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應(yīng)變力傳感器與壓磁力傳感器的說明
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測力傳感器通常將力轉(zhuǎn)換為正比于作用力大小的電信號，使用十分方便，因而在工程領(lǐng)域及其他各種場合應(yīng)用最為廣泛。測力傳感器種類繁多，依據(jù)不同的物理效應(yīng)和檢測原理可分為電阻應(yīng)變式、壓磁式、壓電式、振弦式力傳感器等。
1．應(yīng)變式力傳感器
在所有力傳感器中，應(yīng)變式力傳感器應(yīng)用最為廣泛。它能應(yīng)用于從極小到很大的動、靜態(tài)力的測量，且測星精度高，其使用量約占力傳感器總量的90%左右。
應(yīng)變式力傳感器的工作原理與應(yīng)變式壓力傳感器基本相同，它也是由彈性敏感元件和貼在其上的應(yīng)變片組成。
應(yīng)變式力傳感器首先把被測力轉(zhuǎn)變成彈性元件的應(yīng)變，再利用電阻應(yīng)變效應(yīng)測出應(yīng)變，從而間接地測出力的大小。彈性元件的結(jié)構(gòu)形式有柱形、筒形、環(huán)形、梁形、輪輻形、s形等。
應(yīng)變片的布置和接橋方式，對于提高傳感器的靈敏度和消除有害因素的影響有很大關(guān)系。根據(jù)電橋的加減特性和彈性元件的受力性質(zhì)，在貼片位置許可的情況下，可貼4或8片應(yīng)變片，其位置應(yīng)是彈性元件應(yīng)變最大的地方。
柱形彈性元件通常都做成圓柱形和方柱形，用于測量較大的力。最大量程可達(dá)10MN。在載荷較小時(1~10OkN)，為便于粘貼應(yīng)變片和減小由于載荷偏心或側(cè)向分力引起的彎曲影響，同時為了提高靈敏度，多采用空心柱體。四個應(yīng)變片粘貼的位置和方向應(yīng)保證其中兩片感受縱向應(yīng)變，另外兩片感受橫向應(yīng)變(因為縱向應(yīng)變與橫向應(yīng)變是互為反向變化的)。
在實際測量中，被測力不可能正好沿著柱體的軸線作用，而總是與軸線成─微小的角度或微小的偏心，這就使得彈性柱體除了受縱向力作用外，還受到橫向力和彎矩的作用，從而影響測量精度。
2.輪輻式力傳感器
簡單的柱式、筒式、梁式等彈性元件是根據(jù)正應(yīng)力與載荷成正比的關(guān)系來測量的，它們存在著一些不易克服的
缺點(diǎn)。為了進(jìn)一步提高力傳感器性能和測量精度，要求力傳感器有抗偏心、抗側(cè)向力和抗過載能力。20世紀(jì)70年代開始已成功地研制出切應(yīng)力傳感器。圖2是較常用的輪輻式切應(yīng)力傳感器的結(jié)構(gòu)簡圖。
輪輻式力傳感器由輪圈、輪牯、輻條和應(yīng)變片組成。輻條成對且對稱地連接輪圈和輪牯，當(dāng)外力作用在輪牯上端面和輪牯下端面時，矩形輻條就產(chǎn)生平行四邊形變形，形成與外力成正比的切應(yīng)變。此切應(yīng)變能引起與中性軸成459方向的相互垂直的兩個正負(fù)正應(yīng)力，即由切應(yīng)力引起的拉應(yīng)力和壓應(yīng)力，通過測量拉應(yīng)力或壓應(yīng)力值就可知切應(yīng)力值的大小。因此，在輪輻式傳感器中，把應(yīng)變片貼到與切應(yīng)力成450的位置上，使它感受的仍是拉伸和壓縮應(yīng)變，但該應(yīng)變不是由彎距產(chǎn)生的，而主要是由剪切力產(chǎn)生的，此即這類傳感器的基本工作原理。這類傳感器最突出的優(yōu)點(diǎn)是抗過載能力強(qiáng)，能承受幾倍于額定星程的過載。此外，其抗偏心、抗側(cè)向力的能力也較強(qiáng)，精度在0.1%之內(nèi)。
3.壓磁式力傳感器
當(dāng)鐵磁材料在受到外力的拉、壓作用而在內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力時，其導(dǎo)磁率會隨應(yīng)力的大小和方向而變化:受拉力
時，沿力作用方向的導(dǎo)磁率增大，而在垂直于作用力的方向上導(dǎo)磁率略有減小;受壓力作用時則導(dǎo)磁率的變化正好相反。這種物理現(xiàn)象就是鐵磁材料的壓磁效應(yīng)。這種效應(yīng)可用于力的測量。
壓磁式力傳感器一般由壓磁元件、傳力機(jī)構(gòu)組成。其中主要部分是壓磁元件，它由其上開孔的鐵磁材料薄片疊成。
壓磁式力傳感器的輸出電勢比較大，通常不必再放大，只要經(jīng)過濾波整流后就可直接輸出，但要求有一個穩(wěn)定的激磁電源。壓磁式力傳感器可測量很大的力，抗過載能力強(qiáng)，能在惡劣條件下工作。但頻率響應(yīng)不高(1~10kHz)，測星精度一般在1%左右，也有精度更高的新型結(jié)構(gòu)的壓磁式力傳感器。常用于冶金、礦山等重工業(yè)部門作為測力或稱重傳感器，例如在軋鋼機(jī)上用來測量大的力以及用在吊車秤中。
1．應(yīng)變式力傳感器
在所有力傳感器中，應(yīng)變式力傳感器應(yīng)用最為廣泛。它能應(yīng)用于從極小到很大的動、靜態(tài)力的測量，且測星精度高，其使用量約占力傳感器總量的90%左右。
應(yīng)變式力傳感器的工作原理與應(yīng)變式壓力傳感器基本相同，它也是由彈性敏感元件和貼在其上的應(yīng)變片組成。
應(yīng)變式力傳感器首先把被測力轉(zhuǎn)變成彈性元件的應(yīng)變，再利用電阻應(yīng)變效應(yīng)測出應(yīng)變，從而間接地測出力的大小。彈性元件的結(jié)構(gòu)形式有柱形、筒形、環(huán)形、梁形、輪輻形、s形等。
應(yīng)變片的布置和接橋方式，對于提高傳感器的靈敏度和消除有害因素的影響有很大關(guān)系。根據(jù)電橋的加減特性和彈性元件的受力性質(zhì)，在貼片位置許可的情況下，可貼4或8片應(yīng)變片，其位置應(yīng)是彈性元件應(yīng)變最大的地方。
柱形彈性元件通常都做成圓柱形和方柱形，用于測量較大的力。最大量程可達(dá)10MN。在載荷較小時(1~10OkN)，為便于粘貼應(yīng)變片和減小由于載荷偏心或側(cè)向分力引起的彎曲影響，同時為了提高靈敏度，多采用空心柱體。四個應(yīng)變片粘貼的位置和方向應(yīng)保證其中兩片感受縱向應(yīng)變，另外兩片感受橫向應(yīng)變(因為縱向應(yīng)變與橫向應(yīng)變是互為反向變化的)。
在實際測量中，被測力不可能正好沿著柱體的軸線作用，而總是與軸線成─微小的角度或微小的偏心，這就使得彈性柱體除了受縱向力作用外，還受到橫向力和彎矩的作用，從而影響測量精度。
2.輪輻式力傳感器
簡單的柱式、筒式、梁式等彈性元件是根據(jù)正應(yīng)力與載荷成正比的關(guān)系來測量的，它們存在著一些不易克服的
缺點(diǎn)。為了進(jìn)一步提高力傳感器性能和測量精度，要求力傳感器有抗偏心、抗側(cè)向力和抗過載能力。20世紀(jì)70年代開始已成功地研制出切應(yīng)力傳感器。圖2是較常用的輪輻式切應(yīng)力傳感器的結(jié)構(gòu)簡圖。
輪輻式力傳感器由輪圈、輪牯、輻條和應(yīng)變片組成。輻條成對且對稱地連接輪圈和輪牯，當(dāng)外力作用在輪牯上端面和輪牯下端面時，矩形輻條就產(chǎn)生平行四邊形變形，形成與外力成正比的切應(yīng)變。此切應(yīng)變能引起與中性軸成459方向的相互垂直的兩個正負(fù)正應(yīng)力，即由切應(yīng)力引起的拉應(yīng)力和壓應(yīng)力，通過測量拉應(yīng)力或壓應(yīng)力值就可知切應(yīng)力值的大小。因此，在輪輻式傳感器中，把應(yīng)變片貼到與切應(yīng)力成450的位置上，使它感受的仍是拉伸和壓縮應(yīng)變，但該應(yīng)變不是由彎距產(chǎn)生的，而主要是由剪切力產(chǎn)生的，此即這類傳感器的基本工作原理。這類傳感器最突出的優(yōu)點(diǎn)是抗過載能力強(qiáng)，能承受幾倍于額定星程的過載。此外，其抗偏心、抗側(cè)向力的能力也較強(qiáng)，精度在0.1%之內(nèi)。
3.壓磁式力傳感器
當(dāng)鐵磁材料在受到外力的拉、壓作用而在內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力時，其導(dǎo)磁率會隨應(yīng)力的大小和方向而變化:受拉力
時，沿力作用方向的導(dǎo)磁率增大，而在垂直于作用力的方向上導(dǎo)磁率略有減小;受壓力作用時則導(dǎo)磁率的變化正好相反。這種物理現(xiàn)象就是鐵磁材料的壓磁效應(yīng)。這種效應(yīng)可用于力的測量。
壓磁式力傳感器一般由壓磁元件、傳力機(jī)構(gòu)組成。其中主要部分是壓磁元件，它由其上開孔的鐵磁材料薄片疊成。
壓磁式力傳感器的輸出電勢比較大，通常不必再放大，只要經(jīng)過濾波整流后就可直接輸出，但要求有一個穩(wěn)定的激磁電源。壓磁式力傳感器可測量很大的力，抗過載能力強(qiáng)，能在惡劣條件下工作。但頻率響應(yīng)不高(1~10kHz)，測星精度一般在1%左右，也有精度更高的新型結(jié)構(gòu)的壓磁式力傳感器。常用于冶金、礦山等重工業(yè)部門作為測力或稱重傳感器，例如在軋鋼機(jī)上用來測量大的力以及用在吊車秤中。
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