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。

 

應ying變bian片pian的de布bu置zhi和he接jie橋qiao方fang式shi，對dui於yu提ti高gao傳chuan感gan器qi的de靈ling敏min度du和he消xiao除chu有you害hai因yin素su的de影ying響xiang有you很hen大da關guan係xi。根gen據ju電dian橋qiao的de加jia減jian特te性xing和he彈dan性xing元yuan件jian的de受shou力li性xing質zhi，在zai貼tie片pian位wei置zhi許xu可ke的de情qing況kuang下xia，可ke貼tie4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），為wei便bian於yu粘zhan貼tie應ying變bian片pian和he減jian小xiao由you於yu載zai荷he偏pian心xin或huo側ce向xiang分fen力li引yin起qi的de彎wan曲qu影ying響xiang，同tong時shi為wei了le提ti高gao靈ling敏min度du，多duo采cai用yong空kong心xin柱zhu體ti。四si個ge應ying變bian片pian粘zhan貼tie的de位wei置zhi和he方fang向xiang應ying保bao證zheng其qi中zhong兩liang片pian感gan受shou縱zong向xiang應ying變bian，另ling外wai兩liang片pian感gan受shou橫heng向xiang應ying變bian（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、輻fu條tiao和he應ying變bian片pian組zu成cheng。輻fu條tiao成cheng對dui且qie對dui稱cheng地di連lian接jie輪lun圈quan和he輪lun軲gu，當dang外wai力li作zuo用yong在zai輪lun軲gu上shang端duan麵mian和he輪lun軲gu下xia端duan麵mian時shi，矩ju形xing輻fu條tiao就jiu產chan生sheng平ping行xing四si邊bian形xing變bian形xing，如ru圖tu2（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。

 

yacishilichuanganqideshuchudianshibijiaoda，tongchangbubizaifangda，zhiyaojingguolvbozhengliuhoujiukezhijieshuchu，danyaoqiuyouyigewendingdejicidianyuan。yacishilichuanganqikecelianghendadeli
，kangguozainengliqiang，nengzaielietiaojianxiagongzuo。danpinlvxiangyingbugao（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)。

 

拾shi振zhen器qi則ze通tong過guo電dian磁ci感gan應ying獲huo取qu振zhen動dong頻pin率lv信xin號hao。振zhen弦xian振zhen動dong的de激ji勵li方fang式shi有you間jian歇xie式shi和he連lian續xu式shi兩liang種zhong。在zai間jian歇xie激ji勵li方fang式shi中zhong
，采cai用yong張zhang弛chi振zhen蕩dang器qi給gei出chu激ji勵li脈mai衝chong
，並bing通tong過guo一yi個ge繼ji電dian器qi使shi線xian圈quan通tong電dian
、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。

 

電dian磁ci法fa采cai用yong兩liang個ge裝zhuang有you線xian圈quan的de磁ci鐵tie
，分fen別bie作zuo為wei激ji勵li線xian圈quan和he拾shi振zhen線xian圈quan。拾shi振zhen線xian圈quan的de感gan應ying信xin號hao被bei放fang大da後hou又you送song至zhi激ji勵li線xian圈quan去qu補bu充chong振zhen動dong的de能neng量liang。為wei減jian小xiao傳chuan感gan器qi非fei線xian性xing對dui測ce量liang精jing度du的de影ying響xiang，需xu要yao選xuan擇ze適shi中zhong的de最zui佳jia工gong作zuo頻pin段duan和he設she置zhi預yu應ying力li，或huo采cai用yong在zai感gan壓ya膜mo的de兩liang側ce各ge設she一yi根gen振zhen弦xian的de差cha動dong式shi結jie構gou。

 

 

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