傳感器應(yīng)用技術(shù)（第2版）課件：力和壓力的檢測

力和壓力的檢測

項(xiàng)目一電阻應(yīng)變式傳感器測力

項(xiàng)目二壓電式傳感器測力力和壓力的檢測、調(diào)節(jié)與控制在生產(chǎn)生活中應(yīng)用非常廣泛。如圖所示是利用高精度壓力傳感器構(gòu)成的整車稱重系統(tǒng)，當(dāng)車輛進(jìn)入稱重系統(tǒng)，稱重管理部可通過系統(tǒng)監(jiān)測稱重與結(jié)算，駕駛員可通過大顯示屏看到稱重量，這樣極大地提高了稱重與結(jié)算效率。顯示打印設(shè)備監(jiān)控設(shè)備稱重管理部財務(wù)部網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫大顯示屏高精度壓力傳感器

圖5-1汽車衡稱重系統(tǒng)任務(wù)一認(rèn)識電阻應(yīng)變片

取1m長1.5㎜2的鋁芯線用電橋測量其電阻值，并作記錄。然后用鋼絲鉗分別鉗住該導(dǎo)線的兩端，用力緩慢拉伸，可觀察到鋁芯線受拉力作用變細(xì)變長，即截面積S變小，長度L增加。當(dāng)鋁芯線拉到一定的程度（不能拉斷）時，再用電橋測量其電阻值，發(fā)現(xiàn)其電阻值明顯增大。1.金屬絲拉伸與電阻值變化的實(shí)驗(yàn)因此,只要測出加在電阻的變化（通常是測量電阻兩端的電壓），即可獲得應(yīng)變金屬絲的應(yīng)變情況。2．電阻應(yīng)變片

電阻應(yīng)變片是一種將被測件上的應(yīng)變變化轉(zhuǎn)化為電阻變化，通過測量電路轉(zhuǎn)化為電信號的敏感器件。電阻應(yīng)變片是壓阻式應(yīng)變傳感器的主要組成部分，金屬電阻應(yīng)變片的工作原理是吸附在基體材料上應(yīng)變電阻隨機(jī)械形變而產(chǎn)生阻值變化的現(xiàn)象，俗稱為電阻應(yīng)變效應(yīng)。

電阻應(yīng)變片應(yīng)用最多的是金屬電阻應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片兩種。金屬電阻應(yīng)變片又有絲狀應(yīng)變片和金屬箔狀應(yīng)變片兩種。任務(wù)一認(rèn)識電阻應(yīng)變片2．電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)1)金屬電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)金屬箔式應(yīng)變片結(jié)構(gòu)金屬箔式應(yīng)變片構(gòu)造a）單軸應(yīng)變片

b）測扭矩應(yīng)變片

c）同軸多柵應(yīng)變片

d）多軸應(yīng)變片(應(yīng)變花)

2)半導(dǎo)體應(yīng)變片半導(dǎo)體應(yīng)變片的優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高；體積小；缺點(diǎn)：溫度穩(wěn)定性和可重復(fù)性不如金屬應(yīng)變片。任務(wù)二認(rèn)識彈性敏感元件

彈性敏感元件是指傳感器中由彈性材料制成的敏感元件。在傳感器的工作過程中常采用彈性敏感元件把力、壓力、力矩、振動等被測參量轉(zhuǎn)換成應(yīng)變量或位移量，然后再通過各種轉(zhuǎn)換元件把應(yīng)變量或位移量轉(zhuǎn)換成電量。彈性敏感元件的形式可以是實(shí)心或空心的圓柱體、等截面圓環(huán)、等截面或等強(qiáng)度懸臂梁、扭管等，也可以是彈簧管、膜片、膜盒、波紋管、薄壁圓筒、薄壁半球等。彈性敏感元件在傳感器中占有很重要的地位，其質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響傳感器的性能和精度。在很多情況下，它甚至是傳感器的核心部分。變形（形變）：有外力作用時，物體改變尺寸或形狀。彈性變形：外力撤消時，物體恢復(fù)原尺寸或形狀。彈性敏感元件的基本特性任務(wù)三電阻應(yīng)變式傳感器1.電阻應(yīng)變式傳感器及其用途a)箔式壓力傳感器

b)S型拉壓式傳感器

c)懸臂梁式傳感器d)高溫溶體壓力傳感器

e)光纖空氣壓力傳感器

電阻應(yīng)變式傳感器由彈性敏感元件、電阻應(yīng)變片（計）、補(bǔ)償電阻和外殼組成，可根據(jù)具體測量要求設(shè)計成多種結(jié)構(gòu)形式。彈性敏感元件受到所測量的力而產(chǎn)生變形，并使附著其上的電阻應(yīng)變片一起變形，電阻應(yīng)變片再將變形轉(zhuǎn)換為電阻值的變化，通過測量儀器，將此變化轉(zhuǎn)變成和被測物理量成比例的電信號而輸出。從而可以測量力、壓力、扭矩、位移、加速度和溫度等多種物理量。2.電阻應(yīng)變式傳感器結(jié)構(gòu)a）等截面梁

b）等強(qiáng)度梁c)平行雙孔梁

2）應(yīng)變片的安裝彈性材料1）常見電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)形式任務(wù)三電阻應(yīng)變式傳感器任務(wù)三電阻應(yīng)變式傳感器3.電阻應(yīng)變式傳感器的工作原理

將被測物理量的變化轉(zhuǎn)換成電阻值的變化，再經(jīng)相應(yīng)的測量電路顯示或記錄被測量值的變化。傳感器中應(yīng)變片的電阻變化很微弱，用萬用表無法測量，為了便于顯示和控制需將變化的電阻值轉(zhuǎn)換成電信號輸出，所以通常采用電橋作為測量電路。電橋電路有單臂電橋、半橋雙臂和全橋電路。單臂電橋電路和熱敏電阻測量溫度是一樣的。任務(wù)三電阻應(yīng)變式傳感器稱量系統(tǒng)的安裝接線圖5-12所示為四線制稱重傳感器的接線圖，其中紅（+）、黑（－）為電源（也稱激勵）輸入端，信號輸出端為綠（+）、白（－），注意輸入、輸出端的極性。四線制接法的稱重傳感器對二次儀表無特殊要求，使用起來比較方便，但當(dāng)電纜線較長時，容易受環(huán)境溫度波動等因素的影響。稱重傳感器還有六線制接法，其接線要求與之配套使用的二次儀表具備反饋輸入接口，使用范圍有一定的局限性，但不容易受環(huán)境溫度波動等因素的影響，在精密測量及長距離測量時具有一定的優(yōu)勢。由于四線制稱重傳感器使用的比較多，如果要將六線傳感器接到四線傳感器的設(shè)備上時，可以把反饋、激勵（EXN、EXC）的正極接到一起，反饋負(fù)和激勵負(fù)，接到一起，如圖5-13所示。1.稱重傳感器的接線任務(wù)三電阻應(yīng)變式傳感器稱量系統(tǒng)的安裝接線2.GE500系列稱重變送器技術(shù)資料GE500系列稱重變送器密封防水性好，可配接2-4只傳感器。工作電壓為DC12V，15V，24V，具有電壓反接保護(hù)。輸出信號：直流電流0～10mA，直流電壓0～5V或直流電流4～20mA，直流電壓1～5V。GE500系列稱重變送器外形如圖5-14所示。圖5-14GE500系列稱重變送器外形任務(wù)三電阻應(yīng)變式傳感器稱量系統(tǒng)的安裝接線3.稱重傳感器與變送器的連接將稱重傳感器與變送器按圖5-15所示的接線圖連接起來。+E、－E端子接稱重傳感器的電源輸入端，+S1、－S1端子接稱重傳感器的信號輸出端，EA接屏蔽線，也可不接。變送器的輸出接線中綠線為公共端，可為信號或電源的負(fù)極，紅線接電源正極，黃線為輸出電壓或電流信號。例如，以0～10mA模擬信號的形式送出到二次儀表或顯示儀器，如系統(tǒng)設(shè)置為0mA對應(yīng)0kg，10mA對應(yīng)最大值××kg即可完成稱重。圖5-15稱重傳感器與變送器連接圖任務(wù)三電阻應(yīng)變式傳感器稱量系統(tǒng)的安裝接線4.稱重傳感器的安裝與注意事項(xiàng)1）要安裝一個準(zhǔn)確的稱量系統(tǒng)，必須確保所有傳感器是垂直受力的，而且所有傳感器受力是均勻的。如圖5-6所示的傳感器都是垂直向下受力。安裝時定位要準(zhǔn)確并考慮熱脹冷縮等原因引起水平側(cè)向力，如圖5-16所示。圖5-16安裝不正確，引起水平側(cè)向力側(cè)向力端向力側(cè)向力2）稱重傳感器安裝面與安裝底座應(yīng)保持水平或平行，不偏斜，否則，會形成偏載，嚴(yán)重影響傳感器計量精度，如圖5-17所示。圖5-17傳感器安裝傾斜、偏載傳感器傾斜、偏載，受力不均勻不平行連接件傾斜、偏載、受力不均勻任務(wù)三電阻應(yīng)變式傳感器稱量系統(tǒng)的安裝接線4.需要安裝墊圈的傳感器，則需在螺桿上套上墊圈方可安裝。在緊固螺桿前，需涂抹少許黃油，防止螺桿生銹及拆裝方便。3.安裝、更換傳感器時，須選擇合適的力矩扳手，調(diào)整至傳感器所緊固的力矩要求。力矩過松，導(dǎo)致傳感器計量不準(zhǔn)確，重復(fù)性不好。力矩過緊，導(dǎo)致傳感器緊固螺桿拉伸、變形，起不到緊固作用。7.傳感器接線完成后，用堵頭堵死接線盒多余的接線孔并加以密封，否則，接線盒會進(jìn)灰受潮導(dǎo)致線路板受污染，數(shù)據(jù)不規(guī)律跳動或上下漂移。圖5-19所示為多余接線孔末加封堵。6.嚴(yán)禁在安裝傳感器時，少裝緊固螺桿，否則，螺桿會拉伸、變形，甚至可能造成安全事故。如圖5-18所示。5.嚴(yán)禁在多個傳感器構(gòu)成的稱量系統(tǒng)中，隨意加長或剪短某一部分傳感器電纜。多余接線孔沒有堵塞只安裝了一個固定螺桿圖5-18少裝緊固螺桿圖5-19多余接線孔末加封堵項(xiàng)目二職業(yè)崗位應(yīng)知應(yīng)會目標(biāo)利用壓電式傳感器測力1．了解壓電式傳感器的材料及結(jié)構(gòu)2．熟悉壓電式傳感器的基本工作原理和應(yīng)用3．通過實(shí)訓(xùn)掌握壓電式傳感器的使用方法任務(wù)一壓電式傳感器

將指針式萬用表撥至2.5V擋，左手食指與拇指輕輕捏住壓電陶瓷蜂鳴片的兩面，右手持兩只表筆，連接于接線端子，眼睛注視儀表指針。左手食指與拇指用力緊壓一下，可觀察到指針向右擺——回零的現(xiàn)象；隨即兩手指放松，又可觀察到指針向左擺—回零的現(xiàn)象，每次擺動幅度約0.1V。若交換表筆位置后重新試驗(yàn)，指針擺動的順序?yàn)橄蜃髷[—回零—向右擺—回零，如圖a所示。[壓電試驗(yàn)]壓電陶瓷蜂鳴片將萬用表換成揚(yáng)聲器連接于接線端子，如b所示，則兩手指壓、松時能聽到響亮的“喀喀”聲。實(shí)驗(yàn)說明，壓電晶體（陶瓷）在受力的情況下能產(chǎn)生電壓信號，而且力的方向改變，電壓信號的極性也改變。力不改變（靜力）時，無電壓信號。即壓電晶體是一個力—電轉(zhuǎn)換器件，而且力必須是動態(tài)的。

a)用萬用表觀察壓電試驗(yàn)

b)用揚(yáng)聲器“聽”壓電試驗(yàn)任務(wù)三電阻應(yīng)變式傳感器稱量系統(tǒng)的安裝接線[知識學(xué)習(xí)]1.壓電式傳感器的工作原理壓電式傳感器的原理是基于某些晶體材料的壓電效應(yīng)，當(dāng)這些晶體受壓力作用發(fā)生機(jī)械變形時，在其相對的兩個側(cè)面上產(chǎn)生異性電荷，這種現(xiàn)象稱為“壓電效應(yīng)”。

壓電傳感器中主要使用的壓電材料有石英晶體、酒石酸鉀鈉和磷酸二氫胺。其中石英晶體（二氧化硅）是一種天然晶體，壓電效應(yīng)就是在這種晶體中發(fā)現(xiàn)的，在一定的溫度范圍之內(nèi)，壓電性質(zhì)一直存在，但溫度超過這個范圍之后，壓電性質(zhì)完全消失（這個高溫就是所謂的“居里點(diǎn)”）2.壓電式傳感器的結(jié)構(gòu)壓電式單向測力傳感器3向測力傳感器結(jié)構(gòu)圖

壓電效應(yīng)是壓電傳感器的主要工作原理。壓電元件在交變力的作用下，電荷可以不斷補(bǔ)充，可以供給測量回路以一定的電流，故只適用于測量動態(tài)的應(yīng)力（一般必須高于100Hz，但在50kHz以上時，靈敏度下降），不能用于靜態(tài)測量。任務(wù)二簡易壓電式傳感器的制作1.實(shí)驗(yàn)電路及原理本實(shí)驗(yàn)裝置采用基本的單管共發(fā)射極放大電路，由傳感器SP、R、RP充當(dāng)分壓電路，當(dāng)V基極電流Ib變化，且Ube≥0.7V時，控制V導(dǎo)通，驅(qū)動發(fā)光管LED發(fā)光。注意在V基極上接有4.7KΩ電阻，用它保護(hù)三極管的發(fā)射結(jié)，以免短路時Ib電流過大損壞V。2.實(shí)驗(yàn)步驟1）按照圖連接好壓電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)電路；2）用手指頭輕輕敲擊或碰撞壓電陶瓷片SP時，由于SP彎曲形變而產(chǎn)生電荷