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          采用應變傳感器進行力測量的優勢和劣勢

          日期: 2018-06-06
          瀏覽次數: 87


          ? ? 本文首先介紹了應變傳感器工作原理、組成及優點,其次介紹了采用應變傳感器進行力測量的優勢和劣勢,最后介紹了四種常用的應變傳感器。


          應變傳感器工作原理

          ? ??應變式傳感器是利用電阻應變片將應變轉換為電阻變化的傳感器,傳感器由在彈性元件(感知應變)上粘貼電阻應變敏感元件(將應變轉換為電阻變化)構成。當被測物理量作用在彈性元件上時,彈性元件的變形引起敏感元件的阻值變化,通過轉換電路將其轉變成電量輸出,電量變化的大小反映了被測物理量的大小。應變式傳感器可以測量應變應力、彎矩、扭矩、加速度、位移等物理量。

          ? ??應變是物體在外部壓力或拉力作用下發生變形的現象,當外力去除后物體又能完全恢復其原來的尺寸和形狀的應變稱為彈性應變,具有彈性應變特性的物體稱為彈性元件。電阻應變片的工作原理是基于應變效應,即在導體產生機械變形時,它的電阻值相應發生變化。 

           

          應變式傳感器組成

          (1)敏感柵敏感柵是應變片的核心部分,感受應變,并將應變轉變為電阻的變化。敏感柵有絲式、箔式和薄膜式3種。

          (2)基底基底是將傳感器彈性體表面的應變傳遞到電阻絲柵上的中間介質,并起到電阻絲與彈性體之間絕緣和保護的作用。基片的絕緣性要好,否則,應變片的微小變化就要漏掉。基底一般由薄紙、膠質膜等組成。

          (3)粘結劑粘結劑用于敏感柵與基底、基底與試件、基底與覆蓋層之間的粘結。

          (4)覆蓋層覆蓋層具有保護應變片的作用,同時防濕、防腐蝕和除塵。

          (5)引線引線用于連接電阻絲與測量電路,輸出電參量。


          應變式傳感器優點

          1、分辨力高,能測出極微小的應變,如1-2微應變;

          2、誤差較小,一般小于1%

          3、尺寸小、重量輕。

          4、測量范圍大,從彈性變形一直可測至塑性變形(1-2%),最大可達20%

          5、既可測靜態,也可測快速交變應力;

          6、具有電氣測量的一切優點,如測量結果便于傳送、記錄和處理;

          7、能在各種嚴酷環境中工作。如從宇宙真空至數千個大氣壓;從接近絕對零度低溫至近1000℃高溫;離心加速度可達數十萬個“g”;在振動、磁場、放射性、化學腐蝕等條件下,只要采取適當措施,亦能可靠地工作;

          8、價格低廉、品種多樣,便于選擇和大量使用。


          采用應變傳感器進行力測量的優勢和劣勢

          優勢

          1、與力傳感器相比,應變傳感器的價格要低得多,尤其與大力值傳感器相比。

          2、應變傳感器不會影響系統的剛度。因此,機器的動態特性不會受到影響。

          3、大力值傳感器需要一定的空間來進行安裝。這意味著,測量系統的整體結構將會產生改變。

          劣勢

          1、與力傳感器相比,應變傳感器的精度要低得多。

          2、應變傳感器在安裝后需要進行校準,校準過程中需要一個力傳感器,例如?C6A等。然后進行信號比對,來將應變轉化為力值。當然也可采用一個已知重量的物體進行校準。顯然,應變傳感器的精度不可能超過校準過程的精度。


          常用的應變傳感器

          1、膜片式

          它的彈性敏感元件為周邊固定圓形金屬平膜片。膜片受壓力變形時,中心處徑向應變和切向應變均達到正的最大值,而邊緣處徑向應變達到負的最大值,切向應變為零。因此常把兩個應變片分別貼在正負最大應變處,并接成相鄰橋臂的半橋電路以獲得較大靈敏度和溫度補償作用。采用圓形箔式應變計(見電阻應變計)則能最大限度地利用膜片的應變效果。這種傳感器的非線性較顯著。膜片式壓力傳感器的最新產品是將彈性敏感元件和應變片的作用集于單晶硅膜片一身,即采用集成電路工藝在單晶硅膜片上擴散制作電阻條,并采用周邊固定結構制成的固態壓力傳感器(見壓阻式傳感器)。

          2、應變管式

          又稱應變筒式。它的彈性敏感元件為一端封閉的薄壁圓筒,其另一端帶有法蘭與被測系統連接。在筒壁上貼有2片或4片應變片,其中一半貼在實心部分作為溫度補償片,另一半作為測量應變片。當沒有壓力時4片應變片組成平衡的全橋式電路;當壓力作用于內腔時,圓筒變形成“腰鼓形”,使電橋失去平衡,輸出與壓力成一定關系的電壓。這種傳感器還可以利用活塞將被測壓力轉換為力傳遞到應變筒上或通過垂鏈形狀的膜片傳遞被測壓力。應變管式壓力傳感器的結構簡單、制造方便、適用性強,在火箭彈、炮彈和火炮的動態壓力測量方面有廣泛應用。

          3、應變梁式

          測量較小壓力時,可采用固定梁或等強度梁的結構。一種方法是用膜片把壓力轉換為力再通過傳力桿傳遞給應變梁。兩端固定梁的最大應變處在梁的兩端和中點,應變片就貼在這些地方。這種結構還有其他形式,例如可采用懸梁與膜片或波紋管構成。

          4、組合式

          在組合式應變壓力傳感器中,彈性敏感元件可分為感受元件和彈性應變元件。感受元件把壓力轉換為力傳遞到彈性應變元件應變最敏感的部位,而應變片則貼在彈性應變元件的最大應變處。實際上較復雜的應變管式和應變梁式都屬于這種型式。感受元件有膜片、膜盒、波紋管、波登管等,彈性應變元件有懸臂梁、固定梁、Π形梁、環形梁、薄壁筒等。它們之間可根據不同需要組合成多種型式。應變式壓力傳感器主要用來測量流動介質動態或靜態壓力,例如動力管道設備的進出口氣體或液體的壓力、內燃機管道壓力等等。


          采用應變傳感器進行力測量的優勢和劣勢




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