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“傳感器說”——我的眼睛就是尺

發布時間:2023-03-10 16:18:32    瀏覽次數:0
力學試驗機五官
傳感器
 
傳感器的種類和分類多種多樣
 

 

 
 

力學試驗機常用傳感器

一. 測力傳感器:

  1. 負荷傳感器:常用于電子萬能試驗機、壓力試驗機、液壓萬能試驗機、摩擦磨損試驗機等需要測力的機型上;

  外觀結構分為:輪輻式、S型、柱式、平行梁式、懸臂梁式等;

  2. 壓力(強)傳感器:一般是一些老式液壓機型或一些超大噸位的試驗機用,用油壓換算(間接)測力;常用量程為30MPa;

二. 位移傳感器:

  1. 編碼器,連接絲杠換算位移或改裝為拉線編碼器測量位移、變形;

  2. 光柵尺,多用于彈簧試驗機;

  3. 電阻尺,一些非標機型的場合;

  4. LVDT、磁致伸縮傳感器,多用于非標機型或動態試驗機;

三. 變形傳感器:

  1. (金屬用)引伸計,用于直接測量金屬、巖石或其他變形量小的試樣的微小變形,一般最大量程在5~20mm;

  2. 大變形引伸計,用于延伸率較高的,例如橡膠等的變形測量;

  3. 視頻引伸計,高端應用場合,測量試樣變形;

 
 
 

 

 

 
輪輻式傳感器
 

輪輻式拉壓力傳感器,采用十字剪切梁結構,具有良好的自然線性、抗偏載能力強、精度高、外形高度低、安裝方便穩定,在料斗稱、汽車衡、軌道衡等電子稱中廣泛應用,在各種工業稱重系統中做力的分析與測量。

\
\輪輻式傳感器的原理:

由于它的形狀很像帶有輻條的車輪,我們稱之為輪輻式傳感器。輪輻式拉壓力傳感器,采用十字剪切梁結構,具有良好的自然線性、抗偏載能力強、精度高、外形高度低、安裝方便穩定,在料斗稱、汽車衡、軌道衡等電子稱中廣泛應用,在各種工業稱重系統中做力的分析與測量。

輪輻式傳感器的結構設計主要原則:

為了使傳感器工作狀態保持穩定,減輕外界震動干擾的影響,應盡量使彈性體在負荷作用下的彈性位移減少,使之具有較高的固有頻率。要有簡單合理的整體性結構。彈性體應盡量為一個整體,避免組合式結構。減少諸如緊固松動、焊接變形等帶來的影響。對作用力位置的變化和干擾力的影響不敏感,彈性體應變敏感區的應力分布,只隨作用力的大小而變化,彈性體工作區的工藝性能好,包括機械加工、粘貼和密封安裝工藝好。具有低外形結構,安裝方便,互換性好,低外形結構可以增強抗偏載,使工作狀態穩定。

輪輻式傳感器的工作原理:

輪輻式稱重傳感器線圈組件與殼體固定,永久磁鐵用柔軟彈簧支承。兩者的阻尼都是由金屬骨架和磁場發生相對運動而產生的電磁阻尼。動圈式和動鐵式的工作原理是完全相同的,當殼體隨被測振動體 一起振動時,由于彈簧較軟,運動部件質量相對較大,因此振動頻率足夠高(遠高于傳感器的固有頻率)時,運動部件的慣性很大,來不及跟隨振動體一起振動,近于靜止不動,振動能量幾乎全被彈簧吸收,永久磁鐵與線圈之間的相對運動速度接近于振動體振動速度。線圈與磁鐵間相對運動使線圈切割磁力線,輪輻式稱重傳感器產生與運動速度成正比的感應電動勢,線圈處于工作氣隙磁場中的匝數,稱為工作匝數;工作氣隙中磁感 應強度;每匝線圈的平均長度。

輪輻式稱重傳感器技術參數:

稱重傳感器技術參數有額定荷載,允許使用負荷,極限負荷,靈敏度,非線性,重復性,允許使用溫度,零點溫度影響,輸出靈敏系數的溫度影響,輸出阻抗,輸入阻抗,絕緣阻抗,允許最大激勵電壓,滯后,蠕變和蠕變恢復,密封防護等級,電纜長度。

1:額定載荷:傳感器在規定技術指標范圍內能夠測量的最大軸向負荷。但實際使用時,一般只用額定量程的2/3~1/3。

2:允許使用負荷(或稱安全過載):稱重傳感器允許施加的最大軸向負荷。允許在一定范圍內超負荷工作。一般為120%~150%。

3:極限負荷(或稱極限過載):稱重傳感器能承受的不使其喪失工作能力的最大軸向負荷。意即當工作超過此值時,傳感器將會受到損壞。

4:靈敏度:

輸出增量與所加的負荷增量之比。通常每輸入1V電壓時額定輸出的mV。

5:非線性:

這是表征此傳感器輸出的電壓信號與負荷之間對應關系的精確程度的參數。

6:重復性:

重復性表征傳感器在同一負荷在同樣條件下反復施加時,其輸出值是否能重復一致,這項特性更重要,更能反映傳感器的品質。國標對重復性的誤差的表述:重復性誤差可與非線性同時測定同一試驗點上3次測量的實際輸出信號值之間的最大差值。

7:允許使用溫度:

規定了此稱重傳感器能適用的場合。例常溫傳感器一般標注為:-20℃- +70℃。高溫傳感器標注為:-40℃- 250℃。溫度補償范圍:說明此傳感器在生產時已在這樣的溫度范圍內進行了補償。例常溫傳感器一般標注為-10℃- +55℃。

8:零點溫度影響(俗稱零點溫漂):

表征此傳感器在環境溫度變化時它的零點的穩定性。一般以每10℃范圍內產生的漂移為計量單位。

9:輸出靈敏系數的溫度影響(俗稱系數溫漂):

此參數表征此傳感器在環境溫度變化時輸出靈敏度的穩定性。一般以每10℃范圍內產生的漂移為計量單位。

10:輸出阻抗:

在額定技術條件下,傳感器的輸出的電阻值S+ S- [I+ I-]

11:輸入阻抗:

稱重傳感器的激勵端的電阻值,E+ E- [V+ V-]

12:絕緣阻抗:

傳感器的電路部分與彈性梁之間的絕緣阻值,越大越好,絕緣電阻的大小會影響傳感器的各項性能。而當絕緣阻抗低于某一個值時,電橋將無法正常工作。推薦激勵電壓:一般為5~12伏。因一般稱重儀表內配的穩壓直流電源為5或12伏。

13:允許最大激勵電壓:

傳感器最大可以承受的供電電壓,不推薦使用最大激勵電壓。

14:滯后:

滯后的通俗意思是:逐級施加負荷再依次卸下負荷時,對應每一級負荷,理想情況下應有一樣的讀數,但事實上下一致,這不一致的程度用滯后誤差這一指標來表示。國標中是這樣來計算滯后誤差的:同一試驗點上3次行程實際輸出信號值的算術平均與3次上行程實際輸出信號值的算術平均之間的最大差值(mV)。

15:蠕變和蠕變恢復:

要求從兩個方面檢驗傳感器的蠕變誤差:其一是蠕變:在5-10秒時間無沖擊地加上額定負荷,在加荷后5-10秒讀數,然后在30分鐘內按一定的時間間隔依次記下輸出值。其二是蠕變恢復:盡快去掉額定負荷(在5-10秒時間內),卸荷后在5-10秒內立即讀數,然后在30分鐘內按一定的時間間隔依次記下輸出值。

16:密封防護等級:

IP65,IP66,IP67,IP68:稱重傳感器的防塵和防水的性能指標。

17:電纜長度:

出廠時廠家標準配置的電纜長度。最好不要擅自增加和減小。

 
 
力傳感器
 

力傳感器(force sensor) 將力的量值轉換為相關電信號的器件。力是引起物質運動變化的直接原因。力傳感器能檢測 張力 、 拉力 、 壓力 、 重量 、 扭矩 、 內應力 和 應變 等力學量。具體的器件有金屬 應變片 、 壓力傳感器 等,在 動力設備 、 工程機械 、各類 工作母機 和 工業自動化 系統中,成為不可缺少的核心部件。 

力傳感器主要由三個部分組成:

1---力敏元件(即彈性體,常見的材料有鋁合金,合金鋼和不銹鋼)。

2---轉換元件(最為常見的是電阻應變片)。

3---電路部分(一般有漆包線,pcb板等)。

力能夠產生多種物理效應,可采用多種不同的原理和工藝,針對不同的需要設計制造力傳感器。力傳感器主要有:(1)被測力使彈性體(如彈簧、梁、波紋管、膜片等)產生相應的位移,通過位移的測量獲得力的信號。(2)彈性構件和應變片共同構成傳感器,應變片牢固粘貼在構件表面上。彈性構件受力時產生形變,使應變片電阻值變化(發生應變時,應變片幾何形狀和電阻率發生改變,導致電阻值變化),通過電阻測量獲得力的信號。應變片可由金屬箔制成,也可由半導體材料制成。(3)利用壓電效應測力。通過壓電晶體把力直接轉換為置于晶體兩面電極上的電位差。(4)力引起機械諧振系統固有頻率變化,通過頻率測量獲取力的相關信息。(5)通過電磁力與待測力的平衡,由平衡時相關電磁參數獲得力的信息。 

主要分類

應變管式

在筒壁上貼有2片或4片應變片,其中一半貼在實心部分作為溫度補償片,另一半作為測量應變片。當沒有壓力時 4片應變片組成平衡的全橋式電路;當壓力作用于內腔時,圓筒變形成“腰鼓形”,使電橋失去平衡,輸出與壓力成一定關系的電壓。這種傳感器還可以利用活塞將被測壓力轉換為力傳遞到應變筒上或通過垂鏈形狀的膜片傳遞被測壓力。應變管式壓力傳感器的結構簡單、制造方便、適用性強,在火箭彈、炮彈和火炮的動態壓力測量方面有廣泛應用。

膜片式

它的彈性敏感元件為周邊固定圓形金屬平膜片。膜片受壓力變形時,中心處徑向應變和切向應變均達到正的最大值,而邊緣處徑向應變達到負的最大值,切向應變為零。因此常把兩個應變片分別貼在正負最大應變處,并接成相鄰橋臂的半橋電路以獲得較大靈敏度和溫度補償作用。采用圓形箔式應變計(見電阻應變計)則能最大限度地利用膜片的應變效果。這種傳感器的非線性較顯著。膜片式壓力傳感器的最新產品是將彈性敏感元件和應變片的作用集于單晶硅膜片一身,即采用集成電路工藝在單晶硅膜片上擴散制作電阻條,并采用周邊固定結構制成的固態壓力傳感器(見壓阻式傳感器)。

應變梁式

測量較小壓力時,可采用固定梁或等強度梁的結構。一種方法是用膜片把壓力轉換為力再通過傳力桿傳遞給應變梁。圖3中兩端固定梁的最大應變處在梁的兩端和中點,應變片就貼在這些地方。這種結構還有其他形式,例如可采用懸梁與膜片或波紋管構成。

組合式

在組合式應變壓力傳感器中,彈性敏感元件可分為感受元件和彈性應變元件。感受元件把壓力轉換為力傳遞到彈性應變元件應變最敏感的部位,而應變片則貼在彈性應變元件的最大應變處。實際上較復雜的應變管式和應變梁式都屬于這種型式。感受元件有膜片、膜盒、波紋管、波登管等,彈性應變元件有懸臂梁、固定梁、Π形梁、 環形梁、薄壁筒等。它們之間可根據不同需要組合成多種型式。 應變式壓力傳感器主要用來測量流動介質動態或靜態壓力,例如動力管道設備的進出口氣體或液體的壓力、內燃機管道壓力等等。

提高力傳感器精度 - 補償

溫度將會使4個應變片的應變信號(電阻)在相同方向和程度變化。因為兩個正向應變和兩個負向應變被列入等式,因此溫度將不會產生輸出信號。

力傳感器補償

剩下微小的殘余誤差可以通過連接到惠斯通電橋上特殊的鎳金屬來進行修正。

另外,應變片需要進行溫度對靈敏度的補償 (TCS)。等溫度變化時,材料的 E 模量 將會降低,導致產生應變。另外,應變片的靈敏度依賴于溫度。在高溫狀況下電阻的補償將產生更大的壓降。這將降低惠斯通電橋的輸出信號。

在負載狀態下,線性誤差 也將產生變化。這可以通過對彈性體材料和結構的優化以及選擇精確的測量點來完成。

下圖列出了補償方法的總結。除了以上描述的 TKzero 和 TCS,也可以通過調整對線性和靈敏度進行補償.

 

 
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構成原理分類
 

傳感器依據構成原理可分為結構型傳感器、物性型傳感器和智能型傳感器三種類型。傳感器是一種檢測裝置,能感受到被測量的信息,并能將感受到的信息,按一定規律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出,以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。

1、結構型傳感器利用物理學場的定律(包括電場、磁場、力場等)構成的傳感器。其基本原理是以部分結構的位置變化和場的變化反映被測非電量的大小及其變化。此類傳感器大都采用機電結構和間接信號變換方式。間接變換指信號經過兩次變換,先將被測信號經過機械式檢出元件轉換成中間信號,然后再經過敏感元件轉換成電信號輸出。例如,應變電阻式壓力傳感器就是通過彈性膜片把被測壓力檢測出來并變換為應變值,再用應變電阻元件變換為便于處理的電信號輸出。結構型傳感器應用最廣,采用的測量原理主要有電磁檢測、光電檢測等。

2、物性型傳感器是利用物質特性(包括各種物理、化學、生物的效應和現象)構成的傳感器。其基本特征與構成傳感器敏感材料的特性密切相關。此類傳感器采用直接信號變換方式,用一種敏感元件將被測信號直接轉變為電信號輸出。是發展最快且引人注目的新型傳感器。利用物質的化學特性構成的傳感器稱為化學傳感器,利用生物學特性的傳感器稱為生物傳感器。這兩種傳感器都屬于物性型傳感器,研制困難但性能優越,發展潛力很大。

3、智能型傳感器是物性型傳感器進一步發展的產物。智能型指除具有檢測功能外,還具有自補償、自校正、自調整、自診斷和邏輯操作、程序控制、自動實現計量和檢測最優化等功能。這些功能往往是多功能敏感元件與微處理機或單片微型計算機相結合的結果。美國霍尼韋爾公司研制的DSTI-3000型差壓傳送器是典型的智能型傳感器。

 
 

 

 

 
END
 

 

 

 
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