第十一章-傳感器-實驗力學(xué)華中科技大學(xué)版本

第十一章傳感器11-1傳感器的一般特性物理量→敏感元件→傳感元件→測量電路→電量

位移懸臂梁應(yīng)變計電橋電路電壓11-1-1傳感器的靜態(tài)特性穩(wěn)定時的輸入輸出關(guān)系－－線性最好1、線性度一般曲線線性度:傳感器校準曲線與擬合直線間最大偏差與滿量程輸出值的百分比，擬合直線一般用最小二乘法2024/1/3112、滯后傳感器正、反行程間的輸入－輸出曲線不重合的程度，也是百分比3、靈敏度線性傳感器的校準線的斜率即靜態(tài)靈敏度2024/1/31211-1-2傳感器的動態(tài)特性1、零階傳感器（輸出－輸入關(guān)系為零階微分方程）如右上線性電位器式傳感器2、二階傳感器即前述振子的幅頻和相頻特性曲線2024/1/31311-2應(yīng)變計式傳感器的基本原理應(yīng)變計式傳感器由彈性元件和應(yīng)變計橋路構(gòu)成11-2-1彈性元件任何部位的應(yīng)力不能超過材料的彈性極限（或屈服極限），并有合適的安全系數(shù)（n＝1.5～2.0）粘貼應(yīng)變計的部位應(yīng)有足夠大的應(yīng)變，（如1000～1500）結(jié)構(gòu)緊湊又便于貼片、接線。應(yīng)是小變形，不改變原工作狀態(tài)動態(tài)特性的固有頻率高 各種材料可查表選擇2024/1/314各種材料特性交變載荷彈性優(yōu)良2024/1/31511-2-2應(yīng)變計一般都用膠膜基箔式應(yīng)變計，大量采用環(huán)氧樹脂，性能最好。11-2-3傳感器電路補償為提高傳感器性能和使其具有互換性，還常采取各種補償電路1、零點調(diào)整 某一橋臂中串聯(lián)一段電阻溫度系數(shù)很小的錳銅、康銅，使輸出接近于零2024/1/3162、靈敏度標準化為保證互換性，可在電源供橋回路中串聯(lián)一個電阻Rs，即降低供橋電壓，使靈敏度達標準值零點溫度補償線性補償靈敏度溫度補償輸入電阻標準化調(diào)整2024/1/31711-3各種應(yīng)變計式傳感器的構(gòu)造和特性11-3-1測力傳感器（稱重傳感器）按彈性元件不同分：桿式、環(huán)式、板式、梁式、剪切輪輻式、雙聯(lián)孔式等1、桿（柱）式彈性元件結(jié)構(gòu)簡單，可承受大載荷；空心、實心、方、圓注意承彎膜片、電橋接法設(shè)計：2024/1/3182、懸臂梁式彈性元件適用于較小的載荷，結(jié)構(gòu)簡單，易加工，靈敏度高右圖實際是剪力測量電路（a、b接半橋）2024/1/3193、環(huán)形彈性元件結(jié)構(gòu)簡單，堅固穩(wěn)定，自振頻率高，應(yīng)力分布有正負，便于接橋，靈敏度高（環(huán)內(nèi)A、B處貼片）按半徑與截面高之必可分為小曲率、大曲率。R/h>5為小曲率（薄環(huán)），<5的為大曲率（厚環(huán)）小曲率的彎矩計算式為：(使曲率增大為正彎矩）僅取左上部分（第二象限）計算，A處轉(zhuǎn)角為零2024/1/3110小曲率圓環(huán)用直梁公式近似計算彎曲應(yīng)力不計正壓力，大曲率環(huán)不適用2024/1/31114、剪切輪輻式彈性元件結(jié)構(gòu)高度底，精度高，線性好，抗偏心載荷和側(cè)向力強，靈敏度高，承載力大，（由十字輻條承載并感受應(yīng)變）易安裝45度貼片，全橋接法輸出靈敏度輻條高

h取2.5～3輻條寬b輻條長l取1～1.5輻條高h2024/1/31125、S形雙連孔梁式彈性元件靈敏度高，線性好，抗偏心能力強，適用較小載荷。結(jié)構(gòu)可簡化為右圖兩端固定雙梁。荷載P分別由兩梁各受P/2及其彎矩，彎矩圖為線性反對稱分布故孔內(nèi)四個貼片位置的應(yīng)變絕對值相同，符號相反，ε1=ε3ε2=ε4=-ε1，全橋測量，則P與總應(yīng)變讀數(shù)成正比2024/1/3113其它彈性元件多孔式框架結(jié)構(gòu)彈性元件

簡化為一端固定，一端只能上下移動的懸臂梁S形剪切梁式彈性元件 受反對稱外力，腹板部分受剪切，測量不受加載點位置的影響板環(huán)式彈性元件

可視作前圓環(huán)式彈性元件的變化，視作變截面環(huán)，整體剛度有提高，適合拉壓，只能近似計算，最后標定2024/1/3114多維測力傳感器鞍馬三維測力傳感器

Fx，F(xiàn)y，F(xiàn)z車削三向力八角環(huán)式測力傳感器

Px，Py，Pz通過設(shè)計結(jié)構(gòu)、選擇電橋接法，將各個力與所測應(yīng)變建立關(guān)系，標定出具體系數(shù)即可。常用剪力電路、彎矩電路和正應(yīng)力電路2024/1/3115對受Fx、Fy、Fz、和Mx、My、Mz作用的一般結(jié)構(gòu)上貼6個應(yīng)變片，則：這6個應(yīng)變是該6個荷載的函數(shù)求其逆矩陣，即可得荷載的表達式標定：令Fx=1，其余各量為零；測各應(yīng)變，得a11、、、a61

Fy=1，其余各量為零；測各應(yīng)變，得a12、、、a62

、、、、2024/1/311611-3-2測力傳感器的標定標定加載方法標準砝碼加載：小載荷力傳感器杠桿砝碼機構(gòu)加載：杠桿比1～20，精度0.2％標準測力計：高精度（0.1％）標準測力計與被標定傳感器串聯(lián)總原則：高精度等級標定底精度等級數(shù)據(jù)處理：最小二乘法2024/1/311711-3-3壓力（壓強）傳感器1、膜片式壓力傳感器周邊固定圓形金屬膜，一邊受壓，有徑向和周向應(yīng)變應(yīng)變分布見右上圖邊沿：徑向應(yīng)變大，且為負值中心：周向應(yīng)變大，都是正值做成圓膜形箔式應(yīng)變花，靈敏度高，但非線性大2024/1/31182、桶式壓力傳感器具有盲孔的彈性元件，內(nèi)腔與壓力接通，圓筒外表面周向應(yīng)變：對薄壁筒一般壁厚0.5mm的鋼制孔徑10～20mm彈性元件，應(yīng)變1000,可測12～24MPa2024/1/31193、組合式壓力傳感器2、2024/1/312011-3-4位移傳感器其結(jié)構(gòu)多種，以懸臂梁多見，按材料力學(xué)解出撓度、應(yīng)力：既有：彈