓電式加速度傳感器6.刀具磨損振動監(jiān)測法

在數(shù)控加工的切削過程中，刀具磨損與破損的在線自動檢測常常采用電動機功率與電流法、聲發(fā)射法、切削力法、光學法和圖像法。4-26刀具磨損測試示意圖（1）系統(tǒng)選擇用加速度傳感器檢測和分析系統(tǒng)如圖4-26所示。

（2）刀具磨損過程的頻譜特性如圖4-27所示，隨著刀具磨損，主峰頻率位置開始向低頻移動。隨著刀具磨損量的增加，主峰幅值開始增加較快，然后趨向平緩。尤其是從正常磨損階段向急劇磨損階段過渡或是刀具即將發(fā)生破損時，頻譜特性的變化相當顯著。圖4-27特征頻率隨時間的變化規(guī)律圖4.2.3多普勒效應測量線速度1.多普勒效應當聲源、光源及微波等波源與觀測者之間有相對運動時觀測到的頻率與靜止情況下不相同，這種現(xiàn)象稱為多普勒效應。

當位置固定的發(fā)射器發(fā)出一個固定頻率的電磁波作用于一個運動的物體時，反射回來的電磁波的頻率同樣會發(fā)生變化，這種變化的頻率稱為頻移，也叫多普勒頻率。多普勒頻率為fd＝fR－f0=±2v/λ0

當發(fā)射機和接收機在同一地點，兩者無相對運動，而被測物體以速度v向發(fā)射機和接收機運動時，被測物體的運動速度v可以用上式表示的多普勒頻率來描述。當物體作接近運動時，v取正值；當物體作遠離運動時，v取負值。

多普勒雷達由發(fā)射機、接受機、混頻器、檢波器、放大器及處理電路等組成。當發(fā)射信號和接收到的回波信號經(jīng)混頻器混頻后，兩者產(chǎn)生差頻現(xiàn)象