传感器检测项目三 力学量的检测与处理

自动检测技术周昱英、傅大梅2008.9项目三力学量的检测与处理任务一:电子秤的称重检测任务二:金属加工削切力测量知识点力传感器的分类与基本结构应变式力传感器的测量方法与适用范围压电式力传感器的测量方法与适用范围技能点掌握应变式力传感器的使用、测量方法掌握压电式力传感器的使用、测量方法项目三力学量的检测与处理问题引入：1.有哪些力学量？力学量包括重力、拉力、压力、力矩、压强等物理量。项目三力学量的检测与处理问题引入：2.各类常用的力敏传感器有哪些？能感受力并按一定规律将其转换成可用输出信号的器件或装置称为力敏传感器。力敏传感器品种规格繁多，可以按不同的方法进行分类。项目三力学量的检测与处理问题引入：2.各类常用的力敏传感器有哪些？按被测量分类力传感器（荷重传感器、拉力传感器等）压力传感器（表压传感器、密封压力传感器等）差压传感器液位传感器项目三力学量的检测与处理问题引入：2.各类常用的力敏传感器有哪些？按工作原理分类应变式力敏传感器压阻式力敏传感器压电式力敏传感器电容式力敏传感器电感式力敏传感器项目三力学量的检测与处理任务一:电子秤的称重检测任务目标:电子秤是目前城市商店中应用较广的称量、计价工具。它最大的优点是能够自动快速、准确地称量。它是如何完成自动称重的功能呢？问题引入：1.什么是电子秤？任务一:电子秤的称重检测内部装有电子电路，利用作用于物体上的重力来测量该物体质量(重量)的计量仪器称为电子秤。电子秤能测量、显示被测物体的重量，称量范围可从几毫克到几百吨，称量精确度可达0.1%～0.01%以上。问题引入：1.什么是电子秤？任务一:电子秤的称重检测在应用中，可用电子秤构成料斗秤、吊钩秤、计价秤、皮带秤、汽车衡、轨道衡等。电子秤按称重方式分为分批称重式和连续称重式两类，皮带秤就属于后者。问题引入：1.什么是电子秤？任务一:电子秤的称重检测料斗秤：主要用于粉状、颗粒状物料的定量自动包装，特别适用于粮食行业面粉、麸皮、饲料、大米、大豆。问题引入：1.什么是电子秤？任务一:电子秤的称重检测例：自动称重和装料装置问题引入：1.什么是电子秤？任务一:电子秤的称重检测问题引入：1.什么是电子秤？任务一:电子秤的称重检测汽车衡：是一种用于汽车过磅的大型平台结构的衡器。安装在地平面上使用的汽车衡就称作地上衡。如安装在地面下，秤台与地平面在同一个水平面上的汽车衡应称作地中衡。问题引入：2.电子秤的原理框图？任务一:电子秤的称重检测应变式称重传感器电阻应变式传感器1.电阻应变式传感器的工作原理？导体或半导体材料在外界力的作用下，会产生机械变形，其电阻值也将随着发生变化，这种现象称为应变效应。电阻应变式传感器主要由电阻应变片及测量转换电路等组成。任务一:电子秤的称重检测电阻应变式传感器1.电阻应变式传感器的工作原理？导体或半导体材料在外界力的作用下，会产生机械变形，其电阻值也将随着发生变化，这种现象称为应变效应。金属丝受拉时，l变长、r变小，导致R变大。任务一:电子秤的称重检测2.应变片的工作原理？实验证明，电阻丝及应变片的电阻相对变化量RR与材料力学中的轴向应变x的关系在很大范围内是线性的，即：电阻应变式传感器（K—电阻应变片的灵敏度）任务一:电子秤的称重检测xRKR12xlllKl3.微应变（με）在材料力学中，x称为电阻丝的应变，是量纲为1的数。x通常很小，常用10-6表示之。如，当x为0.000001时，在工程中常表示为110-6或m/m。在应变测量中，也常将之称为微应变(με)。金属材料受力之后所产生的应变最好不要大于110-3，即1000m/m，否则有可能超过材料的极限强度而导致断裂。电阻应变式传感器任务一:电子秤的称重检测4.应变片用于测量力F的计算公式材料力学中，x=F/（AE），A为应变片的横截面积，Ｅ为弹性模量，均已知，则R/R可表示为：电阻应变式传感器任务一:电子秤的称重检测KRFKRAE灵敏度已知则只要设法测出R/R的数值，即可获知力Ｆ的大小。5.各种金属电阻应变片的特点及适用环境电阻应变式传感器任务一:电子秤的称重检测种类外形结构特点使用环境丝式将金属丝按一定形状弯曲后用粘合剂粘在衬底上，再用覆盖层保护，形成应变片。结构简单，价格低，强度高，电阻阻值较小，一般为120——360允许通过的电流较小，测量精度较低。适用于测量要求不高的场合。箔式将厚度在0.003—0.01mm的箔材通过光刻、腐蚀等工艺制成敏感栅，形成应变片。与丝式应变片相比面积大，散热性好，允许通过较大的电流。灵敏度较高。可以根据需要制成任意形状，适合批量生产。5.各种金属电阻应变片的特点及适用环境电阻应变式传感器任务一:电子秤的称重检测种类外形结构特点使用环境薄膜式采用真空蒸镀的方法，在薄的绝缘基底材料上制成一层金属薄膜，通过光刻、腐蚀等工艺形成应变片。灵敏度较高，电阻阻值较大，一般为1—1.8kΩ，允许通过的电流较大，工作温度范围较广，测量精度高。电阻丝长度可以较长，应变电阻较大，适合批量生产。6.应变片的黏贴①去污：采用手持砂轮工具除去构件表面的油污、漆、锈斑等，并用细纱布交叉打磨出细纹以增加粘贴力，用浸有酒精或丙酮的纱布片或脱脂棉球擦洗。电阻应变式传感器任务一:电子秤的称重检测6.应变片的黏贴②贴片：在应变片的表面和处理过的粘贴表面上，各涂一层均匀的粘贴胶，用镊子将应变片放上去，并调好位置，然后盖上塑料薄膜，用手指揉和滚压，排出下面的气泡。电阻应变式传感器任务一:电子秤的称重检测6.应变片的黏贴③测量：从分开的端子处，预先用万用表测量应变片的电阻，发现端子折断和坏的应变片。电阻应变式传感器任务一:电子秤的称重检测6.应变片的黏贴④焊接：将引线和端子用烙铁焊接起来，注意不要把端子扯断。电阻应变式传感器任务一:电子秤的称重检测6.应变片的黏贴⑤固定：焊接后用胶布将引线和被测对象固定在一起，防止损坏引线和应变片。电阻应变式传感器任务一:电子秤的称重检测7.电阻应变式传感器的测量电路金属应变片的电阻变化范围很小，如果直接用欧姆表测量其电阻值的变化将十分困难，且误差很大。例：有一金属箔式应变片，标称阻值R0为100，灵敏度K=2，粘贴在横截面积为9.8mm2的钢质圆柱体上，钢的弹性模量E=21011N/m2，所受拉力F=0.2t。电阻应变式传感器必须使用不平衡电桥来测量这一微小的变化量！任务一:电子秤的称重检测受拉后应变片的阻值R的变化量仅为0.27.电阻应变式传感器的测量电路（电压桥）电阻应变式传感器任务一:电子秤的称重检测132401234()()RRRRUURRRR7.电阻应变式传感器的测量电路电阻应变式传感器任务一:电子秤的称重检测电桥平衡的条件：R1/R2=R4/R3调节RP，最终可以使R1/R2=R4/R3（R1、R2是R1、R2并联RP后的等效电阻），电桥趋于平衡，Uo被预调到零位，这一过程称为调零。图中的R5是用于减小调节范围的限流电阻。7.电阻应变式传感器的测量电路电阻应变式传感器任务一:电子秤的称重检测①单臂电桥：当ΔR1R1时，若R1＝R2＝R3＝R4=R，ΔR1＝ΔR4oURUR7.电阻应变式传感器的测量电路电阻应变式传感器任务一:电子秤的称重检测②双臂电桥（R1、R2为应变片）：若R1＝R2＝R3＝R4=RΔR1＝ΔR2=ΔR2oURUR7.电阻应变式传感器的测量电路电阻应变式传感器任务一:电子秤的称重检测③四臂电桥（全桥的四个桥臂都为应变片）：若R1＝R2＝R3＝R4=RΔR1＝ΔR2=ΔR3＝ΔR4=ΔRoRUUR具有良好的线性关系7.电阻应变式传感器的测量电路电阻应变式传感器任务一:电子秤的称重检测④全桥的温度补偿原理当环境温度升高时，桥臂上的应变片温度同时升高，温度引起的电阻值漂移数值一致，可以相互抵消，所以全桥的温漂较小；半桥也同样能克服温漂。1.电阻应变式称重传感器的工作原理应变式称重传感器任务一:电子秤的称重检测弹性体（敏感元件）在外力作用下产生弹性变形，使粘贴在他表面的电阻应变片（转换元件）也随之产生变形，其阻值将发生变化，再经相应的测量电路把这一电阻变化转换为电信号，从而完成了将外力变换为电信号的过程。1.电阻应变式称重传感器的工作原理应变式称重传感器任务一:电子秤的称重检测2.常见的电阻应变式称重传感器的种类应变式称重传感器任务一:电子秤的称重检测FR1R2R4①柱式称重传感器：结构简单紧凑、易于加工，可设计成压式、拉式，或压、拉两用式，可承受很大的载荷（1—500t）。缺点是灵敏度低、精度低。2.常见的电阻应变式称重传感器的种类应变式称重传感器任务一:电子秤的称重检测②环式称重传感器：力作用点变化对输出影响较小，测量精度高，可达0.02%。可承受小量程的载荷（5kg—5t）。2.常见的电阻应变式称重传感器的种类应变式称重传感器任务一:电子秤的称重检测③悬臂梁式称重传感器：力作用点变化对输出影响较小，测量精度高，可达0.01%，灵敏度较高。可承受微小量程的载荷（数百克——100kg）。应变式称重传感器任务一:电子秤的称重检测2.常见的电阻应变式称重传感器的种类——悬臂梁2.常见的电阻应变式称重传感器的种类应变式称重传感器任务一:电子秤的称重检测④轮辐式称重传感器：线形度好，过载能力很强。可承受大量程的载荷（5—50t）。应变式称重传感器任务一:电子秤的称重检测任务目标:现要对汽车及其所装货物过磅，即要使用大型平台结构的汽车衡，称重范围4－50t,如何选择称重的传感器？如何构建自动称重系统？3.称重传感器的选择方法应变式称重传感器任务一:电子秤的称重检测㈠结构、形式的选择：①如对外形高度要求不高,可采用柱式传感器或环柱式传感器，否则一般选用悬臂梁式和轮幅式传感器。②多粉尘、潮湿的环境应选用密封性很高的传感器。③腐蚀性较高的环境应选用抗腐蚀性能好的，如外表面进行过喷塑或不锈钢外罩的传感器。3.称重传感器的选择方法应变式称重传感器任务一:电子秤的称重检测㈠结构、形式的选择：④电磁干扰较强的环境应选用具有屏蔽保护的传感器；易燃易爆的环境必须选用防爆型传感器。⑤若在高架称重系统中，应考虑安全及过载保护；若在高温环境下使用，应选用有水冷却护套的称重传感器；若在高寒地区使用，应考虑采用有加温装置的传感器。⑥此外需要考虑维修的方便与否及其所需费用。3.称重传感器的选择方法应变式称重传感器任务一:电子秤的称重检测㈡量程的选择：称重系统的称量值越接近传感器的额定容量，则其称量准确度就越高，但在实际使用时，由于存在秤体自重及振动、冲击、偏载等，因而不同称量系统选用传感器的量限的原则有很大差别。作为一般规则，可有：3.称重传感器的选择方法应变式称重传感器任务一:电子秤的称重检测㈡量程的选择：①单传感器静态称重系统：固定负荷（秤台、容器等）+变动负荷（需称量的载荷）≤所选用传感器的额定载荷X70%②多传感器静态称重系统：固定负荷（秤台、容器等）+变动负荷（需称量的载荷）≤选用传感器额定载荷X所配传感器个数X70%在同一称重系统中，不允许选用额定容量不同的传感器！3.称重传感器的选择方法应变式称重传感器任务一:电子秤的称重检测㈢准确度等级的选择：需要考虑传感器的非线性、迟滞、重复性、灵敏度等技术指标。称重传感器的准确度等级的选择，即要能够满足称重系统准确度级别的要求，又要考虑成本因素。任务一:电子秤的称重检测自动称重系统任务二:金属加工切削力测量任务目标:金属切削过程的本质是被切削材料的变形过程，切削力通过工艺系统的变形将影响机械加工的精度。压电式刀具切削力测量示意图任务二:金属加工削切力测量压电传感器输出信号任务二:金属加工削切力测量由于压电陶瓷元件的自振频率高，特别适合测量变化剧烈的载荷。图中压电传感器位于车刀前部的下方，当进行切削加工时，切削力通过刀具传给压电传感器，压电传感器将切削力转换为电信号输出，记录下电信号的变化便可测得切削力的变化。压电式刀具切削力测量原理压电式传感器1.压电式传感器的工作原理？任务二:金