傳感器及應(yīng)用 第04章 力與運(yùn)動(dòng)學(xué)量傳感器及應(yīng)用

傳感器及應(yīng)用第4章要點(diǎn)：1.金屬切削力的測(cè)量方法，扭矩的測(cè)量方法2.電子皮帶秤的原理，電子計(jì)價(jià)秤的組成3.振動(dòng)及加速度傳感器的組成原理及類(lèi)型4.多普勒效應(yīng)5.轉(zhuǎn)速測(cè)量方法第4章力與運(yùn)動(dòng)學(xué)量傳感器及應(yīng)用

在機(jī)械制造業(yè)中，力與運(yùn)動(dòng)學(xué)量的測(cè)量與位移測(cè)量有著同等重要的地位。力與運(yùn)動(dòng)學(xué)量傳感器一般都由彈性敏感元件和相應(yīng)的轉(zhuǎn)換元件及轉(zhuǎn)換電路組成。通過(guò)本章學(xué)習(xí)，重點(diǎn)熟悉荷重、扭矩、速度、加速度等傳感器及應(yīng)用。主要內(nèi)容●

4.1測(cè)力與稱(chēng)重

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4.2運(yùn)動(dòng)學(xué)量傳感器及應(yīng)用4.1測(cè)力與稱(chēng)重力學(xué)量包括：力、力矩、應(yīng)力、質(zhì)量和稱(chēng)重等。位移傳感器與變換力的彈性敏感元件組合可以測(cè)量力。測(cè)力與稱(chēng)重在原理上基本相同，但在定義、評(píng)價(jià)和計(jì)量性能上卻有很大差異。稱(chēng)重是使用地點(diǎn)重力加速度和空氣浮力來(lái)測(cè)量質(zhì)量的，而測(cè)力則用于力值比較和傳遞。力的單位用牛頓（N）及其倍、分量，而質(zhì)量的單位用克（g）及其倍、分量，1kg≈9.80665N。因此，目前把力學(xué)量傳感器明確地分為測(cè)力傳感器和稱(chēng)重傳感器。稱(chēng)重傳感器固定地安裝在衡器上，力總是以相同的方式引入，對(duì)力引入時(shí)可能產(chǎn)生的誤差在檢定時(shí)已考慮了。測(cè)力傳感器則會(huì)因安裝狀態(tài)不正確而受到側(cè)向力、彎曲力的作用，因此對(duì)安裝技術(shù)應(yīng)提出相應(yīng)要求。4.1.1測(cè)力傳感器及其應(yīng)用1.YDS-781型壓電式單向力傳感器

傳感器的結(jié)構(gòu)如圖4-1所示，主要用于變化頻率中等的動(dòng)態(tài)力的測(cè)量，如車(chē)床動(dòng)態(tài)切削力的測(cè)試。傳感器的測(cè)力范圍為0～5000N，非線(xiàn)性誤差小于1％，電荷靈敏度為3.8～4.4μC/N，固有頻率約為數(shù)十千赫。圖4-1YDS-781型壓電式單向力傳感器的結(jié)構(gòu)1—傳力上蓋2—壓電片4—電極引出插頭2.金屬加工切削力的測(cè)量

如圖4-2所示是利用壓電陶瓷傳感器進(jìn)行測(cè)量刀具切削力的示意圖。由于壓電陶瓷元件的自振頻率高，特別適合測(cè)量變化劇烈的載荷。圖中壓電傳感器位于車(chē)刀前部的下方。圖4-2刀具切削力測(cè)量示意圖

如圖4-3所示是拉刀的切削力試驗(yàn)圖。在拉削加工中，因?yàn)榍邢魉俣鹊?，可以在拉刀的卡具上粘貼應(yīng)變片進(jìn)行受力狀態(tài)的測(cè)試。應(yīng)變片與測(cè)試電路組成橋路并由放大電路及示波器進(jìn)行測(cè)試。圖4-3拉刀切削力試驗(yàn)圖3.壓電引信壓電引信常應(yīng)用在破甲彈上，對(duì)提高彈丸的破甲能力起著非常重要的作用。壓電引信由壓電晶體和起爆裝置兩部分組成，壓電晶體放在彈丸的頭部，起爆裝置設(shè)置在彈丸的尾部，如圖4-4所示。圖4-4使用壓電引信的破甲彈

壓電引信的電路如圖4-5所示。平時(shí)電雷管E處于短路保險(xiǎn)狀態(tài)，壓電晶體產(chǎn)生的電荷將從電阻R泄放掉，不會(huì)使電雷管動(dòng)作。彈丸發(fā)射后，引信起爆裝置解除保險(xiǎn)狀態(tài)，開(kāi)關(guān)S從a處斷開(kāi)與b接通，處于待發(fā)狀態(tài)。圖4-5壓電引信電路當(dāng)彈丸與裝甲目標(biāo)相遇時(shí)，碰撞力使壓電晶體產(chǎn)生電荷，經(jīng)導(dǎo)線(xiàn)傳給電雷管使其起爆，并引起彈丸的爆炸，錐孔炸藥爆炸形成的能量使藥形罩熔化，形成高溫高速的金屬流將鋼甲穿透，起到殺傷作用。4.1.2扭矩測(cè)量

扭矩是各種機(jī)械傳動(dòng)軸的基本載荷形式，扭矩的測(cè)量對(duì)傳動(dòng)軸載荷的確定、傳動(dòng)系統(tǒng)各工作零件的強(qiáng)度設(shè)計(jì)及電機(jī)容量的選擇，都有重要意義。1.測(cè)量原理

扭矩是一種力矩，它是改變物體轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)的原因。扭矩的大小可用下式表示：M=lF

扭矩傳感器與力傳感器一樣，要使用彈性元件，它利用彈性體把扭矩轉(zhuǎn)換為角位移，再由角位移轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出。用于扭矩傳感器的彈性元件是扭矩軸，如圖4-6所示。把扭轉(zhuǎn)軸連接在驅(qū)動(dòng)源和負(fù)載之間，扭轉(zhuǎn)軸就會(huì)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)，所產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)角可用下式表示：圖4-6一些扭轉(zhuǎn)軸的結(jié)構(gòu)a）柱型b）圓臺(tái)型c）方臺(tái)階型d）多個(gè)小棒型扭轉(zhuǎn)軸2.扭矩傳感器（1）應(yīng)變片式扭矩傳感器當(dāng)扭轉(zhuǎn)軸發(fā)生扭轉(zhuǎn)時(shí)，在相對(duì)于軸中心線(xiàn)45°方向上產(chǎn)生的應(yīng)力最大，應(yīng)變也最大。沿扭轉(zhuǎn)軸中心線(xiàn)45°方向粘貼四個(gè)電阻應(yīng)變片，或直接粘貼如圖2-3d所示的專(zhuān)用應(yīng)變片，并組成橋式電路，將應(yīng)力轉(zhuǎn)換為電壓輸出。由此便可測(cè)量扭矩的大小。由于應(yīng)變片隨扭轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，為了給電橋輸入電壓和取出檢測(cè)信號(hào)，在扭轉(zhuǎn)軸上安裝有集電環(huán)和電刷。它是一種接觸式測(cè)量，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

如圖4-7所示，將套筒1、2分別卡在被測(cè)軸的兩個(gè)相鄰面上，然后將振弦5與6分別安裝在套筒上的支架3、4和3＇、4＇上，安裝時(shí)必須使振弦具有一定的預(yù)應(yīng)力。圖4-7振弦式轉(zhuǎn)矩傳感器1、2—套筒3、4、3’、4’—支架5、6—振弦（2）振弦式轉(zhuǎn)矩傳感器

當(dāng)被測(cè)軸轉(zhuǎn)動(dòng)傳遞轉(zhuǎn)矩T時(shí)，軸產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形，致使其兩相鄰截面扭轉(zhuǎn)一個(gè)角度，造成振弦5和6一個(gè)受到拉力，另一個(gè)受到壓力。在被測(cè)軸的彈性變形范圍內(nèi)，軸的扭轉(zhuǎn)角與外加轉(zhuǎn)矩T成正比，而振弦的張力又與扭轉(zhuǎn)角成正比?？梢杂脺y(cè)量傳感器輸出的差頻信號(hào)來(lái)測(cè)量被測(cè)軸上所承受的轉(zhuǎn)矩。圖4-8磁致伸縮式扭矩傳感器工作原理圖a）結(jié)構(gòu)原理b）橋路原理

磁致伸縮式扭矩傳感器的轉(zhuǎn)換原理是磁致伸縮效應(yīng)。采用鐵磁材料制作的扭轉(zhuǎn)軸在受到扭矩作用時(shí)，扭轉(zhuǎn)軸中產(chǎn)生方向性應(yīng)力，扭轉(zhuǎn)軸表面的磁場(chǎng)分布會(huì)變得不對(duì)稱(chēng)，從而出現(xiàn)磁的各向異性。如圖4-8所示是磁致伸縮式扭矩傳感器工作原理圖。（3）磁致伸縮式扭矩傳感器

磁致伸縮式扭矩傳感器具有以下優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于大型動(dòng)力機(jī)械的扭矩測(cè)量。①可實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量，避免了接觸測(cè)量需經(jīng)常檢修的麻煩，也沒(méi)有電刷和集流環(huán)產(chǎn)生的干擾信號(hào)，因而工作可靠，堅(jiān)固耐用。②對(duì)扭轉(zhuǎn)軸的材質(zhì)要求不高，一般采用低碳鋼即可。③當(dāng)扭轉(zhuǎn)軸切應(yīng)力在3000N/cm2以下時(shí)，輸出電勢(shì)與扭矩呈線(xiàn)性關(guān)系，測(cè)量誤差較小。（4）磁電式扭矩傳感器

磁電式扭矩傳感器是根據(jù)磁電轉(zhuǎn)換和相位差原理制成的，它可以將轉(zhuǎn)矩力學(xué)量轉(zhuǎn)換成有一定相位差的電信號(hào)。如圖4-9所示為磁電式傳感器的工作原理圖。圖4-9磁電式扭矩傳感器原理

在驅(qū)動(dòng)源和負(fù)載之間的扭轉(zhuǎn)軸的兩側(cè)安裝有齒形圓盤(pán)，它們旁邊裝有相應(yīng)的兩個(gè)磁電傳感器。當(dāng)扭矩作用在扭轉(zhuǎn)軸上，兩個(gè)磁電傳感器輸出的感應(yīng)電壓具有與扭轉(zhuǎn)軸的扭轉(zhuǎn)角成正比的相位差，它與轉(zhuǎn)矩測(cè)量?jī)x表配套，可直接測(cè)量各種動(dòng)力機(jī)械的轉(zhuǎn)矩。這種傳感器可以廣泛地應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)的臺(tái)架試驗(yàn)、電機(jī)扭矩及轉(zhuǎn)速的測(cè)量、減速器、變速器扭矩及轉(zhuǎn)速的測(cè)量、風(fēng)機(jī)扭矩和轉(zhuǎn)速的測(cè)試、各種旋轉(zhuǎn)機(jī)械扭矩及轉(zhuǎn)速的測(cè)試等場(chǎng)合。

這種將扭矩轉(zhuǎn)換成電信號(hào)相位差的方法，也可以用光電式、霍爾式、電感式、電容式等傳感器，這些都是非接觸式測(cè)量，應(yīng)用廣泛。4.1.3電子皮帶秤

電子皮帶秤是一種能連續(xù)稱(chēng)量散狀顆粒物料重量的裝置，它不但可以對(duì)某一瞬間在輸送帶上的輸送物料重量進(jìn)行稱(chēng)重，而且還可以在某段時(shí)間內(nèi)輸送的物料總重進(jìn)行稱(chēng)重。因此，電子皮帶秤在建材水泥、煤礦、冶金化工和糧倉(cāng)、碼頭得到了普遍的應(yīng)用。電子皮帶秤的工作原理如圖4-10所示。在電子皮帶秤某一稱(chēng)量區(qū)間的物料重量為W（t）=q（t）L皮帶在單位時(shí)間內(nèi)的輸送量為Q（t）=q（t）v（t）

只要將測(cè)力傳感器輸出并經(jīng)放大的信號(hào)電壓U1和測(cè)速傳感器經(jīng)F/V轉(zhuǎn)換電路輸出的電壓信號(hào)U2經(jīng)乘法器相乘，便可得知皮帶在單位時(shí)間內(nèi)的輸送量。將此值經(jīng)積分器積分，即可得到0～t段時(shí)間內(nèi)的物料總重量，該重量可直接在顯示器上顯示出來(lái)。圖4-10電子皮帶秤工作原理圖1—測(cè)速傳感器2—測(cè)力傳感器3—稱(chēng)架4—物料5—皮帶4.1.4電子計(jì)價(jià)秤圖4-11電子計(jì)價(jià)秤的外形圖

電子計(jì)價(jià)秤，通常是指稱(chēng)量范圍在3～30kg內(nèi)帶有計(jì)價(jià)功能的商用案秤。一般電子秤的外形圖如圖4-11所示。前面的三個(gè)數(shù)字顯示窗口，左面的為質(zhì)量顯示，中間的為商品單價(jià)顯示，右面的為計(jì)價(jià)顯示。通過(guò)鍵盤(pán)可輸入商品單價(jià)，稱(chēng)量物品后，計(jì)價(jià)顯示窗口便顯示金額。（1）稱(chēng)重傳感器電子計(jì)價(jià)秤通常選用如圖4-12所示以鋁合金為材料的雙復(fù)梁式結(jié)構(gòu)的稱(chēng)重傳感器。圖4-12雙復(fù)梁式稱(chēng)重傳感器a)雙連橢圓孔結(jié)構(gòu)b)四連孔結(jié)構(gòu)典型的15kg計(jì)價(jià)電子秤的稱(chēng)重傳感器的技術(shù)性能要求見(jiàn)表4-1。表4-115kg鋁合金傳感器性能測(cè)量范圍0～20kg最大激勵(lì)電壓15V非線(xiàn)性(包括滯后)0.02%F.S輸入阻抗406±15Ω重復(fù)性0.01%F.S輸出阻抗351±3Ω蠕變(30min)0.02%F.S允許工作溫度-30～+80℃輸出靈敏度1.8±O.09mV／V安全超載范圍130%

如圖4-13所示是R208A型電子計(jì)價(jià)稱(chēng)電路原理圖。LC表示傳感器，放大器可選用OP07或ICL7650。采用低價(jià)格的、能自動(dòng)歸零的雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器，量程電壓為0～2.8V。邏輯電路是以8039單片機(jī)為核心，由DIP開(kāi)關(guān)/鍵盤(pán)掃描、打印接口等組成。

（2）電路原理圖4-13R208A型電子計(jì)價(jià)稱(chēng)電路原理圖

4.2運(yùn)動(dòng)學(xué)量傳感器及應(yīng)用運(yùn)動(dòng)學(xué)量包括：速度、角速度、加速度、角加速度、振動(dòng)、頻率和時(shí)間等。

4.2.1振動(dòng)的測(cè)量1.振動(dòng)及其分類(lèi)振動(dòng)是指物體圍繞平衡位置做往復(fù)運(yùn)動(dòng)。（1）按振動(dòng)對(duì)象分為：機(jī)械振動(dòng)、土木振動(dòng)、運(yùn)輸工具振動(dòng)、武器及爆炸引起的沖擊振動(dòng)等。（2）按振動(dòng)頻率分類(lèi)如高頻振動(dòng)、低頻振動(dòng)、超低頻振動(dòng)。（3）按信號(hào)特征分類(lèi)如周期振動(dòng)、非周期振動(dòng)、隨機(jī)振動(dòng)等。3.振動(dòng)傳感器的類(lèi)型①由非接觸式傳感器構(gòu)成振動(dòng)傳感器：如電感式（包括電渦流式）、電容式、霍爾式、光電式等。如圖4-17所是用電渦流傳感器測(cè)量金屬導(dǎo)體試件振幅的示意圖。若要測(cè)量非金屬材料的振動(dòng)，可用光電式傳感器等。

2.振動(dòng)測(cè)量的內(nèi)容振動(dòng)頻率、振動(dòng)振幅、振動(dòng)速度和加速度。圖4-17用電渦流傳感器測(cè)量振幅原理圖1—試件2—傳感器

在振動(dòng)測(cè)量中主要考慮傳感器固有振動(dòng)頻率f0和被測(cè)振動(dòng)頻率f的關(guān)系。測(cè)量振幅當(dāng)f0≤5f時(shí)測(cè)量速度當(dāng)f0=f且阻尼很大時(shí)測(cè)量加速度當(dāng)f0≥f時(shí)圖4-18機(jī)械二階系統(tǒng)②用接觸式傳感器構(gòu)成振動(dòng)傳感器：如磁電式、電感式、壓電式等。接觸式振動(dòng)傳感器必須由質(zhì)量塊、彈簧和阻尼元件組成機(jī)械二階系統(tǒng)，如圖4-18所示。其固有振動(dòng)頻率為：4.2.2加速度傳感器與刀具磨損監(jiān)測(cè)加速度傳感器實(shí)質(zhì)上是一種測(cè)量力的裝置。加速度是運(yùn)動(dòng)參數(shù)位移對(duì)時(shí)間的二階微分，其運(yùn)動(dòng)方程是一個(gè)二階線(xiàn)性微分方程。因此，需要經(jīng)過(guò)一個(gè)慣性系統(tǒng)——質(zhì)量——彈簧系統(tǒng)，即機(jī)械二階系統(tǒng)，將加速度變成位移x或力F。所有的加速度傳感器都有這樣一個(gè)系統(tǒng)組成，所不同的是轉(zhuǎn)換原理、結(jié)構(gòu)形式和響應(yīng)特性。根據(jù)不同的轉(zhuǎn)換原理，常見(jiàn)的加速度傳感器有應(yīng)變式、電感式、電容式、磁電式、壓電式等幾種。1.應(yīng)變式加速度傳感器如圖4-19所示，應(yīng)變式加速度傳感器是利用電阻應(yīng)變片3作為轉(zhuǎn)換元件，與質(zhì)量塊1和彈性梁2構(gòu)成。應(yīng)變式加速度傳感器不適用于頻率較高的振動(dòng)和沖擊場(chǎng)合，一般適用頻率為10～60Hz。圖4-19應(yīng)變式加速度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖1—質(zhì)量塊2—等強(qiáng)度彈性梁3—電阻應(yīng)變片4—?dú)んw2.電容式加速度傳感器近年來(lái)，利用表面微加工技術(shù)制造電容式加速度傳感器發(fā)展迅速。它的核心部分只有Φ3mm左右，與測(cè)量轉(zhuǎn)換電路封裝在一起，有8腳帽型TO-5金屬封裝，也有16腳DIP封裝，形同普通的集成電路。圖4-20表面微加工的電容式加速度傳感器1—第一層多晶硅2—第二層多晶硅3—第三層多晶硅4—懸臂5—絕緣體（1）表面微加工的電容式加速度傳感器如圖4-20所示圖4-21電容加速度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖a）靜止時(shí)b）有加速度時(shí)1—固定點(diǎn)2—彎曲梁3—固定極片4—?jiǎng)訕O片（2）ADXL50電容式集成加速度傳感器如圖4-22所示

圖4-22ADXL50集成加速度傳感器框圖3.電感式加速度傳感器如圖4-23所示為差動(dòng)變壓器式加速度傳感器的原理結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4-23差動(dòng)變壓器式加速度傳感器原理結(jié)構(gòu)示意圖1—懸臂梁2—差動(dòng)變壓器4.磁電式加速度傳感器如圖4-24所示圖4-24動(dòng)圈式振動(dòng)加速度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

壓電式加速度傳感器是利用晶體的壓電效應(yīng)工作的，它主要由壓電元件、質(zhì)量塊、彈性元件以及外殼等組成。如圖4-25a所示是一種壓縮式壓電加速計(jì)的結(jié)構(gòu)原理圖。如圖5-25b所示是利用切變效應(yīng)的壓電加速計(jì)的結(jié)構(gòu)原理圖。圖4-25壓電式加速度計(jì)a）壓縮式b）剪切式1—?dú)んw2—彈簧3—質(zhì)量塊4—壓電片5—基座6—質(zhì)量環(huán)7—壓電陶瓷圓筒8—引線(xiàn)9—基座5.壓電式加速度傳感器6.刀具磨損振動(dòng)監(jiān)測(cè)法

在數(shù)控加工的切削過(guò)程中，刀具磨損與破損的在線(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)常常采用電動(dòng)機(jī)功率與電流法、聲發(fā)射法、切削力法、光學(xué)法和圖像法。4-26刀具磨損測(cè)試示意圖（1）系統(tǒng)選擇用加速度傳感器檢測(cè)和分析系統(tǒng)如圖4-26所示。

（2）刀具磨損過(guò)程的頻譜特性如圖4-27所示，隨著刀具磨損，主峰頻率位置開(kāi)始向低頻移動(dòng)。隨著刀具磨損量的增加，主峰幅值開(kāi)始增加較快，然后趨向平緩。尤其是從正常磨損階段向急劇磨損階段過(guò)渡或是刀具即將發(fā)生破損時(shí)，頻譜特性的變化相當(dāng)顯著。圖4-27特征頻率隨時(shí)間的變化規(guī)律圖4.2.3多普勒效應(yīng)測(cè)量線(xiàn)速度1.多普勒效應(yīng)當(dāng)聲源、光源及微波等波源與觀測(cè)者之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)觀測(cè)到的頻率與靜止情況下不相同，這種現(xiàn)象稱(chēng)為多普勒效應(yīng)。

當(dāng)位置固定的發(fā)射器發(fā)出一個(gè)固定頻率的電磁波作用于一個(gè)運(yùn)動(dòng)的物體時(shí)，反射回來(lái)的電磁波的頻率同樣會(huì)發(fā)生變化，這種變化的頻率稱(chēng)為頻移，也叫多普勒頻率。多普勒頻率為fd＝fR－f0=±2v/λ0

當(dāng)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)在同一地點(diǎn)，兩者無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng)，而被測(cè)物體以速度v向發(fā)射機(jī)和接收機(jī)運(yùn)動(dòng)時(shí)，被測(cè)物體的運(yùn)動(dòng)速度v可以用上式表示的多普勒頻率來(lái)描述。當(dāng)物體作接近運(yùn)動(dòng)時(shí)，v取正值；當(dāng)物體作遠(yuǎn)離運(yùn)動(dòng)時(shí)，v取負(fù)值。

多普勒雷達(dá)由發(fā)射機(jī)、接受機(jī)、混頻器、檢波器、放大器及處理電路等組成。當(dāng)發(fā)射信號(hào)和接收到的回波信號(hào)經(jīng)混頻器混頻后，兩者產(chǎn)生差頻現(xiàn)象