力传感器.ppt

1、 力传感器力传感器 力力传感器主要用于两个方面：感器主要用于两个方面：测力和称重。力和称重。压力是自力是自动化生化生产过程中的重要工程中的重要工艺参参数。数。电子秤、汽子秤、汽车、机床、机床、桥梁梁监测都都需要力需要力传感器。化感器。化纤厂、化肥厂、厂、化肥厂、炼油油厂的厂的压力力储罐罐压力力传感器提供控制依据。感器提供控制依据。钢丝绳测力传感器钢丝绳测力传感器钢丝绳测力传感器结构示意图钢丝绳测力传感器结构示意图电阻应变式力传感器的核心是电阻应变式力传感器的核心是电阻阻应变片片。为了测量金属棒在。为了测量金属棒在工作过程中所承受的力，将电阻应变片贴在金属棒上。金属棒工作过程中所承受的力，将电阻

2、应变片贴在金属棒上。金属棒受到外力后，产生应变，并传递给电阻应变片，应变片敏感到受到外力后，产生应变，并传递给电阻应变片，应变片敏感到应变后产生电阻变化，经测量电路转换成与外力成正比的电信应变后产生电阻变化，经测量电路转换成与外力成正比的电信号。实现了力的检测。号。实现了力的检测。力传感器工作原理示意图力传感器工作原理示意图敏感元件转换元件转换电路传感器组成框图被测量中间量电量电信号弹性敏感元件弹性敏感元件弹性敏感元件v作用：把力或压力转换成应变或位移，再由传感器将应变或位移转换成电信号v特性：刚度、灵敏度、弹性滞后、弹性后效、固有振荡频率v弹性敏感元件的分类弹性敏感元件的分类v变换力的弹性敏

3、感元件v变换压力的弹性敏感元件电阻应变式传感器v电阻应变式传感器是利用电阻应变片将应变转换为电阻变化的传感器,传感器由在弹性元件上粘贴电阻应变敏感元件构成。v当被测物理量作用在弹性元件上时,弹性元件的变形引起应变敏感元件的阻值变化,通过转换电路将其转变成电量输出,电量变化的大小反映了被测物理量的大小。v应变式电阻传感器是目前测量力、力矩、压力、加速度、重量等参数应用最广泛的传感器。电阻应变传感器工作原理电阻应变传感器工作原理 导体或半体或半导体材料在外力作用下伸体材料在外力作用下伸长或或缩短短时，它的它的电阻阻值相相应地地发生生变化，化，这一物理一物理现象称象称为电阻阻应变效效应（简称称应变效

4、效应）电阻应变传感器工作原理电阻应变传感器工作原理 将应变片贴在被测物体上，使其随着被将应变片贴在被测物体上，使其随着被测物的应变一起伸缩，这样应变片里面的测物的应变一起伸缩，这样应变片里面的金属材料就随着外界的应变伸长或缩短，金属材料就随着外界的应变伸长或缩短，其阻值也相应地变化。应变片利用应变效其阻值也相应地变化。应变片利用应变效应，通过测量电阻的变化而对应变进行测。应，通过测量电阻的变化而对应变进行测。电阻应变片分为电阻应变片分为金属金属电阻阻应变片和半片和半导体体应变片片两大类。两大类。在力传感器中大多数使用的是金属电阻应变在力传感器中大多数使用的是金属电阻应变片。将电阻丝排成栅网状，

5、粘贴在厚度约为片。将电阻丝排成栅网状，粘贴在厚度约为15-16m的绝缘基片上，电阻丝两端焊出引出的绝缘基片上，电阻丝两端焊出引出线，最后用覆盖层进行保护，即成为应变片。线，最后用覆盖层进行保护，即成为应变片。使用时只要将应变片贴于被测物体上就可构成使用时只要将应变片贴于被测物体上就可构成应变式传感器。应变式传感器。在测量时，将应变片贴在不同的部位，在测量时，将应变片贴在不同的部位，它可以感受拉伸的力（拉力，正应变），也它可以感受拉伸的力（拉力，正应变），也可以感受压缩的力（压力，负应变）。可以感受压缩的力（压力，负应变）。例如圆柱形拉力传感器。例如圆柱形拉力传感器。R1、R2、R3、R4是四个

6、完全相同的应变片，是四个完全相同的应变片，R1、R4竖粘，竖粘，为轴向贴片，感受拉伸，正应变；为轴向贴片，感受拉伸，正应变；R2、R3横横粘，为径向贴片，感应压缩，负应变。粘，为径向贴片，感应压缩，负应变。金属电阻应变片按结构形式可分为丝式、箔金属电阻应变片按结构形式可分为丝式、箔式和薄膜式三种。式和薄膜式三种。电阻应变式传感器的使用方法有以下二种：电阻应变式传感器的使用方法有以下二种：第一种是将应变片直接粘贴于被测构件上，第一种是将应变片直接粘贴于被测构件上，用来测定构件的应变或应力。用来测定构件的应变或应力。第二种是将应变片贴于弹性元件上，与弹性第二种是将应变片贴于弹性元件上，与弹性元件一

7、起构成应变式传感器敏感元件。元件一起构成应变式传感器敏感元件。这种传感器可以测量力、位移、加速度这种传感器可以测量力、位移、加速度等物理参数。等物理参数。2022/11/9半导体应变片v半导体应变片是利用半导体材料的压阻效应而制成的一种纯电阻性元件。对一块半导体材料的某一轴向施加一定的载荷而产生应力时，它的电阻率会发生变化，这种物理现象称为半导体的压阻效应。v半导体应变计应用较普遍的有体型、薄膜型、扩散型、外延型等。体型半导体应变计是将晶片按一定取向切片、研磨、再切割成细条,粘贴于基片上制作而成。几种体型半导体应变计示意图如图所示。电阻应变式传感器的测量电路电阻应变式传感器的测量电路 应变电阻

8、阻变化是极其微弱的，化是极其微弱的，电阻阻相相对变化率化率仅为0.2%左右。例如：左右。例如：应变电阻阻为300，电阻阻变化量化量为0.6，要，要精确地精确地测量量这么微小的么微小的电阻阻变化是非常化是非常困困难的。通常采用惠斯登的。通常采用惠斯登电桥电路路进行行测量，将量，将电阻相阻相对变化化R/R，转换为电压的的变化，再用化，再用测量量仪表表应变式式传感感器器测量量电路便可以路便可以简单方便地方便地进行行测量。量。R1，R2，R3，R4为四个桥臂的电阻，电桥的供电电为四个桥臂的电阻，电桥的供电电压为压为U，电桥输出电压为，电桥输出电压为Uo。当四个桥臂的初始电阻。当四个桥臂的初始电阻满足满

9、足R1/R2=R3/R4时，桥路输出电压为时，桥路输出电压为Uo零，即桥零，即桥路平衡。路平衡。在被测物体未施加作用力时，应变为零，应变电阻在被测物体未施加作用力时，应变为零，应变电阻没有变化。没有变化。在测量电路中，应变片应该怎样接入电在测量电路中，应变片应该怎样接入电桥更有利于信号测量呢？桥更有利于信号测量呢？1单臂半桥电桥电路单臂半桥电桥电路2022/11/9R1为应变片，其余各为应变片，其余各桥臂电阻为固定电阻，其桥臂电阻为固定电阻，其输出有：输出有：2022/11/9如果测出电桥的输出电压就可以计算如果测出电桥的输出电压就可以计算出应变的大小，进而推算出力的大小：出应变的大小，进而推

10、算出力的大小：上式中上式中为应力；为应力；E为弹性系数或杨氏为弹性系数或杨氏模量，不同的材料有固定的杨氏模量。模量，不同的材料有固定的杨氏模量。2双臂半桥电桥电路双臂半桥电桥电路2022/11/9R1、R2为应变片，其余各桥臂电阻为固为应变片，其余各桥臂电阻为固定电阻，这种电路可以有两种接入方法。定电阻，这种电路可以有两种接入方法。为便于测量，希望获得较大灵敏度，使两为便于测量，希望获得较大灵敏度，使两应变片产生的应变相加应变片产生的应变相加。以上二种连接方法都。以上二种连接方法都可以做到：在前图中使可以做到：在前图中使R1为正应变，为正应变，R2为负为负应变应变；在后图中；在后图中R1、R2

11、同为正应变或负应变。同为正应变或负应变。2022/11/9在实际工程中更多采用前者，在实际工程中更多采用前者，R1、R2分分别为正、负应变，其输出为相邻两桥臂应变相别为正、负应变，其输出为相邻两桥臂应变相减，在灵敏度提高的同时，可以将应变片的温减，在灵敏度提高的同时，可以将应变片的温度误差和非线性误差相互减去、抵消，提高测度误差和非线性误差相互减去、抵消，提高测量精度。量精度。3全桥电桥电路全桥电桥电路2022/11/9电桥的四臂全部接电桥的四臂全部接入应变片称为全桥电桥入应变片称为全桥电桥电路。若四片应变片完电路。若四片应变片完全相同，其中全相同，其中R1、R4感应正应变；感应正应变；R2、

12、R3感应负应变。感应负应变。将应变片接成全桥电路时，要特别注将应变片接成全桥电路时，要特别注意：相邻桥臂的应变片所感受的应变必须意：相邻桥臂的应变片所感受的应变必须相反，否则上式不成立。相反，否则上式不成立。应变式传感器典型测量电路应变式传感器典型测量电路在测量力时，可将应变片直接粘贴在被测在测量力时，可将应变片直接粘贴在被测部位。应变片的粘贴，是应变片测量技术的关部位。应变片的粘贴，是应变片测量技术的关键环节之一，将直接影响胶的粘接质量及测量键环节之一，将直接影响胶的粘接质量及测量精度，如果贴片不严格，技术不熟练，即使选精度，如果贴片不严格，技术不熟练，即使选用最好的应变片也无济于事。用最好

13、的应变片也无济于事。五、应变片的粘贴五、应变片的粘贴应变片的粘贴工艺步骤应变片的粘贴工艺步骤2022/11/92022/11/9检查合格后，焊接引出导线。将引线加检查合格后，焊接引出导线。将引线加以固定、绝缘，防止应变片线脚与被测工件以固定、绝缘，防止应变片线脚与被测工件接触，短路。应变片之间通过漆包线或其他接触，短路。应变片之间通过漆包线或其他软线连接组成电桥。最后检查焊接引线与组软线连接组成电桥。最后检查焊接引线与组桥连线。这样就完成了整个粘贴过程。桥连线。这样就完成了整个粘贴过程。电阻应变片安装必备工具及材料电阻应变片安装必备工具及材料:用于应用于应变片粘贴表面处理的清洁剂，应变片粘接剂

14、变片粘贴表面处理的清洁剂，应变片粘接剂（胶），保护应变片的涂层材料（胶），电（胶），保护应变片的涂层材料（胶），电阻丝或应变片引线，接线端子，电缆，焊锡阻丝或应变片引线，接线端子，电缆，焊锡和助焊剂等。和助焊剂等。2022/11/9任务实施任务实施方案一：方案一：测量、控制起重设备吊运货物测量、控制起重设备吊运货物的重量，可以采用的重量，可以采用在吊钩的圆柱壁上粘贴应在吊钩的圆柱壁上粘贴应变片的方法变片的方法，检测起吊重量。，检测起吊重量。2022/11/9测量吊运货物的重量，测量吊运货物的重量，量程较大，一般在吊钩的圆量程较大，一般在吊钩的圆柱壁上横竖各粘贴一片应变柱壁上横竖各粘贴一片应变片

15、，组成片，组成双臂半桥电路双臂半桥电路。2022/11/9为应变电桥提供为应变电桥提供2V稳压电源，电桥稳压电源，电桥输出信号接入差动直流放大电路，测量输输出信号接入差动直流放大电路，测量输出电压。根据输出电压值可以推算出应力出电压。根据输出电压值可以推算出应力的大小，即重力。也可以使用应变片专用的大小，即重力。也可以使用应变片专用测量仪测量仪电阻应变仪电阻应变仪进行检测。进行检测。这种测量方法简单、方便，成本低。这种测量方法简单、方便，成本低。但容易损坏，受环境影响大，使用寿命短。但容易损坏，受环境影响大，使用寿命短。长期使用时，零点漂移大，需要在使用前长期使用时，零点漂移大，需要在使用前调

16、节零点。调节零点。2022/11/9方案二方案二：在本课题中也：在本课题中也可以直接采用电子吊秤的方可以直接采用电子吊秤的方法（课题二介绍）。购买电法（课题二介绍）。购买电子吊秤接在起重设备下，可子吊秤接在起重设备下，可实现货物在线装卸测量、在实现货物在线装卸测量、在线称重，随时改变称量地点，线称重，随时改变称量地点，可实现分次分批称重，提高可实现分次分批称重，提高效率，但成本较高。效率，但成本较高。2022/11/9课题二课题二电子秤电子秤任务导入任务导入某生产线上要安装某生产线上要安装自动称重和装料装置自动称重和装料装置。为了实现对物料的快速、准确的称量，提高为了实现对物料的快速、准确的称量，提高工业生产过程自动化程度，通常采用电子秤工业生产过程自动化程度，通常采用电子秤进行载荷测量，将输出信号提供控制中心，进行载荷测量，将输出信号提供控制中心，再由微机控制各阀门工作。再由微机控制各阀门工作。2022/11/9电子秤的料箱先复位，电磁线圈电子秤的料箱先复位，电磁线圈1通电，通电，漏斗给电子秤自动加料，加到额定重量时，漏斗给电子秤自动加料，加到额定重量时，停止加料。与此同时，装料的箱