模塊4——力與扭矩檢測

1、模塊模塊4 力與扭矩檢測力與扭矩檢測主要內(nèi)容：單元1 電阻應(yīng)變式力檢測單元2 光電編碼器式扭矩檢測 力是物體之間的一種相互作用，而扭矩是使物體發(fā)生轉(zhuǎn)動的力。 力和扭矩的測量需要通過力傳感器和扭矩傳感器來完成，力及扭矩傳感器是將各種力學(xué)量、扭矩量轉(zhuǎn)換為電信號的器件。 例如在鋼鐵工業(yè)生產(chǎn)中，安裝在大型軋鋼機上的力傳感器，可以測定軋制力，并提供進(jìn)軋與自動控制鋼板厚度的信號；在橋梁建設(shè)工程中，測力傳感器可以檢測斜拉橋上的斜拉繩的應(yīng)變，以便調(diào)節(jié)鋼絲繩的長度，使各繩受力均勻。模塊模塊4 4 力與扭矩檢測力與扭矩檢測 【引導(dǎo)語引導(dǎo)語】 1力的基本概念 力對物體的作用表現(xiàn)為動力效應(yīng)和靜力效應(yīng)兩種形式。動力效應(yīng)

2、是在外力作用下使受力物體獲得加速度，改變物體的運動狀態(tài)；靜力效應(yīng)是在外力作用下使受力物體發(fā)生彈性形變，在物體內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力。 按力的性質(zhì)可以把力分為重力、應(yīng)力、電磁力、彈性力、慣性力、膨脹力、摩擦力等；按照力的作用效果可分為拉力、壓力、動力、阻力等。 力與質(zhì)量和加速度的關(guān)系：Fma, 單位為牛頓（N）。2力的檢測方法 按檢測原理分類，常用的力的檢測方法可分為力平衡法、位移法、頻率法和物理效應(yīng)法等 。模塊模塊4 4 力與扭矩檢測力與扭矩檢測 【背景知識背景知識】 常用的力的檢測方法 模塊模塊4 4 力與扭矩檢測力與扭矩檢測 【背景知識背景知識】 3扭矩的概念 扭矩又稱為力矩或轉(zhuǎn)矩，是由一個不通過旋

3、轉(zhuǎn)中心的力對物體形成的，是力和力臂的乘積。在國際單位制（SI）中，扭矩的計量單位為牛頓米（Nm）工程技術(shù)中也曾用過公斤力米（kgm）等作為扭矩的計量單位。 靜態(tài)扭矩是指扭矩值不隨時間變化或變化很小、很緩慢的扭矩。靜態(tài)扭矩包括靜止扭矩、恒定扭矩、緩變扭矩和微脈動扭矩。 動態(tài)扭矩是指扭矩值隨時間變化很大的扭矩。動態(tài)扭矩包括振動扭矩、過渡扭矩和隨機扭矩三種。模塊模塊4 4 力與扭矩檢測力與扭矩檢測 【背景知識背景知識】 4扭矩的測量方法 根據(jù)扭矩測量的基本原理分為平衡力法(反力法)、傳遞法(扭軸法)和能量轉(zhuǎn)換法等三種類型，其中，運用傳遞法進(jìn)行扭矩測量的儀器種類最多，應(yīng)用也最廣泛。 （1）平衡力法 通

4、過測量機體上的平衡力矩來確定動力機械主軸上的工作扭矩的方法，也叫作反力法。 （2）傳遞法 被測系統(tǒng)在受到扭矩作用時，利用彈性元件在傳遞扭矩時所產(chǎn)生的變形、應(yīng)變、應(yīng)力等物理參數(shù)的變化與扭矩大小的對應(yīng)關(guān)系來測量扭矩的方法。常用彈性元件為扭轉(zhuǎn)軸。模塊模塊4 4 力與扭矩檢測力與扭矩檢測 【背景知識背景知識】 4扭矩的測量方法 （3）能量轉(zhuǎn)換法 依據(jù)能量守恒定律，通過測量對應(yīng)力矩大小而變化的其他形式能量如電能、熱能參數(shù)來測量旋轉(zhuǎn)機械的機械能，進(jìn)而求得扭矩的力法稱為能量轉(zhuǎn)換法。從方法上講，能量轉(zhuǎn)換法實際上就是對功率和轉(zhuǎn)速進(jìn)行測量的方法。 一般情況下，用能量轉(zhuǎn)換法對被測系統(tǒng)進(jìn)行扭矩測量屬于間接測量，而平衡

5、力法和傳遞法屬于直接測量。顯然，直接測量精度高于間接測量且簡單方便，此外平衡力法不能用于動態(tài)扭矩的檢測，因此在進(jìn)行扭矩測量時應(yīng)首先選擇傳遞法。 模塊模塊4 4 力與扭矩檢測力與扭矩檢測 【背景知識背景知識】 力是最重要的物理量之一，物理學(xué)意義的力是導(dǎo)致自由物體的速度、方向或外型變化的一種影響。 力也可以借由直覺的概念來描述，例如推力或拉力，這可以導(dǎo)致一個有質(zhì)量的物體改變速度（包括從靜止?fàn)顟B(tài)開始運動），即是去加速它，或?qū)е乱粋€可彎曲的物體形變。 在生產(chǎn)實踐中所有機械相關(guān)機構(gòu)的運動必然伴隨著力的作用。因此，在生產(chǎn)實踐中機械力的測量是必不可少的，例如，對于許多控制系統(tǒng)來說，正確的控制必須基于正確地感

6、知作用力。目前，利用應(yīng)變片電測技術(shù)對應(yīng)力、應(yīng)變、拉壓力、液體壓力等物理量進(jìn)行電測量已廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)各領(lǐng)域。 單元單元1 1 電阻應(yīng)變式力檢測電阻應(yīng)變式力檢測 【問題引入問題引入】 單元單元1 1 電阻應(yīng)變式力檢測電阻應(yīng)變式力檢測 【問題引入問題引入】 橋梁、隧道的應(yīng)變測量 一般常用的力傳感器是傳感器中的敏感元件、傳感元件和測量轉(zhuǎn)換電路這三個部分組合最為典型的一種傳感器，它由對力敏感的彈性敏感元件、能夠?qū)?yīng)變或位移轉(zhuǎn)換為電參量的傳感元件、以及將電參量轉(zhuǎn)換為電壓或電路的測量轉(zhuǎn)換電路組成。 現(xiàn)在工業(yè)場合最常使用的是利用電阻應(yīng)變效應(yīng)，采用電阻應(yīng)變片進(jìn)行力的測量。 單元單元1 1 電阻應(yīng)變式力檢測電

7、阻應(yīng)變式力檢測 【問題分析問題分析】 彈性敏感元件電阻應(yīng)變片測量轉(zhuǎn)換電路單元單元1 1 電阻應(yīng)變式力檢測電阻應(yīng)變式力檢測 【問題分析問題分析】 1彈性敏感元件變形 ：物體因外力作用而改變原來的尺寸或形狀彈性變形：外力去掉后能完全恢復(fù)其原來的尺寸和形狀的變形彈性元件：具有彈性變形這類特性的物體彈性敏感元件：在傳感器中用于測量的彈性元件單元單元1 1 電阻應(yīng)變式力檢測電阻應(yīng)變式力檢測 【問題分析問題分析】 （1）彈性敏感元件的基本特性剛度 dxdFxFkx0lim靈敏度 kdFdxK/1靈敏度為常數(shù)，此彈性特性是線性。例：木塊剛度小，鐵塊剛度大彈性特性曲線圖 單元單元1 1 電阻應(yīng)變式力檢測電阻應(yīng)

8、變式力檢測 【問題分析問題分析】 （2）彈性敏感元件的形式彈性敏感元件的形式 變換力變換壓力等截面軸 環(huán)狀彈性敏感元件懸臂梁扭轉(zhuǎn)軸 彈簧管 波紋管 等截面薄板 波紋膜片和膜盒 薄壁圓筒和薄壁半球 單元單元1 1 電阻應(yīng)變式力檢測電阻應(yīng)變式力檢測 【問題分析問題分析】 2電阻應(yīng)變效應(yīng)導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料受力機械變形電阻值發(fā)生變化2rlAlR 由電工學(xué)知，有一長度為 l、截面積為A、半徑為 r、電阻率為 的金屬單絲，阻值為:金屬絲受拉時，l變長、r變小，導(dǎo)致R變大 。單元單元1 1 電阻應(yīng)變式力檢測電阻應(yīng)變式力檢測 【問題分析問題分析】 2電阻應(yīng)變效應(yīng)xRKRR實驗證明K應(yīng)變片靈敏度。其中金屬應(yīng)變片靈

9、敏度在23.6左右；而半導(dǎo)體靈敏度可達(dá)在100以上。應(yīng)變效應(yīng)原理單元單元1 1 電阻應(yīng)變式力檢測電阻應(yīng)變式力檢測 【問題分析問題分析】 3電阻應(yīng)變片的測量轉(zhuǎn)換電路 在應(yīng)變式傳感器中，最常用測量轉(zhuǎn)換電路的是電橋電路，按電源性質(zhì)不同可有交流電橋、直流電橋兩類；按橋臂工作數(shù)量可分為單臂工作橋、半橋和全橋。橋式測量轉(zhuǎn)換電路 電橋的一個對角線接入電源電壓Ui。另一個對角線為輸出電壓Uo，輸出電壓Uo為： 443121RRRURRRUUIIo單元單元1 1 電阻應(yīng)變式力檢測電阻應(yīng)變式力檢測 【問題分析問題分析】 3電阻應(yīng)變片的測量轉(zhuǎn)換電路 132401423R RR REERRRRy()()平衡條件423

10、1RRRR單元單元1 1 電阻應(yīng)變式力檢測電阻應(yīng)變式力檢測 【問題分析問題分析】 電橋的接法 單臂單臂 半橋半橋全橋全橋單元單元1 1 電阻應(yīng)變式力檢測電阻應(yīng)變式力檢測 【問題分析問題分析】 電橋類型電橋類型靈敏度靈敏度非線性誤差非線性誤差各橋臂典型電阻值各橋臂典型電阻值單臂橋單臂橋Ui /4R/2R1= R0 +RR2=R3=R4 =R0半半橋橋第一類第一類差動橋差動橋Ui /20R1=R0+R，R2=R0RR3=R4 =R0第二類第二類差動橋差動橋Ui /2R2/4R1=R0+R，R4=R0RR2=R3 =R0對臂橋?qū)Ρ蹣騏i /2R/2R1=R3=R0+RR2=R4=R0全橋全橋Ui 0

11、R1=R3=R0+RR2=R4=R0R各類電橋的性能比較表 單元單元1 1 電阻應(yīng)變式力檢測電阻應(yīng)變式力檢測 【問題分析問題分析】 4電阻應(yīng)變片的溫度補償 補償塊補償法)(422111RRRRRUUttio補償塊溫度補償示意圖1試件 2補償塊R1試件受力后應(yīng)變片R1產(chǎn)生的電阻增量； R1t、R2t由溫度變化引起的R1、R2的電阻增量。 試件與補償塊必須同質(zhì)同溫單元單元1 1 電阻應(yīng)變式力檢測電阻應(yīng)變式力檢測 【問題分析問題分析】 4電阻應(yīng)變片的溫度補償 全橋電路同樣能克服溫漂。 橋路自補償以第一類差動橋為例，當(dāng)R1和R2處于相同的溫度場中時，則RRRRt01RRRRt02043RRR設(shè) 0RR

12、RtRR0而經(jīng)推到可得： RIouU2單元單元1 1 電阻應(yīng)變式力檢測電阻應(yīng)變式力檢測 【知識鏈接知識鏈接】 1變換力的彈性敏感元件柱形彈性元件 ESF單元單元1 1 電阻應(yīng)變式力檢測電阻應(yīng)變式力檢測 【知識鏈接知識鏈接】 1變換力的彈性敏感元件環(huán)形彈性元件 較小力F應(yīng)變 單元單元1 1 電阻應(yīng)變式力檢測電阻應(yīng)變式力檢測 【知識鏈接知識鏈接】 1變換力的彈性敏感元件懸臂梁懸臂梁是一端固定另一端自由的彈性敏感元件。懸臂梁是一端固定另一端自由的彈性敏感元件。力力 F應(yīng)變應(yīng)變 或或 力力 F位移位移 x 單元單元1 1 電阻應(yīng)變式力檢測電阻應(yīng)變式力檢測 【知識鏈接知識鏈接】 2電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)類型

13、電阻應(yīng)變片可分為金屬應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片。前者可分為金屬絲式、箔式、薄膜式三種 。 金屬絲式應(yīng)變片使用最早，有紙基、膠基之分。常見的幾種應(yīng)變片1襯底 2應(yīng)變絲或半導(dǎo)體 3引出線 4焊接電極 5外引線 單元單元1 1 電阻應(yīng)變式力檢測電阻應(yīng)變式力檢測 金屬電阻絲應(yīng)變片結(jié)構(gòu)示意圖 1-引出線；2-覆蓋層；3-基底；4-電阻絲 【知識鏈接知識鏈接】 2電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)類型l 稱應(yīng)變片的 標(biāo)距或工作基長b稱應(yīng)變片的工作寬度bl稱應(yīng)變片的規(guī)格金屬絲式電阻應(yīng)變片單元單元1 1 電阻應(yīng)變式力檢測電阻應(yīng)變式力檢測 通過光刻、腐蝕而成散熱條件好電流密度、靈敏度高可制任意形狀?！局R鏈接知識鏈接】 2電阻應(yīng)變片的

14、結(jié)構(gòu)類型箔式應(yīng)變片單元單元1 1 電阻應(yīng)變式力檢測電阻應(yīng)變式力檢測 【知識鏈接知識鏈接】 2電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)類型薄膜式應(yīng)變片用真空沉積法制作薄膜式應(yīng)變片 單元單元1 1 電阻應(yīng)變式力檢測電阻應(yīng)變式力檢測 【知識鏈接知識鏈接】 2電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)類型半導(dǎo)體應(yīng)變片半導(dǎo)體應(yīng)變片實物圖 單元單元1 1 電阻應(yīng)變式力檢測電阻應(yīng)變式力檢測 【知識鏈接知識鏈接】 參數(shù)名稱參數(shù)名稱電阻電阻靈敏度靈敏度電阻溫度系電阻溫度系數(shù)數(shù)1/1/0 0C C極限工作溫極限工作溫度度0 0C C最大工作電最大工作電流流mAmAPZ-120PZ-120型型1201.92.12010-6-104020PJ-120PJ-120型型

15、1201.92.12010-6-104020BX-200BX-200型型2001.92.2 -306025BA-120BA-120型型1201.92.2-3020025BB-350BB-350型型3501.92.2-3017025PBD-1KPBD-1K型型100010%1405% 0.4% 6015PBD-120PBD-120型型12010%1205% 0.2% 6025應(yīng)變片主要技術(shù)參數(shù) 可根據(jù)被粘貼材料的線膨脹系數(shù)進(jìn)行自補償加工 單元單元1 1 電阻應(yīng)變式力檢測電阻應(yīng)變式力檢測 【知識鏈接知識鏈接】 3電阻應(yīng)變片的粘貼 應(yīng)變片的粘貼工藝包括：試件貼片處的表面處理、貼片位置的確定、應(yīng)變片的

16、粘貼、固化等。 電阻應(yīng)變片引出線的選擇取決于電阻率的大小、焊接方便程度、可靠性及耐腐蝕性。引出線一般多是直徑為0.150.3mm鍍錫軟銅線。使用時，應(yīng)變片粘貼連接好后，常把引出線與連線電纜用膠布固定起來，以防止導(dǎo)體擺動時折斷應(yīng)變片引線，然后在應(yīng)變片上涂一層防護(hù)層，以防止大氣對應(yīng)變片的侵蝕，保證應(yīng)變片長期工作的穩(wěn)定性。單元單元1 1 電阻應(yīng)變式力檢測電阻應(yīng)變式力檢測 【知識鏈接知識鏈接】 3電阻應(yīng)變片的粘貼幾種彈性元件及應(yīng)變片貼片方式單元單元1 1 電阻應(yīng)變式力檢測電阻應(yīng)變式力檢測 【知識鏈接知識鏈接】 3電阻應(yīng)變片的粘貼應(yīng)變片的粘貼與固定單元單元1 1 電阻應(yīng)變式力檢測電阻應(yīng)變式力檢測 【知識

17、鏈接知識鏈接】 4電阻應(yīng)變片的特點（1）以電阻應(yīng)變片為傳感元件，用于測量應(yīng)變、應(yīng)力、彎矩、扭矩等物理量，具有如下優(yōu)點： 測量應(yīng)變的靈敏度和精確度高，性能穩(wěn)定、可靠，分辨率高，可測12，誤差小于1% 測量范圍廣，既可測量彈性變形，也可測量塑性變形。變形范圍可從數(shù)個微應(yīng)變至數(shù)千個微變應(yīng)。 應(yīng)變片尺寸、質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、響應(yīng)速度快。測量時對被測件的工作狀態(tài)和應(yīng)變分布影響較小。既可用于靜態(tài)測量，又可用于動態(tài)測量。 性能穩(wěn)定，價格較低。單元單元1 1 電阻應(yīng)變式力檢測電阻應(yīng)變式力檢測 【知識鏈接知識鏈接】 4電阻應(yīng)變片的特點 頻率響應(yīng)特性好，一般電阻應(yīng)變片響應(yīng)時間為10-710-11s，若能在

18、彈性元件設(shè)計上采取措施，則電阻應(yīng)變式傳感器可測幾十千赫甚至上百千赫的動態(tài)過程。 環(huán)境適應(yīng)性強，可在高溫、低溫、高壓、高速、水下、強烈振動、強磁場、核輻射及化學(xué)腐蝕等各種惡劣環(huán)境條件下使用。 容易實現(xiàn)多點同步測量、遠(yuǎn)距離測量和遙測，且與數(shù)據(jù)處理裝置配合，容易實現(xiàn)測量過程和數(shù)據(jù)處理過程自動化。 單元單元1 1 電阻應(yīng)變式力檢測電阻應(yīng)變式力檢測 【知識鏈接知識鏈接】 4電阻應(yīng)變片的特點（2）電阻應(yīng)變片的缺點： 在大應(yīng)變狀態(tài)下具有較大的非線性，半導(dǎo)體應(yīng)變片的非線性更為顯著。 應(yīng)變片輸出信號較微弱，故其抗干擾能力較差，因此對信號連接導(dǎo)線要認(rèn)真屏蔽。 雖然應(yīng)變片尺寸較小，但測出的仍是應(yīng)變片敏感柵范圍內(nèi)的平

19、均應(yīng)變，不能完全顯示應(yīng)力場中應(yīng)力梯度的變化。 應(yīng)變片的溫度系數(shù)較大。 盡管應(yīng)變片存在著一些缺點，但可采取一定補償措施減小其影響，因此他仍然是非電量電測技術(shù)中應(yīng)用廣泛和有效的敏感元件，其應(yīng)用領(lǐng)域仍在不斷擴展。單元單元1 1 電阻應(yīng)變式力檢測電阻應(yīng)變式力檢測 【應(yīng)用案例應(yīng)用案例】 【案例1】電子計價秤中的應(yīng)變式傳感器 電阻應(yīng)變式電子秤精度高、反應(yīng)速度快、結(jié)構(gòu)緊湊、抗振抗沖擊性強，能廣泛應(yīng)用于商業(yè)計價秤、郵包秤、醫(yī)療秤、計數(shù)秤、人體秤及家用廚房秤等。 常用電子計價秤的傳感器結(jié)構(gòu)圖（a）雙連橢圓孔（b）三連橢圓孔（c）梅花型時連孔單元單元1 1 電阻應(yīng)變式力檢測電阻應(yīng)變式力檢測 【應(yīng)用案例應(yīng)用案例】

20、【案例1】電子計價秤中的應(yīng)變式傳感器 便攜式電子零售秤外形及傳感器結(jié)構(gòu)圖（a）電子秤外形（b）電子秤傳感器結(jié)構(gòu)圖電子秤工作原理單元單元1 1 電阻應(yīng)變式力檢測電阻應(yīng)變式力檢測 【應(yīng)用案例應(yīng)用案例】 【案例2】顯像管玻殼的應(yīng)力測量 顯像管在制造過程中需多次經(jīng)歷加熱、降溫過程。如果工藝掌握不正確，將造成顯像管曲面上某些點的應(yīng)力集中，有可能引起玻殼爆裂。 高溫應(yīng)力測試試驗是高溫應(yīng)變片粘貼在玻殼表面各測試點上。在升溫、降溫過程中，用帶微機的應(yīng)變儀對這些應(yīng)變片的應(yīng)變值快速輪流測試（稱為巡回檢測），從而改進(jìn)加熱工藝，提高產(chǎn)品的可靠性。 單元單元1 1 電阻應(yīng)變式力檢測電阻應(yīng)變式力檢測 【應(yīng)用案例應(yīng)用案例】

21、 【案例2】顯像管玻殼的應(yīng)力測量 顯像管玻殼的應(yīng)力測量單元單元1 1 電阻應(yīng)變式力檢測電阻應(yīng)變式力檢測 【應(yīng)用案例應(yīng)用案例】 其他應(yīng)用電子皮帶秤單元單元1 1 電阻應(yīng)變式力檢測電阻應(yīng)變式力檢測 【應(yīng)用案例應(yīng)用案例】 其他應(yīng)用 電子人體秤單元單元1 1 電阻應(yīng)變式力檢測電阻應(yīng)變式力檢測 【應(yīng)用案例應(yīng)用案例】 其他應(yīng)用 汽車稱重單元單元1 1 電阻應(yīng)變式力檢測電阻應(yīng)變式力檢測 【應(yīng)用案例應(yīng)用案例】 其他應(yīng)用 電子天平單元單元1 1 電阻應(yīng)變式力檢測電阻應(yīng)變式力檢測 【應(yīng)用案例應(yīng)用案例】 其他應(yīng)用 電子吊鉤秤單元單元1 1 電阻應(yīng)變式力檢測電阻應(yīng)變式力檢測 【應(yīng)用案例應(yīng)用案例】 其他應(yīng)用壓力檢測 利

22、用應(yīng)變片將彈性元件在壓力作用下產(chǎn)生的應(yīng)變轉(zhuǎn)換成電阻的變化。 特點：體積小、重量輕，精度高，測量范圍寬，頻響高，耐壓、抗振。單元單元1 1 電阻應(yīng)變式力檢測電阻應(yīng)變式力檢測 【實踐項目實踐項目】 電阻應(yīng)變式數(shù)顯電子秤的制作1項目要求 認(rèn)識項目給出的元器件，根據(jù)已知元器件及工具完成制作一個數(shù)顯電子秤的裝置，并進(jìn)行簡單調(diào)試。2元器件與工具（1）元件選擇 IC1選用ICL7126集成塊；IC2、IC3選用高精度低溫標(biāo)精密運放OP-07；IC4選用LM3851.2V集成塊。 傳感器R1選用E350-2AA箔式電阻應(yīng)變片，其常態(tài)阻值為350。單元單元1 1 電阻應(yīng)變式力檢測電阻應(yīng)變式力檢測 【實踐項目實踐

23、項目】 電阻應(yīng)變式數(shù)顯電子秤的制作 各電阻元件宜選用精密金屬膜電阻。 RP1選用精密多圈電位器，RP2、RP3經(jīng)調(diào)試后可分別用精密金屬膜電阻代替。 電容中C1選用云母電容或瓷介電容。（2）工具 1千克及2千克標(biāo)準(zhǔn)法碼各一個；普通鋼鋸條一根；加熱爐等。單元單元1 1 電阻應(yīng)變式力檢測電阻應(yīng)變式力檢測 【實踐項目實踐項目】 電阻應(yīng)變式數(shù)顯電子秤的制作3項目內(nèi)容 數(shù)顯電子秤分辨力為1克，在2千克的量程范圍內(nèi)經(jīng)仔細(xì)調(diào)校，測量精度可達(dá)0.5RDl字。 電子秤主要部分為電阻應(yīng)變式傳感器Rl及IC2、IC3組成的測量放大電路，和IC1及外圍元件組成的數(shù)顯面板表。測量電路將R1產(chǎn)生的電阻應(yīng)變量轉(zhuǎn)換成電壓信號輸

24、出。IC3將經(jīng)轉(zhuǎn)換后的弱電壓信號進(jìn)行放大，作為模擬電壓輸入。 IC4提供1.22V基準(zhǔn)電壓，它同時經(jīng)R5、R6及RP2分壓后作為AD轉(zhuǎn)換器的參考電壓。位AD轉(zhuǎn)換器ICL7126的參考電壓輸入正端，由RP2中間觸頭引入，負(fù)端則由RP3的中間觸頭引入。兩端參考電壓可對傳感器非線性誤差進(jìn)行適量補償。 單元單元1 1 電阻應(yīng)變式力檢測電阻應(yīng)變式力檢測 【實踐項目實踐項目】 數(shù)顯電子秤電路原理圖單元單元1 1 電阻應(yīng)變式力檢測電阻應(yīng)變式力檢測 【實踐項目實踐項目】 電阻應(yīng)變式數(shù)顯電子秤的制作數(shù)顯電子秤外形圖4制作與調(diào)試步驟（1）制作步驟按圖制作電子秤原理圖印刷線路板。將元器件在印刷線路板上焊接。將鋸齒打

25、磨平整，鋸條加工成“U”形。再將其淬火，最后進(jìn)行表面處理工藝。將秤鉤用強力膠粘接于鋼件底部。粘貼應(yīng)變片。用活動鏈條連接拎環(huán)與秤體。 單元單元1 1 電阻應(yīng)變式力檢測電阻應(yīng)變式力檢測 【實踐項目實踐項目】 （2）調(diào)試步驟 無負(fù)載時調(diào)整RP1，使顯示為零。 再調(diào)整RP2，使秤體承擔(dān)滿量程重量時顯示滿量程值。 然后在秤鉤下懸掛1千克的標(biāo)準(zhǔn)法碼，觀察顯示器是否顯示1.000，如有偏差，可調(diào)整RP3值，使之準(zhǔn)確顯示1.000。 重新進(jìn)行、步驟，使之均滿足要求為止。 最后準(zhǔn)確測量RP2、RP3電阻值，并用固定精密電阻予以代替。 RP1可引出表外調(diào)整。測量前先調(diào)整RP1，使顯示器回零。單元單元1 1 電阻應(yīng)

26、變式力檢測電阻應(yīng)變式力檢測 【拓展提高拓展提高】 固態(tài)壓阻式傳感器 固態(tài)壓阻式傳感器是利用硅的壓阻效應(yīng)和集成電路技術(shù)制成的新型傳感器。它具有靈敏度高、動態(tài)響應(yīng)快、測量精度高、穩(wěn)定性好、工作溫度范圍寬、體積小和便于批量生產(chǎn)等特點，因此得到了廣泛的應(yīng)用。1固態(tài)壓阻式傳感器的工作原理與結(jié)構(gòu) 單晶硅材料在受到力的作用后，其電阻率將隨作用力而變化，這種物理現(xiàn)象稱為壓阻效應(yīng)。半導(dǎo)體材料電阻的變化率R/R 主要由/引起，即取決于半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)，所以可以用下式表示 R/R=/= 式中為壓阻系數(shù)；為應(yīng)力；為半導(dǎo)體材料的電阻率。單元單元1 1 電阻應(yīng)變式力檢測電阻應(yīng)變式力檢測 【拓展提高拓展提高】 固態(tài)壓阻

27、式傳感器固體壓阻式傳感器硅膜片芯體結(jié)構(gòu)固體壓阻式傳感器實物單元單元1 1 電阻應(yīng)變式力檢測電阻應(yīng)變式力檢測 【拓展提高拓展提高】 固態(tài)壓阻式傳感器2壓阻式壓力傳感器 固態(tài)壓阻式壓力傳感器結(jié)構(gòu)圖1-硅杯；2-高壓腔；3-低壓腔4-硅膜片；5-引線 固體受力后電阻率發(fā)固體受力后電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為壓阻效生變化的現(xiàn)象稱為壓阻效應(yīng)。應(yīng)。特點：特點： 頻響寬，動態(tài)響應(yīng)快，頻響寬，動態(tài)響應(yīng)快，測量范圍大，特別適用于測量范圍大，特別適用于爆炸、沖擊壓力檢測。爆炸、沖擊壓力檢測。單元單元2 2 光電編碼器式扭矩檢測光電編碼器式扭矩檢測 【問題引入問題引入】 使機械元件發(fā)生轉(zhuǎn)動的力偶或者力矩稱作轉(zhuǎn)動力矩，簡

28、稱為轉(zhuǎn)矩。 在轉(zhuǎn)動力矩作用下任何元件都會產(chǎn)生某種程度的扭轉(zhuǎn)變形，故轉(zhuǎn)動力矩有時又被稱為扭轉(zhuǎn)力矩，簡稱為扭矩。 如：對于家用轎車而言，扭矩越大加速性越好；對于越野車，扭矩越大其爬坡度越大；對于貨車而言，扭矩越大車?yán)闹亓吭酱蟆?扭矩測量是各種機械產(chǎn)品開發(fā)、質(zhì)量檢驗、優(yōu)化控制、工況監(jiān)測和故障診斷等必不可少的內(nèi)容。單元單元2 2 光電編碼器式扭矩檢測光電編碼器式扭矩檢測 【問題引入問題引入】 扭矩扳手廣泛用于對擰緊工藝有嚴(yán)格要求的裝配線，使產(chǎn)品各個緊固件扭矩值一致 。 在航空、航天、發(fā)動機、高鐵建設(shè)，橋梁船舶等領(lǐng)等領(lǐng)域使用要求更嚴(yán)密。 數(shù)字式扭矩扳手單元單元2 2 光電編碼器式扭矩檢測光電編碼器式扭

29、矩檢測 【問題分析問題分析】 扭矩的測量是基于旋轉(zhuǎn)機械轉(zhuǎn)軸在承受扭矩時產(chǎn)生扭應(yīng)力或扭轉(zhuǎn)角位移的原理，用電測技術(shù)測出扭應(yīng)力或扭轉(zhuǎn)角位移以求出力矩值。 1傳遞法扭矩測量簡介 被測系統(tǒng)在受到扭矩作用時，通過彈性敏感元件傳送扭矩時產(chǎn)生物理參數(shù)的變化從而實現(xiàn)扭矩測量的方法就是傳遞法。 傳遞法的測量形式為：通過應(yīng)變型扭轉(zhuǎn)軸作為彈性敏感元件與測量應(yīng)變量的傳感器結(jié)合來測量扭矩，常用的有應(yīng)變式、壓磁式等傳感器類型；通過扭角型扭轉(zhuǎn)軸作為彈性敏感元件與測量轉(zhuǎn)角的傳感器結(jié)合來測量扭矩，常用的有光電式、磁電式和振弦式等傳感器類型，而光電式有光電編碼器式、光纖式。 單元單元2 2 光電編碼器式扭矩檢測光電編碼器式扭矩檢測

30、 【問題分析問題分析】 1傳遞法扭矩測量簡介等截面圓柱扭轉(zhuǎn)軸表面上與軸母線成前45和后45夾角的螺旋線上的應(yīng)變值與扭轉(zhuǎn)軸的扭矩T成正比關(guān)系，與材料的彈性模量E成反比關(guān)系；等截面圓柱扭轉(zhuǎn)軸扭轉(zhuǎn)后的相對變化角度與扭轉(zhuǎn)軸的扭矩T和有效長度L成正比關(guān)系，與材料的彈性模量E成反比關(guān)系。 扭轉(zhuǎn)軸單元單元2 2 光電編碼器式扭矩檢測光電編碼器式扭矩檢測 【問題分析問題分析】 2光電編碼器的分類 編碼器是將轉(zhuǎn)角運動或直線運動變換為數(shù)字信號進(jìn)行測量的一種傳感器，它有光電式、電磁式和接觸式等各種類型。 光電編碼器單元單元2 2 光電編碼器式扭矩檢測光電編碼器式扭矩檢測 【問題分析問題分析】 2光電編碼器的分類構(gòu)造

31、類型轉(zhuǎn)動方式 直線 線性編碼器 轉(zhuǎn)動 轉(zhuǎn)軸編碼器 光束形式 透射式 反射式 單元單元2 2 光電編碼器式扭矩檢測光電編碼器式扭矩檢測 【問題分析問題分析】 2光電編碼器的分類信號性質(zhì) 增量式 辨別方向零位信號 絕對式 絕對式編碼器 可辨向的增量式編碼器 不可辨向的脈沖發(fā)生器 有零位信號 無零位信號 單元單元2 2 光電編碼器式扭矩檢測光電編碼器式扭矩檢測 【問題分析問題分析】 3光電編碼器的檢測原理（1）光電編碼器工作原理 l均勻分布透光槽的編碼盤；2LED光源；3狹縫；4sin信號接收器；5cos信號接收器；6零位讀出光電元件；7扭轉(zhuǎn)軸；8零位標(biāo)記槽1增量式光電編碼器單元單元2 2 光電編碼

32、器式扭矩檢測光電編碼器式扭矩檢測 【問題分析問題分析】 （2）光電編碼器式扭矩檢測原理 光電編碼器式扭矩檢測系統(tǒng)由扭轉(zhuǎn)軸、光電碼盤及光電組件、信號處理電路和顯示控制裝置等幾部分組成。 其中，光電碼盤及光電組件中的光電組件由LED發(fā)光管和光敏元件組成；信號處理電路由放大、整形、細(xì)分、辨向計數(shù)等電路組成。 光電式扭矩傳感器主要用作動力設(shè)備傳動扭矩的測量，扭轉(zhuǎn)軸的材料一般都是合金鋼或者碳鋼。光電編碼器式扭矩檢測系統(tǒng)的組成單元單元2 2 光電編碼器式扭矩檢測光電編碼器式扭矩檢測 【知識鏈接知識鏈接】 1扭轉(zhuǎn)軸的基本類型與原理（1）應(yīng)變型扭轉(zhuǎn)軸 應(yīng)變型扭轉(zhuǎn)軸的結(jié)構(gòu)應(yīng)變型扭轉(zhuǎn)軸應(yīng)變片粘貼示意單元單元2 2

33、 光電編碼器式扭矩檢測光電編碼器式扭矩檢測 【知識鏈接知識鏈接】 （1）應(yīng)變型扭轉(zhuǎn)軸 扭角型扭轉(zhuǎn)軸扭轉(zhuǎn)軸的扭轉(zhuǎn)變形單元單元2 2 光電編碼器式扭矩檢測光電編碼器式扭矩檢測 【知識鏈接知識鏈接】 2絕對式光電編碼器的工作原理絕對式光電編碼器1光源；2透鏡；3編碼盤；4狹縫；5光電元件單元單元2 2 光電編碼器式扭矩檢測光電編碼器式扭矩檢測 【知識鏈接知識鏈接】 2絕對式光電編碼器的工作原理絕對式光電編碼器單元單元2 2 光電編碼器式扭矩檢測光電編碼器式扭矩檢測 【知識鏈接知識鏈接】 2絕對式光電編碼器的工作原理兩種光電編碼器碼盤的對比透光區(qū)透光區(qū)零位標(biāo)志零位標(biāo)志增量式增量式絕對式絕對式單元單元2

34、 2 光電編碼器式扭矩檢測光電編碼器式扭矩檢測 【知識鏈接知識鏈接】 2絕對式光電編碼器的工作原理 絕對式光電編碼器的編碼盤由透明及不透明區(qū)組成，這些透明及不透明區(qū)按一定編碼構(gòu)成，編碼盤上碼道的條數(shù)就是數(shù)碼的位數(shù)。 絕對式光電編碼器測量精度取決于它所能分辨的最小角度，這與碼盤上的碼道數(shù) n 有關(guān)，即最小能分辨的角度： 為了避免位置不分明而引起的粗大誤差，可采用格雷碼（Groy code）圖案的編碼盤。3602no1 2n分辨率為：單元單元2 2 光電編碼器式扭矩檢測光電編碼器式扭矩檢測 【知識鏈接知識鏈接】 2絕對式光電編碼器的工作原理D十進(jìn)制B二進(jìn)制R格雷碼D十進(jìn)制B二進(jìn)制R格雷碼01234

35、5670000000100100011010001010110011100000001001100100110011101010100891011121314151000100110101011110011011110111111001101111111101010101110011000自然二進(jìn)制碼和格雷碼的比較 單元單元2 2 光電編碼器式扭矩檢測光電編碼器式扭矩檢測 【知識鏈接知識鏈接】 2絕對式光電編碼器的工作原理絕對式光電編碼器測角儀原理圖1光源；2聚光鏡；3編碼盤；4狹縫光闌單元單元2 2 光電編碼器式扭矩檢測光電編碼器式扭矩檢測 【知識鏈接知識鏈接】 3扭矩傳感器的工業(yè)安裝和注意

36、事項（1）扭矩傳感器的工業(yè)安裝 扭矩傳感器安裝在環(huán)境溫度相對比較高的地方，而且相對濕度最好是小于90%，無易燃、易爆品的環(huán)境里，工業(yè)扭矩傳感器在磁場對磁場的屏蔽也是很重要的，一般的扭矩傳感器是不宜安裝在強電磁干擾的環(huán)境中。 扭矩傳感器安裝方式為水平安裝和垂直安裝。 扭矩傳感器的連接方式為彈性柱銷聯(lián)軸器連接和剛性聯(lián)軸器連接，扭矩傳感器與動力設(shè)備、負(fù)載設(shè)備之間的連接也是相當(dāng)重要的，對于工業(yè)化的應(yīng)用中應(yīng)該是需要非常的穩(wěn)定。單元單元2 2 光電編碼器式扭矩檢測光電編碼器式扭矩檢測 【知識鏈接知識鏈接】 （2）扭矩傳感器安裝的注意事項 安裝時不能帶電操作，切莫直接敲打、碰撞傳感器。 聯(lián)軸器的緊固螺栓應(yīng)擰

37、緊，聯(lián)軸器的外面應(yīng)加防護(hù)罩，避免人身傷害。 信號線輸出不得對地、對電源短路，輸出電流不大于10mA，屏蔽電纜線的屏蔽層必須與 +15V電源的公共端（電源地）連接。 動力設(shè)備、傳感器、負(fù)載設(shè)備應(yīng)安裝在穩(wěn)固的基礎(chǔ)上，以避免過大的震動，否則可能發(fā)生數(shù)據(jù)不穩(wěn)，降低測量精度，甚至損壞扭矩傳感器。單元單元2 2 光電編碼器式扭矩檢測光電編碼器式扭矩檢測 【知識鏈接知識鏈接】 4扭矩檢測的應(yīng)用范圍和需要解決的問題（1）扭矩檢測的應(yīng)用范圍 電動機、發(fā)動機、內(nèi)燃機等旋轉(zhuǎn)動力設(shè)備輸出扭矩及功率的檢測； 風(fēng)機、水泵、齒輪箱、扭力板手的扭矩及功率的檢測； 汽車、拖拉機、飛機、船舶、等扭矩及功率檢測； 可用于污水處理系

38、統(tǒng)中的扭矩及功率的檢測； 可用于制造粘度計； 可用于過程工業(yè)和流程工業(yè)中； 可以應(yīng)用于實驗室，測試部門及生產(chǎn)監(jiān)控和質(zhì)量控制等。單元單元2 2 光電編碼器式扭矩檢測光電編碼器式扭矩檢測 【知識鏈接知識鏈接】 （2）扭矩檢測需要解決的問題 解決接觸式應(yīng)變扭矩檢測中應(yīng)變計的引線需要靠滑環(huán)引出，長時間工作后，滑環(huán)容易發(fā)熱老化，甚至斷裂脫落問題；解決小扭矩測量時傳感器工作在非線性區(qū)的問題; 解決較大扭矩測量時不易測量和變形過大等問題。 解決非接觸扭矩檢測由于溫度、算法等因素的影響以及相關(guān)信號的采集困難，精度還需要進(jìn)一步提高的問題；解決靜態(tài)扭矩測量方面的技術(shù)難題。 單元單元2 2 光電編碼器式扭矩檢測光電

39、編碼器式扭矩檢測 【應(yīng)用案例應(yīng)用案例】 扭矩/轉(zhuǎn)速組合型傳感器 在汽車制造業(yè)中，扭矩與轉(zhuǎn)速的檢測應(yīng)用非常廣泛，且常常是需要兩個參數(shù)同時檢測。 1扭矩/轉(zhuǎn)速傳感器的外形結(jié)構(gòu)JN338扭矩傳感器外形圖 如圖，主要由外殼、端蓋、轉(zhuǎn)軸、底座和電路板盒構(gòu)成。信號放大與整形電路裝于電路板盒中，傳感器電源輸入與檢測信號的輸出，均通過電路板盒上的插座連接。單元單元2 2 光電編碼器式扭矩檢測光電編碼器式扭矩檢測 【應(yīng)用案例應(yīng)用案例】 2傳感器電路的基本構(gòu)成 應(yīng)變片粘貼在轉(zhuǎn)軸上，并連接成橋路。在扭轉(zhuǎn)軸上安裝著在其周邊上開有60條齒縫的測速輪，相對于測速輪的位置在傳感器外殼上安裝的一只由發(fā)光二極管及光敏三極管組成

40、的槽型光電開關(guān)架。 激勵電源、穩(wěn)壓電源和放大整形（兩個）四個環(huán)節(jié)的電路均焊裝在一塊印制電路板上，并固定在傳感器外殼上的接線盒中。+15V電源、扭矩和轉(zhuǎn)速信號均由接線盒上的航空插座引入和輸出。 單元單元2 2 光電編碼器式扭矩檢測光電編碼器式扭矩檢測 【應(yīng)用案例應(yīng)用案例】 2傳感器電路的基本構(gòu)成JN338扭矩/轉(zhuǎn)速電路的基本結(jié)構(gòu)圖單元單元2 2 光電編碼器式扭矩檢測光電編碼器式扭矩檢測 【應(yīng)用案例應(yīng)用案例】 3扭矩與轉(zhuǎn)速的檢測原理 （1）扭矩測量原理 電源與信號的傳遞采用環(huán)形變壓器的器件，用電磁感應(yīng)原理實現(xiàn)非接觸的傳遞 。 當(dāng)傳感器的扭轉(zhuǎn)軸承受了外加扭矩產(chǎn)生應(yīng)變時，應(yīng)變片電阻發(fā)生改變，其應(yīng)變橋路

41、輸出相應(yīng)的電壓（毫伏級），經(jīng)扭矩放大電路放大成伏特級電壓信號后，再經(jīng)V/F變換電路變成與電壓大小相對應(yīng)的頻率信號，送入信號環(huán)形變壓器的初級繞組，經(jīng)外殼上的信號環(huán)形變壓器次級繞組感應(yīng)后送入信號電路處理（放大和整形），最后，經(jīng)航空插座輸出與扭矩相關(guān)的頻率信號。 單元單元2 2 光電編碼器式扭矩檢測光電編碼器式扭矩檢測 【應(yīng)用案例應(yīng)用案例】 （2）轉(zhuǎn)速測量原理 轉(zhuǎn)速的檢測則采用光電式的，即在旋轉(zhuǎn)體上安裝齒狀遮光盤，并用光電耦合器作為發(fā)光和受光元件。+15V的直流電源經(jīng)穩(wěn)壓電路變?yōu)?8V的穩(wěn)定電壓，再經(jīng)限流電阻為發(fā)光二極管提供電源。 發(fā)光二極管和光敏三極管分別裝于測速輪的兩側(cè)。當(dāng)傳感器的轉(zhuǎn)軸隨動力設(shè)備（電動機）旋轉(zhuǎn)時，測速輪也隨之通俗旋轉(zhuǎn)，由于測速輪上開有60條齒縫，故每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)，固定在測速輪另一側(cè)的光敏三極管就開關(guān)60次，也即發(fā)出60個脈沖信號。該信號送入信號電路處理（放大和整形），最后經(jīng)航空插座輸出。單元單元2 2 光電編碼器式扭矩檢測光電編碼器式扭矩檢測 【拓展提高拓展提高】 1應(yīng)變式扭矩檢測 當(dāng)扭矩軸受到扭矩作用而發(fā)生扭轉(zhuǎn)時，在相對于軸中心線45 方向上會產(chǎn)生壓縮及拉伸力，從而將力加在旋轉(zhuǎn)軸上。在扭轉(zhuǎn)軸適當(dāng)截面的圓周方向每隔 90 布置一個應(yīng)變片