力传感器

力传感器力传感器主要用于两个方面：测力和称重。压力是自动化生产过程中的重要工艺参数。电子秤、汽车、机床、桥梁监测都需要力传感器。化纤厂、化肥厂、炼油厂的压力储罐压力传感器提供控制依据。钢丝绳测力传感器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片。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号。实现了力的检测。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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特性：刚度、灵敏度、弹性滞后、弹性后效、固有振荡频率弹性敏感元件的分类弹性敏感元件的分类变换力的弹性敏感元件变换压力的弹性敏感元件电阻应变式传感器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。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。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导体或半导体材料在外力作用下伸长或缩短时，它的电阻值相应地发生变化，这一物理现象称为电阻应变效应（简称应变效应）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，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。.LRS电阻应变片分为金属电阻应变片和半导体应变片两大类。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，粘贴在厚度约为15-16μm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。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。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），也可以感受压缩的力（压力，负应变）。例如圆柱形拉力传感器。R1、R2、R3、R4是四个完全相同的应变片，R1、R4竖粘，为轴向贴片，感受拉伸，正应变；R2、R3横粘，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：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。第二种是将应变片贴于弹性元件上，与弹性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、加速度等物理参数。2020/2/24半导体应变片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。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。基片晶片带状引线P-SiN-Si电阻应变式传感器的测量电路应变电阻变化是极其微弱的，电阻相对变化率仅为0.2%左右。例如：应变电阻为300Ω，电阻变化量为0.6Ω，要精确地测量这么微小的电阻变化是非常困难的。通常采用惠斯登电桥电路进行测量，将电阻相对变化△R/R，转换为电压的变化，再用测量仪表应变式传感器测量电路便可以简单方便地进行测量。R1，R2，R3，R4为四个桥臂的电阻，电桥的供电电压为U，电桥输出电压为Uo。当四个桥臂的初始电阻满足R1/R2=R3/R4时，桥路输出电压为Uo零，即桥路平衡。在被测物体未施加作用力时，应变为零，应变电阻没有变化。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？1．单臂半桥电桥电路2020/2/24R1为应变片，其余各桥臂电阻为固定电阻，其输出有：1144oRUUUKR2020/2/24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：E上式中σ为应力；E为弹性系数或杨氏模量，不同的材料有固定的杨氏模量。2．双臂半桥电桥电路2020/2/24R1、R2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。121212()()44oRRUUUKRR141414()()44oRRUUUKRR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。以上二种连接方法都可以做到：在前图中使R1为正应变，R2为负应变；在后图中R1、R2同为正应变或负应变。2020/2/2422oURUUKR在实际工程中更多采用前者，R1、R2分别为正、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，可以将应变片的温度误差和非线性误差相互减去、抵消，提高测量精度。3．全桥电桥电路2020/2/24电桥的四臂全部接入应变片称为全桥电桥电路。若四片应变片完全相同，其中R1、R4感应正应变；R2、R3感应负应变。oRUUUKR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相反，否则上式不成立。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。五、应变片的粘贴应变片的粘贴工艺步骤2020/2/242020/2/24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:用于应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），电阻丝或应变片引线，接线端子，电缆，焊锡和助焊剂等。2020/2/24[任务实施]方案一：测量、控制起重设备吊运货物的重量，可以采用在吊钩的圆柱壁上粘贴应变片的方法，检测起吊重量。2020/2/24测量吊运货物的重量，量程较大，一般在吊钩的圆柱壁上横竖各粘贴一片应变片，组成双臂半桥电路。2020/2/24为应变电桥提供±2V稳压电源，电桥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的大小，即重力。也可以使用应变片专用测量仪—电阻应变仪进行检测。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。长期使用时，零点漂移大，需要在使用前调节零点。2020/2/24方案二：在本课题中也可以直接采用电子吊秤的方法（课题二介绍）。购买电子吊秤接在起重设备下，可实现货物在线装卸测量、在线称重，随时改变称量地点，可实现分次分批称重，提高效率，但成本较高。2020/2/24课题二电子秤[任务导入]某生产线上要安装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，再由微机控制各阀门工作。2020/2/24电子秤的料箱先复位，电磁线圈1通电，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，装料的箱子或袋子沿传送带运动，传送到装有物料的电子秤正下方，停止运动，电磁线圈2通电，电子秤料斗翻转，使料全部倒入箱子或袋子中，然后传送带马达再次通电，将装满料的箱子或袋子移出，完成任务。2020/2/242020/2/24◆知识点¤了解电子秤的基本结构¤学习电子秤的测量方法与适用范围◆技能点¤掌握称重传感器的选用与使用了解2020/2/24[相关知识]用于测量物体重量（质量）的电子装置称为电子秤。与机械秤相比，它不仅可以测量物体重量，还可以将采集的数据传送到数据处理中心，作为在线测量或自动控制的依据。2020/2/24一、电子秤结构电子秤的种类很多，如家用的小量程电子秤、健康秤，适合便利店、超市、大卖场等场所使用条码秤、计价秤、计重秤、收银秤，广泛应用于仓库、车间、货场、集贸市场、工地等场所使用的电子平台秤，适用于吊装物料称量的吊钩秤，应用于港口、仓储、工厂、货场的电子汽车衡等。2020/2/24电子秤的核心是称重传感器，主要由称重传感器、放大电路、A/D转换电路、显示或控制电路组成。2020/2/24称重传感器感受被测物体的重量，输出一个小信号，经过放大电路，成为电信号，通过A/D转换电路转换成数字信号，用于显示或控制。有的电子秤还增加了智能控制、自动补偿等功能。电子秤的承重结构的种类很多，常见到有独梁承重、四脚承重。2020/2/242020/2/24二、称重传感器称重传感器是工业测量中使用较多的一种传感器，它是电子秤的敏感重力的敏感元件，几乎运用到了所有的称重领域。称重传感器的量程从几克到几百吨。称重传感器根据制造原理不同可分为应变式、感应式、电容式、振弦式等，其中应变式称重传感器在电子称重系统中应用最广泛。2020/2/242020/2/24电阻应变式称重传感器由弹性元件、应变片和外壳组成。弹性元件是称重传感器的基础，被测物的重量作用在弹性元件上，使其在某一部位产生较大的应变或位移；弹性元件上的应变片作为传感元件，将弹性元件敏感的应变量或位移完全地同步地转换为电阻值的变化量，转换成电信号，完成了重力的测量。2020/2/241．应变式称重传感器的工作原理传感器弹性元件一般是由优质合金钢材、有色金属铝、铍青铜等材料加工成型，其外形结构多种多样。根据被测量的大小及受力方式不同，选择不同结构的弹性元件。常见的有柱式、悬臂梁式、环式、轮辐式等，2020/2/24根据传感器弹性元件的结构不同，称重传感器分为柱式、悬臂梁式、环式、轮辐式等。不同结构的传感器量程范围、安装形式、适用场所也不尽相同。应变式称重传感器主要用于测量力、荷重和扭矩。2．应变式称重传感器种类2020/2/24（1）柱式称重传感器这种传感器的特性是结构简单紧凑、易于加工，可设计成压式或拉式的，或拉、压两用型，并可承受很大的载荷。其缺点是灵敏度低、精度低等。适用于大、中量程的传感器（1t～500t）。2020/2/242020/2/24在圆棒中央打孔，在孔内粘贴4个应变片。当其在集中载荷作用下，四个应变片位置可获得应变相等而方向不同的应变。这样输出灵敏度高、线性好；受力状态稳定、结构简单、易于加工、可制成拉、压两用型。该种传感器宜制作中、小量程（0.5t～50t）的称重（测力）传感器。（2）柱环式称重力传感器2020/2/24传感器的弹性元件为双孔平行梁式弹性元件，应变片贴在弹性元件的最薄处。由于弹性体成平行四边形，其输出不受力作用点位置变动的影响。该结构一般适用于小量程称重传感器（500g～500kg）。（3）悬臂梁式称重传感器2020/2/24还有一种常用的称重传感器的弹性元件是双梁式弹性元件。在上下梁的端部，加工成弧形截面，应变片贴在应变梁的最薄处，这样可提传感器的输出灵敏度。该种结构形式受力状态稳定，一般适用于数百克到100kg的称重传感器，精度可达0.01%。2020/2/24环式称重传感器的载荷的作用点和支持点在同一轴线上，受力状态稳定。称重时，利用其弯曲变形，产生信号。由于存在零弯矩区，力作用点变化对输出的影响小。这种结构形式一般适用5kg～5t的称重传感器，精度可达0.02%。（4）环式称重传感器2020/2/24轮辐式称重传感器主要由五个部分组成：轮轱、轮圈、轮辐条、受拉和受压应变片。轮轱由顶端的钢球传递重力。当外力F作用在轮轱上端和轮圈下面时，矩形轮辐条产生平行四边形变形。这种结构形式过载能力很强，线性测量范围比较宽。一般适用5t～50t的称重传感器。（5）轮辐式称重传感器三、称重传感器选择方法1．环境因素（1）对于高温环境下工作的传感器除了可采用耐高温传感器，还必须加有隔热、水冷或气冷等冷却装置。（2）粉尘、潮湿对传感器造成短路的影