机械量概述及力的检测课件.ppt
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1、第第3章章 机械量检测技术机械量检测技术 o3.1 3.1 机械量及其检测技术概述机械量及其检测技术概述o3.2 3.2 力的检测力的检测 o3.3 3.3 压力的检测压力的检测 o3.4 3.4 力矩的检测力矩的检测 o3.5 3.5 位移的检测位移的检测 o3.6 3.6 物位的检测物位的检测 o3.7 3.7 速度、加速度及振动检测速度、加速度及振动检测 o3.8 3.8 流量的检测流量的检测 o3.9 3.9 无损探伤无损探伤 3.1 3.1 机械量及其检测技术概述机械量及其检测技术概述o机械量是表征机械运动的基本物理量。机械量是表征机械运动的基本物理量。o物理学中把物体(固体和流体)
2、位置的变物理学中把物体(固体和流体)位置的变化称为机械运动。化称为机械运动。o广义的机械量包括广义的机械量包括几何量几何量(位移、转角、(位移、转角、厚度、物位、尺寸等)、厚度、物位、尺寸等)、力学量力学量(力、重(力、重量、压力、力矩等)及量、压力、力矩等)及运动量运动量(速度、加(速度、加速度、振动、流量等)等参数。速度、振动、流量等)等参数。机械量检测方法机械量检测方法o按检测原理分类按检测原理分类:o机械式机械式o光学式光学式o电磁式电磁式o辐射式辐射式(1)(1)机械式检测方法机械式检测方法 o是以弹性元件作为传感器的敏感是以弹性元件作为传感器的敏感元件,把被测量的变化转化为弹元件,
3、把被测量的变化转化为弹性元件的形变,即位移的变化,性元件的形变,即位移的变化,这种弹性形变经驱动机构带动表这种弹性形变经驱动机构带动表盘指针偏转,借助刻度指示被测盘指针偏转,借助刻度指示被测量的大小。量的大小。(2)(2)电磁式检测方法电磁式检测方法o是通过传感器敏感元件把被测量是通过传感器敏感元件把被测量的变化直接或间接转化为电路参的变化直接或间接转化为电路参数的变化,经测量电路转化为电数的变化,经测量电路转化为电信号输出。信号输出。o例如:电阻应变传感器、电容传例如:电阻应变传感器、电容传感器感器 、电感传感器、压电传感、电感传感器、压电传感器等。器等。(3)(3)光学式检测方法光学式检测
4、方法 o是将被测量的变化转换成光信号是将被测量的变化转换成光信号的变化,再通过光电转换元件或的变化,再通过光电转换元件或装置转换为电信号进行测量。装置转换为电信号进行测量。o例如光纤传感器测位移是基于位例如光纤传感器测位移是基于位移移-光通量变换原理,光纤光栅光通量变换原理,光纤光栅传感器测应力是基于应力传感器测应力是基于应力-光谱光谱波长变换原理。波长变换原理。(4)(4)辐射式检测方法辐射式检测方法 o是通过传感器将被测量的变化转是通过传感器将被测量的变化转化成辐射能变化,再通过探测元化成辐射能变化,再通过探测元件转化成电量。件转化成电量。o例如利用超声波、例如利用超声波、x x、射线射线
5、测厚及探伤,核辐射传感器测量测厚及探伤,核辐射传感器测量重量、流量、物位等。重量、流量、物位等。3.2 3.2 力的检测力的检测 o力的基本概念力的基本概念o常用检测方法常用检测方法 o应变式力的检测应变式力的检测o压电式力的检测压电式力的检测 3.2.13.2.1力的基本概念力的基本概念o力是物体与物体之间的相互作用,力是物体与物体之间的相互作用,凡是能使物体具有动力效应或静凡是能使物体具有动力效应或静力效应的作用都称为力。力效应的作用都称为力。o动力效应:在外力作用下使受力动力效应:在外力作用下使受力物获得加速度,改变物体的运动物获得加速度,改变物体的运动状态;静力效应:在外力作用下状态;
6、静力效应:在外力作用下使受力物发生弹性形变,在物体使受力物发生弹性形变,在物体内部产生应力。内部产生应力。力的分类力的分类 o按照力产生的性质分按照力产生的性质分 :重力、应力、电磁力、弹性力、惯重力、应力、电磁力、弹性力、惯性力、膨胀力、摩擦力等等性力、膨胀力、摩擦力等等 。o按照力作用效果分按照力作用效果分 :拉力、压力、动力、阻力等。拉力、压力、动力、阻力等。o按随时间的变化性质可分:按随时间的变化性质可分:静态力和动态力静态力和动态力 常用力的测量方法常用力的测量方法检测方法检测方法测量原理测量原理力平衡力平衡法法机械式力平衡法装置机械式力平衡法装置用一个已知力来平衡待测的未知力(杠杆
7、原理)用一个已知力来平衡待测的未知力(杠杆原理)磁电式力平衡装置磁电式力平衡装置位移法位移法电容电容式式力力-位移位移-电容电容测量未知力所引起的弹性元件产生位移(变测量未知力所引起的弹性元件产生位移(变形),从而间接地测得未知力值形),从而间接地测得未知力值电感电感式式力力-位移位移-电感电感频率式频率式振弦振弦式式力力-振动振动-频率频率利用机械振动系统,通过测量振弦弹性体的频利用机械振动系统,通过测量振弦弹性体的频率变化测待测力率变化测待测力物理效物理效应法应法电阻应变效应电阻应变效应力力弹性体应变弹性体应变-电阻变化电阻变化压电效应压电效应力力压电材料压电材料产生电荷产生电荷压磁效应压
8、磁效应力力-铁磁材料铁磁材料导磁率变化导磁率变化霍尔效应霍尔效应力力-半导体材料半导体材料电动势电动势光纤效应光纤效应力力-光纤材料光纤材料光特性变化光特性变化3.2.2 3.2.2 应变式力的检测应变式力的检测o应变式力传感器应变式力传感器-是基于电阻应变是基于电阻应变效应,将被测量的变化转换成传感元效应,将被测量的变化转换成传感元件电阻值的变化,再经过转换电路变件电阻值的变化,再经过转换电路变成电信号输出的测力装置。成电信号输出的测力装置。o主要由应变片、弹性元件和测量电路主要由应变片、弹性元件和测量电路组成。视弹性元件结构形式和受载性组成。视弹性元件结构形式和受载性质不同有许多种类。应变
9、式力传感器质不同有许多种类。应变式力传感器主要用来测量荷重和力。主要用来测量荷重和力。弹性元件弹性元件弹性元件:压力作用下产生弹性变形,弹性元件:压力作用下产生弹性变形,变形大小与被测压变形大小与被测压力有关。力有关。是弹性式压力计的测压敏感元件。是弹性式压力计的测压敏感元件。常用弹性压力计弹性元件:常用弹性压力计弹性元件:主要内容主要内容o电阻应变效应电阻应变效应o应变片结构及分类应变片结构及分类o测量转换电路测量转换电路 o应变式力传感器应变式力传感器 o应变式力传感器应用应变式力传感器应用 (一)电阻应变效应(一)电阻应变效应 o导体或半导体材料在外界力的作导体或半导体材料在外界力的作用
10、下,产生机械变形导致其阻值用下,产生机械变形导致其阻值变化,这种因形变而使阻值发生变化,这种因形变而使阻值发生变化的现象称为应变效应。变化的现象称为应变效应。金属丝拉伸应变效应金属丝拉伸应变效应设有一长为设有一长为L L、横截面积为、横截面积为A A、电阻率为、电阻率为 的金属的金属丝,受拉力丝,受拉力F F作用形变如图:作用形变如图:LRA没有外力作用时没有外力作用时:有外力作用时:有外力作用时:、L、A变化变化 2 LLdRdLddAAAA电阻绝对变化量:o电阻相对变化量为:dRdLddARLAA=r ,dA=2r dr 2 dRdLdrdRLr xydLdrLr令金属丝的轴向应变,金属丝
11、的径向应变yx 为金属材料的泊松比 (12)xdRdR 整理式子得:金属丝的灵敏系数金属丝的灵敏系数 o表示单位应变所引起的电阻的相对变化的大小。表示单位应变所引起的电阻的相对变化的大小。o金属丝的灵敏系数受材料几何尺寸变化和材料电阻率变两金属丝的灵敏系数受材料几何尺寸变化和材料电阻率变两部分因素影响。部分因素影响。o对金属材料,对金属材料,K K值主要由几何尺寸变化(应变效应)所决值主要由几何尺寸变化(应变效应)所决定;定;o对半导体材料,对半导体材料,K K值主要由电阻率相对变化(压阻效应)值主要由电阻率相对变化(压阻效应)所决定。所决定。o实验表明,在金属丝拉伸弹性范围内,电阻相对变化与
12、轴实验表明,在金属丝拉伸弹性范围内,电阻相对变化与轴向应变成正比。向应变成正比。(12)xxdR RdK 令电阻应变测力原理电阻应变测力原理o如果应变片的灵敏度如果应变片的灵敏度K K 和试件的和试件的横截面积横截面积A A以及以及弹性模弹性模量量均为已知,则只要设法测出均为已知,则只要设法测出dR/RdR/R的数值,即可获的数值,即可获知试件受力的大小。知试件受力的大小。o测量时,应变片通过特定工艺粘贴在弹性体或被测试件测量时,应变片通过特定工艺粘贴在弹性体或被测试件上,受力形变,使应变片的阻值变化。上,受力形变,使应变片的阻值变化。xxd RRd RKKR,或由材料力学可知:由材料力学可知
13、:=F/F/(AEAE)所以所以dR/RdR/R又可表示为:又可表示为:而:而:d RFKKRA E(二)应变片结构及分类(二)应变片结构及分类 o常用种类:金属电阻应变片和半导体应变片。常用种类:金属电阻应变片和半导体应变片。o应变片结构:一般主要由敏感栅、基底、覆盖层、引线、应变片结构:一般主要由敏感栅、基底、覆盖层、引线、粘贴剂等组成。粘贴剂等组成。1-引线 2-覆盖层 3-基底 4-电阻丝(敏感栅)分类分类敏感栅工艺敏感栅工艺特点特点金金属属电电阻阻应应变变片片金属丝应变金属丝应变片片敏 感 栅 由 直 径 约 为敏 感 栅 由 直 径 约 为0.025mm0.025mm具有高电阻率具
14、有高电阻率的金属丝绕制成的金属丝绕制成结构简单,价格低,强度高,结构简单,价格低,强度高,但允许通过的电流较小,测但允许通过的电流较小,测量精度较低,适用于测量要量精度较低,适用于测量要求不很高的场合使用。求不很高的场合使用。金属箔应变金属箔应变片片敏感栅是金属箔通过敏感栅是金属箔通过光刻、腐蚀等工艺制光刻、腐蚀等工艺制成。箔栅厚度一般在成。箔栅厚度一般在0.003-0.01mm0.003-0.01mm之间之间接触面积大,接触面积大,散热性好,允散热性好,允许通过较大的电流。由于它许通过较大的电流。由于它的厚度薄,应力传递性能好,的厚度薄,应力传递性能好,灵敏度系数较高,灵敏度系数较高,目前广
15、泛目前广泛用于各种应变式传感器中。用于各种应变式传感器中。金属薄膜应金属薄膜应变片变片采用真空蒸镀等扩散采用真空蒸镀等扩散等方法,在基底上形等方法,在基底上形成金属电阻材料薄膜成金属电阻材料薄膜这种应变片有较高的灵敏度这种应变片有较高的灵敏度系数,允许电流密度大,工系数,允许电流密度大,工作温度范围较广作温度范围较广半半导导体体电电阻阻应应变变片片体型应变体型应变片片将半导体材料硅或锗将半导体材料硅或锗晶体按一定方向切割晶体按一定方向切割成的片状小条,经腐成的片状小条,经腐蚀压焊粘贴在基片上蚀压焊粘贴在基片上而成的应变片而成的应变片扩散型应扩散型应变片变片将将P P型杂质扩散到型杂质扩散到N
16、N型型硅单晶基底上,形成硅单晶基底上,形成一层极薄的一层极薄的P P型导电型导电层,再通过超声波和层,再通过超声波和热压焊法接上引出线热压焊法接上引出线就形成了扩散型半导就形成了扩散型半导体应变片。体应变片。薄膜型应薄膜型应变片变片利用真空沉积技术将利用真空沉积技术将半导体材料沉积在带半导体材料沉积在带有绝缘层的试件上而有绝缘层的试件上而制成制成半导体应变片结构半导体应变片结构 优点:应变灵灵敏系数大,体积小优点:应变灵灵敏系数大,体积小;,机械滞后小,机械滞后小,阻值范围大,横向效应小等特点,主要用于测量应阻值范围大,横向效应小等特点,主要用于测量应力分布。力分布。缺点:温度稳定性和可重复性
17、不如金属应变片。缺点:温度稳定性和可重复性不如金属应变片。(三)测量转换电路(三)测量转换电路 o测量时,为了将电阻应变式传感测量时,为了将电阻应变式传感器的微小电阻变化转换成电压或器的微小电阻变化转换成电压或电流信号,在应用中一般采用电电流信号,在应用中一般采用电桥电路作为其测量电路,并通过桥电路作为其测量电路,并通过后续的放大器仪表进行放大,再后续的放大器仪表进行放大,再传输给处理电路(通常是传输给处理电路(通常是A/DA/D转转换和换和CPUCPU)显示或执行机构。)显示或执行机构。(1 1)基本测量电桥)基本测量电桥 o电桥的输出表达式:32413212341234oiiRR RR R
18、RUUURRRRRRRR测量前:测量前:o电桥投入测量之前:Ri=0o满足电桥的平衡条件:R1R3=R2R4o此时电桥输出电压:UO=0测量时:测量时:o电桥投入测量之后,Ri0,Ri=Ri+Ri。o此时电桥输出电压为:22441133011223344()()()()iRRRRRRRRUURRRRRRRR把把R1R3=R2R4代入式代入式整理得整理得:3211240211234/()(1)2(1/)iRRRRRRUn URRRRRR21314221412311/1()nRRRRRRRRRRRR因RiRi,所以n0。o可见,测量电桥能将R/R的变化转化为电压信号,电桥输出电压U0的大小与各桥臂
19、电阻的变化近似为线性关系。o若相邻两桥臂电阻变化同向,则所产生的电桥输出电压的变化相互抵消;o若相邻两桥臂电阻变化反向,则所产生的电桥输出电压的变化相互迭加。3211240211234/()2(1/)iRRRRRRUURRRRRR当R1=R2=R3=R4(初始值)时,则:3124012341()4iRRRRUURRRR(2 2)应变测量电桥)应变测量电桥 单臂桥工作单臂桥工作半桥工作(双臂桥)半桥工作(双臂桥)全桥工作(四臂桥)全桥工作(四臂桥)011.44iiRUUk UR(a a)单臂桥)单臂桥 (b b)半桥)半桥 (c c)全桥)全桥为了便于分析,一般都取为了便于分析,一般都取R1=R
20、2=R3=R4=RR1=R2=R3=R4=R,称之为等臂桥,称之为等臂桥 011.22iiRUUk UR0.iiRUUk UR结论:结论:单臂工作输出信号最小,单臂工作输出信号最小,双臂输出是单臂的两倍,双臂输出是单臂的两倍,全桥工作时的输出是单臂全桥工作时的输出是单臂时的四倍。因此,为了得时的四倍。因此,为了得到较大灵敏度一般都采用到较大灵敏度一般都采用双臂或全桥工作双臂或全桥工作。o应变片的布片要尽量接成差动测量电桥,即相应变片的布片要尽量接成差动测量电桥,即相邻桥臂所接的应变片承受相反应变,相对桥臂邻桥臂所接的应变片承受相反应变,相对桥臂所接的应变片承受相同应变。所接的应变片承受相同应变
21、。o采用双臂或全桥另一个好处是能实现温度自动采用双臂或全桥另一个好处是能实现温度自动补偿功能,当工作环境温度变化时,桥臂上应补偿功能,当工作环境温度变化时,桥臂上应变片温度同时变化,温度引起的电阻值变化一变片温度同时变化,温度引起的电阻值变化一致,可以相互抵消,输出电压信号不受温度影致,可以相互抵消,输出电压信号不受温度影响,只反映被测力的大小响,只反映被测力的大小。(四)应变式力传感器(四)应变式力传感器 o应变式传感器中,敏感元件一般为各种弹性体,应变式传感器中,敏感元件一般为各种弹性体,传感元件就是应变片。传感元件就是应变片。o根据所用的弹性元件结构不同根据所用的弹性元件结构不同,主要有
22、柱式力传主要有柱式力传感器、环式力传感器、悬臂梁式传感器。测力感器、环式力传感器、悬臂梁式传感器。测力范围为范围为1010-3-310108 8N N,精度可达,精度可达0.03%0.03%。o应变式压力传感器有明显的温漂和时漂,但是应变式压力传感器有明显的温漂和时漂,但是它的优点是相应速度快,一般用于动态压力检它的优点是相应速度快,一般用于动态压力检测测应变片布片与组桥原则应变片布片与组桥原则1)应有相同数目的应变片布置在弹性元应有相同数目的应变片布置在弹性元件上具有正、负极性的应变区;件上具有正、负极性的应变区;2)2)应变片应布置在弹性元件上应力最大应变片应布置在弹性元件上应力最大的位置
23、,同时注意该处不受非待测力的位置,同时注意该处不受非待测力的干扰和影响;的干扰和影响;3 3)利用电桥和差特性选择适当的接桥)利用电桥和差特性选择适当的接桥方式,使电桥输出最大及具有温度补方式,使电桥输出最大及具有温度补偿能力。偿能力。(1)(1)柱式力传感器柱式力传感器 0(1)2ikUFAEU特点:结构紧凑,承载力大,特点:结构紧凑,承载力大,适合测量中等荷载压力适合测量中等荷载压力(2 2)梁式力传感器)梁式力传感器 (a a)等强度梁力传感器等强度梁力传感器 2006Eb h UFK L U弹性元件为一种特殊形式的弹性元件为一种特殊形式的悬臂梁,梁的宽度沿长度悬臂梁,梁的宽度沿长度L方
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