應變式力傳感器

 

在所有力傳感器中
，應變式力傳感器應用最為廣泛。它能應用於從極小到很大的動、靜態力的測量，且測量精度高，其使用量約占力傳感器總量的90％左右。

 

應ying變bian式shi力li傳chuan感gan器qi的de工gong作zuo原yuan理li與yu應ying變bian式shi壓ya力li傳chuan感gan器qi基ji本ben相xiang同tong，它ta也ye是shi由you彈dan性xing敏min感gan元yuan件jian和he貼tie在zai其qi上shang的de應ying變bian片pian組zu成cheng。應ying變bian式shi力li傳chuan感gan器qi首shou先xian把ba被bei測ce力li轉zhuan變bian成cheng彈dan性xing元yuan件jian的de應ying變bian，再zai利li用yong電dian阻zu應ying變bian效xiao應ying測ce出chu應ying變bian，從cong而er間jian接jie地di測ce出chu力li的de大da小xiao。彈dan性xing元yuan件jian的de結jie構gou形xing式shi有you柱zhu形xing
、筒形、環形、梁形、輪輻形、s形等。

 

yingbianpiandebuzhihejieqiaofangshi

，duiyutigaochuanganqidelingminduhexiaochuyouhaiyinsudeyingxiangyouhendaguanxi。genjudianqiaodejiajiantexinghedanxingyuanjiandeshoulixingzhi，zaitiepianweizhixukedeqingkuangxia，ketie4或8片應變片，其位置應是彈性元件應變最大的地方。

 

柱形應變式力傳感器

 

圖1給出了常見的柱形、筒形

、梁形彈性元件及應變片的貼片方式。圖1（a）為柱形彈性元件；圖1（b）為筒形彈性元件；圖1（c）為梁形彈性元件。

 

圖1 幾種彈性元件及應變片貼片方式

 

柱形彈性元件通常都做成圓柱形和方柱形
，用於測量較大的力。最大量程可達10MN。在載荷較小時（1——100kN），weibianyuzhantieyingbianpianhejianxiaoyouyuzaihepianxinhuocexiangfenliyinqidewanquyingxiang，tongshiweiletigaolingmindu
，duocaiyongkongxinzhuti。sigeyingbianpianzhantiedeweizhihefangxiangyingbaozhengqizhongliangpianganshouzongxiangyingbian
，lingwailiangpianganshouhengxiangyingbian（因為縱向應變與橫向應變是互為反向變化的），如圖1（a）所示。

 

當被測力F沿柱體軸向作用在彈性體上時，其縱向應變和橫向應變分別為

 

 

式中
，E為材料的彈性模量
；S為柱體的截麵積
；μ為材料的泊鬆比。

 

在zai實shi際ji測ce量liang中zhong，被bei測ce力li不bu可ke能neng正zheng好hao沿yan著zhe柱zhu體ti的de軸zhou線xian作zuo用yong，而er總zong是shi與yu軸zhou線xian成cheng一yi微wei小xiao的de角jiao度du或huo微wei小xiao的de偏pian心xin
，這zhe就jiu使shi得de彈dan性xing柱zhu體ti除chu了le受shou縱zong向xiang力li作zuo用yong外wai
，還hai受shou到dao橫heng向xiang力li和he彎wan矩ju的de作zuo用yong，從cong而er影ying響xiang測ce量liang精jing度du。

 

輪輻式力傳感器

 

 

簡單的柱式、筒式
、梁式等彈性元件是根據正應力與載荷成正比的關係來測量的，它們存在著一些不易克服的缺點。

 

為了進一步提高力傳感器性能和測量精度，要求力傳感器有抗偏心、抗側向力和抗過載能力。20世紀70年代開始已成功地研製出切應力傳感器。圖2是較常用的輪輻式切應力傳感器的結構簡圖。

 

圖2 輪輻式力傳感器

 

輪輻式力傳感器由輪圈、輪軲、futiaoheyingbianpianzucheng。futiaochengduiqieduichengdilianjielunquanhelungu，dangwailizuoyongzailungushangduanmianhelunguxiaduanmianshi，juxingfutiaojiuchanshengpingxingsibianxingbianxing，rutu2（b）所示，形成與外力成正比的切應變。此切應變能引起與中性軸成450方向的相互垂直的兩個正負正應力，即由切應力引起的拉應力和壓應力

，通過測量拉應力或壓應力值就可知切應力值的大小。

 

因此
，在輪輻式傳感器中，把應變片貼到與切應力成45度(du)的(de)位(wei)置(zhi)上(shang)
，使(shi)它(ta)感(gan)受(shou)的(de)仍(reng)是(shi)拉(la)伸(shen)和(he)壓(ya)縮(suo)應(ying)變(bian)，但(dan)該(gai)應(ying)變(bian)不(bu)是(shi)由(you)彎(wan)距(ju)產(chan)生(sheng)的(de)
，而(er)主(zhu)要(yao)是(shi)由(you)剪(jian)切(qie)力(li)產(chan)生(sheng)的(de)，此(ci)即(ji)這(zhe)類(lei)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)基(ji)本(ben)工(gong)作(zuo)原(yuan)理(li)。這(zhe)類(lei)傳(chuan)感(gan)器(qi)最(zui)突(tu)出(chu)的(de)優(you)點(dian)是(shi)抗(kang)過(guo)載(zai)能(neng)力(li)強(qiang)，能(neng)承(cheng)受(shou)幾(ji)倍(bei)於(yu)額(e)定(ding)量(liang)程(cheng)的(de)過(guo)載(zai)。此(ci)外(wai)，其(qi)抗(kang)偏(pian)心(xin)、抗側向力的能力也較強，精度在0.1％之內。

 

壓磁式力傳感器

 

當鐵磁材料在受到外力的拉
、壓作用而在內部產生應力時
，其導磁率會隨應力的大小和方向而變化：受拉力時
，沿力作用方向的導磁率增大
，而在垂直於作用力的方向上導磁率略有減小
；受壓力作用時則導磁率的變化正好相反。這種物理現象就是鐵磁材料的壓磁效應。這種效應可用於力的測量。

 

圖3 壓磁式傳感器

 

壓磁式力傳感器一般由壓磁元件、傳力機構組成

，如圖3（a）所示。

 

其中主要部分是壓磁元件，它由其上開孔的鐵磁材料薄片疊成。壓磁元件上衝有四個對稱分布的孔，孔1和2之間繞有激磁繞組W12 （初級繞組），孔3和4間繞有測量繞組W34。（次級繞組）
，如圖3（b）所示。

 

當激磁繞組W12通tong有you交jiao變bian電dian流liu時shi，鐵tie磁ci體ti中zhong就jiu產chan生sheng一yi定ding大da小xiao的de磁ci場chang。若ruo無wu外wai力li作zuo用yong，則ze磁ci感gan應ying線xian相xiang對dui於yu測ce量liang繞rao組zu平ping麵mian對dui稱cheng分fen布bu，合he成cheng磁ci場chang強qiang度du日ri平ping行xing於yu測ce量liang繞rao組zuW34的平麵，磁感應線不與測量繞組W34交連
，故繞組W34不產生感應電勢，如圖3（C）所示。

 

當有壓縮力F作用於壓磁元件上時
，磁感應線的分布圖發生變形
，不再對稱於測量繞組W34的平麵（如圖3（d）所示），合成磁場強度H不再與測量繞組平麵平行，因而就有部分磁感應線與測量繞組W34相交鏈
，而在其上感應出電勢。作用力愈大
，交鏈的磁通愈多，感應電勢愈大。

 

壓ya磁ci式shi力li傳chuan感gan器qi的de輸shu出chu電dian勢shi比bi較jiao大da，通tong常chang不bu必bi再zai放fang大da，隻zhi要yao經jing過guo濾lv波bo整zheng流liu後hou就jiu可ke直zhi接jie輸shu出chu
，但dan要yao求qiu有you一yi個ge穩wen定ding的de激ji磁ci電dian源yuan。壓ya磁ci式shi力li傳chuan感gan器qi可ke測ce量liang很hen大da的de力li，抗kang過guo載zai能neng力li強qiang
，能neng在zai惡e劣lie條tiao件jian下xia工gong作zuo。但dan頻pin率lv響xiang應ying不bu高gao（1——10 kHz），測量精度一般在1％左右，也有精度更高的新型結構的壓磁式力傳感器。常用於冶金
、礦山等重工業部門作為測力或稱重傳感器，例如在軋鋼機上用來測量大的力以及用在吊車秤中。

 

 

壓電式力傳感器

 

壓電式傳感器 是(shi)基(ji)於(yu)壓(ya)電(dian)效(xiao)應(ying)的(de)傳(chuan)感(gan)器(qi)。是(shi)一(yi)種(zhong)自(zi)發(fa)電(dian)式(shi)和(he)機(ji)電(dian)轉(zhuan)換(huan)式(shi)傳(chuan)感(gan)器(qi)。它(ta)的(de)敏(min)感(gan)元(yuan)件(jian)由(you)壓(ya)電(dian)材(cai)料(liao)製(zhi)成(cheng)。壓(ya)電(dian)材(cai)料(liao)受(shou)力(li)後(hou)表(biao)麵(mian)產(chan)生(sheng)電(dian)荷(he)。此(ci)電(dian)荷(he)經(jing)電(dian)荷(he)放(fang)大(da)器(qi)和(he)測(ce)量(liang)電(dian)路(lu)放(fang)大(da)和(he)變(bian)換(huan)阻(zu)抗(kang)後(hou)就(jiu)成(cheng)為(wei)正(zheng)比(bi)於(yu)所(suo)受(shou)外(wai)力(li)的(de)電(dian)量(liang)輸(shu)出(chu)。壓(ya)電(dian)式(shi)傳(chuan)感(gan)器(qi)用(yong)於(yu)測(ce)量(liang)力(li)和(he)能(neng)變(bian)換(huan)為(wei)力(li)的(de)非(fei)電(dian)物(wu)理(li)量(liang)。它(ta)的(de)優(you)點(dian)是(shi)頻(pin)帶(dai)寬(kuan)、靈敏度高、信噪比高、結構簡單
、工gong作zuo可ke靠kao和he重zhong量liang輕qing等deng。缺que點dian是shi某mou些xie壓ya電dian材cai料liao需xu要yao防fang潮chao措cuo施shi，而er且qie輸shu出chu的de直zhi流liu響xiang應ying差cha
，需xu要yao采cai用yong高gao輸shu入ru阻zu抗kang電dian路lu或huo電dian荷he放fang大da器qi來lai克ke服fu這zhe一yi缺que陷xian。利li用yong壓ya電dian材cai料liao（石英晶體、壓電陶瓷）的壓電效應
，將被測力轉換為與其成正比的電荷量輸出
；

 

石英晶體：性能穩定，動態效應好，機械強度高，線性範圍寬，多用於高精度
，大量程測量，mN-MN.

 

壓電陶瓷：壓電常數遠高於壓電晶體，價格便宜，用途廣泛。

 

主要用於動態測量：

 

 

振弦式力傳感器

 

振弦式傳感器（vibrating wire transducer）是(shi)以(yi)拉(la)緊(jin)的(de)金(jin)屬(shu)弦(xian)作(zuo)為(wei)敏(min)感(gan)元(yuan)件(jian)的(de)諧(xie)振(zhen)式(shi)傳(chuan)感(gan)器(qi)。當(dang)弦(xian)的(de)長(chang)度(du)確(que)定(ding)之(zhi)後(hou)，其(qi)固(gu)有(you)振(zhen)動(dong)頻(pin)率(lv)的(de)變(bian)化(hua)量(liang)即(ji)可(ke)表(biao)征(zheng)弦(xian)所(suo)受(shou)拉(la)力(li)的(de)大(da)小(xiao)，通(tong)過(guo)相(xiang)應(ying)的(de)測(ce)量(liang)電(dian)路(lu)

，就(jiu)可(ke)得(de)到(dao)與(yu)拉(la)力(li)成(cheng)一(yi)定(ding)關(guan)係(xi)的(de)電(dian)信(xin)號(hao)。振(zhen)弦(xian)的(de)固(gu)有(you)振(zhen)動(dong)頻(pin)率(lv)f與拉力T的關係為
，式中l為振弦的長度，ρ為單位弦長的質量。振弦的材料與質量直接影響傳感器的精度、靈敏度和穩定性。鎢絲的性能穩定
、硬度
、熔點和抗拉強度都很高
，是常用的振弦材料。此外，還可用提琴弦、高強度鋼絲、鈦絲等作為振弦材料。振弦式傳感器由振弦、磁鐵
、夾緊裝置和受力機構組成。振弦一端固定
、一端連接在受力機構上。

 

 

早(zao)期(qi)的(de)壓(ya)力(li)傳(chuan)感(gan)器(qi)即(ji)采(cai)用(yong)振(zhen)弦(xian)式(shi)。這(zhe)種(zhong)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)振(zhen)弦(xian)一(yi)端(duan)固(gu)定(ding)，另(ling)一(yi)端(duan)連(lian)結(jie)在(zai)彈(dan)性(xing)感(gan)壓(ya)膜(mo)片(pian)上(shang)。弦(xian)的(de)中(zhong)部(bu)裝(zhuang)有(you)一(yi)塊(kuai)軟(ruan)鐵(tie)
，置(zhi)於(yu)磁(ci)鐵(tie)和(he)線(xian)圈(quan)構(gou)成(cheng)的(de)激(ji)勵(li)器(qi)的(de)磁(ci)場(chang)中(zhong)。激(ji)勵(li)器(qi)在(zai)停(ting)止(zhi)激(ji)勵(li)時(shi)兼(jian)作(zuo)拾(shi)振(zhen)器(qi)
，或(huo)單(dan)設(she)拾(shi)振(zhen)器(qi)。工(gong)作(zuo)時(shi)，振(zhen)弦(xian)在(zai)激(ji)勵(li)器(qi)的(de)激(ji)勵(li)下(xia)振(zhen)動(dong)
，其(qi)振(zhen)動(dong)頻(pin)率(lv)與(yu)膜(mo)片(pian)所(suo)受(shou)壓(ya)力(li)的(de)大(da)小(xiao)有(you)關(guan)。

 

shizhenqizetongguodianciganyinghuoquzhendongpinlvxinhao。zhenxianzhendongdejilifangshiyoujianxieshihelianxushiliangzhong。zaijianxiejilifangshizhong，caiyongzhangchizhendangqigeichujilimaichong
，bingtongguoyigejidianqishixianquantongdian、磁鐵吸住弦上的軟鐵塊。

 

jilimaichongtingzhihou，citiebeisongkai，shizhenxianziyouzhendong。cishizaixianquanzhongjichanshengganyingdianshi，qijiaobianpinlvjiweizhenxiandeguyouzhendongpinlv。lianxujilifangshiyoukefenweidianliufahediancifa。dianliufajiangzhenxianzuoweidengxiaodeLC回路並聯於振蕩電路中
，使電路以振弦的固有頻率振蕩。

 

diancifacaiyonglianggezhuangyouxianquandecitie，fenbiezuoweijilixianquanheshizhenxianquan。shizhenxianquandeganyingxinhaobeifangdahouyousongzhijilixianquanqubuchongzhendongdenengliang。weijianxiaochuanganqifeixianxingduiceliangjingdudeyingxiang，xuyaoxuanzeshizhongdezuijiagongzuopinduanheshezhiyuyingli，huocaiyongzaiganyamodeliangcegesheyigenzhenxiandechadongshijiegou。

 

 

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