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1项目剖析与目标工程机械电液控制技术的关键问题有两个：一是“软件”研究，即各种控制技术理论的研究，它包括计算机参数与各种控制方法，如程序的研究；二是“硬件”的开发研制，即将电子与液压技术有机地融合在一起的电液控制元器件，以及相应的检测、反馈、转换、放大元件等。项目1工程机械常用电液控制元件的应用与检修2传感器是能够感受到被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号表达的器件或装置。“可用信号”指的是适于处理和传输的电信号等，因此可把传感器狭义地定义为：能把外界非电信息按一定规律转换成电信息输出的器件或装置。。任务2．1工程机械检测元件的选择与应用3任务描述传感器是能感受规定的被测量并按一定规律转换成可用输出信号的器件或装置，主要用于检测机电一体化系统自身与操作对象、作业环境状态，为有效控制机电一体化系统的运作提供必需的相关信息。随着人类探知领域和空间的拓展，电子信息种类日益繁多，信息传递速度日益加快，信息处理能力日益增强，相应的信息采集———传感技术也将日益发展，传感器也将无所不在。4任务分析检测传感器原理：传感器工作时所依据的物理效应、化学反应和生物反应等机理，各种功能材料则是传感技术发展的物质基础。传感技术的研究和开发不仅要求原理正确，选材合适，而且要求有先进，高精度的加工装配技术。除此之外，传感技术还包括如何更好的把传感元件用于各个领域的所谓传感器软件技术，如标定以及接口技术等。5【知识准备】工程机械常用传感器结构与工作原理1.位移与扭矩传感器的基本构造与工作原理１）位移传感器位移传感器又称为线性传感器，它分为电感式位移传感器、电容式位移传感器、光电式位移传感器、超声波式位移传感器、霍尔式位移传感器等。（１）电感式位移传感器电感式位移传感器是一种属于金属感应的线性器件。接通电源后，在开关的感应面将产生一个交变磁场，当金属物体接近此感应面时，金属中则产生涡流而吸取了振荡器的能量，使振荡器输出幅度线性衰减，然后根据衰减量的变化来完成无接触检测物体的目的。6（２）电容式位移传感器以电容器为敏感元件，将机械位移量转换为电容量变化的传感器称为电容式位移传感器。电容传感器的形式很多，常使用变极距式电容传感器和变面积式电容传感器进行位移测量。①变极距式电容传感器空气介质变极距式电容传感器的工作原理图，如图２．１所示。图中一个电极板固定不变，称为固定极板，另一极板间距离ｄ响应变化，从而引起电容量的变化。78910（３）光电式位移传感器是一种基于光电效应的传感器，在受到可见光照射后即产生光电效应，将光信号转换成电信号输出。它除能测量光强之外，还能利用光线的透射、遮挡、反射、干涉等测量多种物理量，如尺寸、位移、速度、温度等，因而是一种应用极广泛的重要敏感器件。（４）超声波式位移传感器超声波是一种在弹性介质中的机械振荡，有两种形式：横向振荡（横波）和纵向振荡（纵波）。在工业中应用主要采用纵向振荡。超声波可以在气体、液体及固体中传播，其传播速度不同。11（５）霍尔式位移传感器霍尔元件作为测量系统或自动控制系统中的变换元件或计算元件得到了广泛应用。霍尔式位移传感器的突出优点是输出变化量大、灵敏度高、分辨率高、质量轻、惯性小、反应速度快。霍尔元件的频响范围宽，适合作动态位移测试。1213２）扭矩传感器的基本结构和工作原理传感器扭矩测量采用应变电测技术。在弹性轴上粘贴应变计组成测量电桥，当弹性轴受扭矩产生微小变形后引起电桥电阻值变化，再转变为电信号的变化从而实现扭矩测量。图２．６为扭矩传感器的结构图。14152.振动传感器的基本构造与工作原理１）传感器的机械接收原理振动传感器是测试技术中的关键部件之一，它的作用主要是将机械量接收下来，并转换为与之成比例的电量。由于它也是一种机电转换装置。所以我们有时也称它为换能器、拾振器等。２）相对式机械接收原理把仪器固定在不动的支架上，使触杆借助弹簧与被测物体表面接触，并随物体一同振动，同时推动记录笔在移动的纸带上描绘出振动物体的位移随时间变化的曲线，即可计算出位移大小和频率。16３）惯性式机械接收原理将测振仪直接固定在被测振动物体的测点上，当传感器外壳随被测振动物体运动时，由弹性支承的惯性质量块将与外壳发生相对运动，则装在质量块上的记录笔就可记录下惯性质量块与外壳的相对振动位移幅值，即可求出被测物体的绝对振动位移波形。４）振动传感器的机电变换原理压电式、压阻式、电容式、电感式、光电式。可测量：位移、速度、加速度、力、应变、扭振、扭矩173.应变、力和扭矩传感器的基本构造与工作原理１）电阻应变片的结构和工作原理以电阻应变片作为传感元件，将其牢固地粘贴在构件的测点上，构件受力后由于测点发生应变，应变片也随之变形而使应变片的电阻发生变化，再由专用仪器测得应变片的电阻变化大小，并转换为测点的应变值。（１）应变片的结构现以丝绕式应变片为例说明。丝绕式应变片的结构如图２．７所示，它以直径为０．０２５ｍｍ左右的、高电阻率的合金电阻丝２，绕成形如栅栏的敏感栅。1819（2）电阻—应变特性由物理学可知，金属丝的电阻为202122（3）电阻应变片的横向效应将直的金属丝绕成敏感栅之后，虽然长度相同，但应变状态不同，应变片敏感栅的电阻变化较直的金属丝小，因而灵敏系数有所降低，这种现象称为应变片的横向效应。23（4）电阻应变片的种类、材料和参数①电阻应变片的种类电阻应变片的种类繁多，分类方法各异，几种常见的应变片及其特点介绍如下。A.丝式应变片a.回线式应变片回线式应变片是将电阻丝绕制成敏感栅粘贴在各种绝缘基底上而制成的，是一种常用的应变片，基底很薄（一般在0.03mm左右），粘贴性能好，能保证有效地传递变形，引线多用0.15~0.30mm直径的镀锡铜线与敏感栅相连，如图2.9（a）所示。24b.短接式应变片敏感栅平行安放，两端用直径比栅丝直径大5~10倍的镀银丝短接而构成。如图2.9（b）所示。25B.箔式应变片利用照相制版或光刻腐蚀的方法，将箔材在绝缘基底下制成各种图形而成。图2.10为常见的几种箔式应变片形式，在常温条件下，已逐步取代了线绕式应变片。26C、半导体应变片根据压阻效应，半导体可以把应变转换成电阻的变化。优点是灵敏系数大；缺点是灵敏系数和温度稳定性差。2728②电阻应变片的材料A.敏感栅材料，要求：a.灵敏系数和电阻率要尽可能高而稳定，电阻变化率与机械应变之间应具有良好而宽广的线性关系；b.电阻温度系数小，电阻-温度间的线性关系和重复性好；c.机械强度高，碾压及焊接性能好，与其他金属之间接触热电势小；d.抗氧化、耐腐蚀性能强，无明显机械滞后。敏感栅常用的材料有康铜、镍铬合金、铁铬铝合金、铁镍铬合金、贵金属（铂、铂钨合金等）材料等。29B.应变片基底材料应变片基底材料有纸和聚合物两大类，纸基逐渐被胶基取代，胶基是由环氧树脂、酚醛树脂和聚酰亚胺等制成胶膜，厚约0.03~0.05mm。C.引线材料康铜丝敏感栅应变片，引线采用直径为0.05~0.18mm的银铜丝，采用点焊焊接。其他类型敏感栅多采用直径与上述相同的铬镍、卡玛、铁铬铝金属丝作为引线，与敏感栅点焊相接。30③应变片的主要工作参数A.应变片的尺寸敏感栅两端转向处之间的距离称为标距L。电阻丝式L一般为5～180mm，箔丝的一般为0.3～180mm。敏感栅的横向尺寸称为栅宽以b表示。小栅长的应变片对制造要求高，对粘贴的要求亦高，且应变片的蠕变、滞后及横向效应也大。B.应变片的电阻值应变片没有安装且不受力的情况下，在室温时测定的电阻值。应变片的标准名义电阻值通常为60，120，350，500，1000Ω5种。用得最多的为120和350Ω两种。31C.机械滞后对已安装的应变片，在恒定的温度环境下，加载和卸载过程中同一载荷下指示应变的最大差数，称为机械滞后。D.热滞后对已安装的应变片不受外力作用，在室温与极限工作温度之间增加或减少温度，同一温度下指示应变的差数，称为热滞后。这主要由黏结层的残余应力、干燥程度、固化速度和屈服点变化等引起。E.零点漂移对已安装的应变片，在温度恒定、试件不受力的条件下，指示应变随时间的变化称为零点漂移，这是由于应变片的绝缘电阻过低及通过电流而产生热量等原因造成。32F.蠕变G.应变极限H.绝缘电阻I.疲劳寿命J.最大工作电流允许通过应变片而不影响其工作特性的最大电流值，称为最大工作电流。该电流和外界条件有关，一般为几十毫安，箔式应变片有的可达500mA。33④应变片的粘贴A.应变片的工作情况试件表面的变形（应变）是通过胶层、基底以剪力的形式传给电阻丝的，如图2.12所示。B.黏合剂在测试被测量时，黏合剂所形成的胶层起着非常重要的作用，应准确无误地将试件或弹性元件的应变传递到应变片的敏感栅上去。C.应变片粘贴工艺质量优良的电阻应变片和黏合剂，只有在正确的粘贴工艺基础上才能得到良好的测试结果，因此正确的粘贴工艺对保证粘贴质量，提高测试精度关系很大。3435D.修整应变片a.对没有标出中心线标记的应变片，应在其基底上标出中心线；b.如有需要，应对应变片的长度和宽度进行修整，但修整后的应变片不可小于规定的最小长度和宽度；c.对基底较光滑的胶基应变片，可用细沙将基底轻轻的稍许打磨，并用溶剂洗净。E.试件表面处理为了使应变片牢固地粘贴在试件表面上，须将要贴应变片的试件表面部分使之平整光洁、无油漆、锈斑、氧化层、油污和灰尘等。36F.画粘贴应变片的定位线为了确保应变片粘贴位置的准确，可用画笔在试件表面划出定位线，粘贴时应使应变片的中心线与定位线对准。G.贴应变片在处理好的粘贴位置上和应变片基底上，各涂抹一层薄薄的黏合剂，稍待一段时间（视黏合剂种类而定），然后将应变片粘贴到预定位置上。在应变片上面放一层玻璃纸或一层透明的塑料薄膜，然后用手滚压挤出多余的黏合剂，黏合剂层的厚度尽量减薄。H.黏合剂的固化处理对粘贴好的应变片，依黏合剂固化要求进行固化处理。37I.应变片粘贴质量的检查a.外观检查最好用放大镜观察黏合层是否有气泡，整个应变片是否全部粘贴牢固，有无造成短路、断路等危险的部位，还要观察应变片的位置是否正确。b.电阻值检查应变片的电阻值在粘贴前后不应有较大的变化。c.绝缘电阻检查应变片电阻丝与试件之间的绝缘电阻一般大于200MΩ。J.引出线的固定保护将粘贴好的应变片引出线与测量用导线焊接在一起，为了防止电阻丝和引出线被拉断，用胶布将导线固定于试件表面，但固定时要考虑使引出线有呈弯曲形的余量和引线与试件之间的良好绝缘。K.应变片的防潮处理382）力传感器的结构和工作原理力传感器的组成，力是一种非电物理量，需要借助某一装置将力转换为电量进行测量，能实现这一功能的装置就是力传感器。力传感器主要由力敏感元件、转换元件和测量电路组成。如图2.13所示。39（1）力的计量单位及测量原理力的计量单位为牛顿，力的测量原理分为力的静力效应和力的动力效应。（2）测量力传感器类型电阻式测量力传感器包括电位器式和电阻应变片式；电感式包括自感式、互感式和涡流式；其他测量力传感器包括电容式、压电式、压磁式、压阻式等。（3）弹性敏感元件弹性敏感元件把力或压力转换成了应变或位移，然后再由转换电路将应变或位移转换成电信号。40①刚度刚度是抵抗变形的能力。是弹性元件在外力作用下变形大小的量度，即②灵敏度灵敏度是弹性敏感元件在单位力作用下产生变形的大小，在弹性力学中称为弹性元件的柔度。41③弹性滞后实际的弹性元件在加载、卸载的正反行程中变形曲线是不重合的，这种现象称为弹性滞后现象，它会给测量带来误差，如图2.14所示。④弹性后效当载荷从某一数值变化到另一数值时，弹性元件变形不是立即完成相应的变形，而是经一定的时间间隔逐渐完成变形的，这种现象称为弹性后效。如图2.15所示。⑤固有振荡频率弹性敏感元件都有自己的固有振荡频率f0，它将影响传感器的动态特性。传感器的工作频率应避开弹性敏感元件的固有振荡频率。4243⑥弹性敏感元件的分类力转换为应变或位移的【变换力】弹性敏感元件；压力转换为应变或位移【变换压力】弹性敏感元件。变换力的弹性敏感元件如图2.16所示。4445（4）常用压力传感器简介①振膜