力测量及静态测量系统设计

3.压磁式力传感器
工程测试技术基础
第七讲 力测量及静态测量系统设计 学习要求：
1.了解力测量分析的分类 2.建立测试系统的概念 3.了解静态测量仪器选用与设计
力、压力、转矩
测试系统的组成
力
位移 速度 加速度 压力 流量 温度
电阻式 电容式 电感式 压电式 热电式 光电式 磁电式
电桥 放大器 滤波器 调制器 解调器 运算器 阻抗变换器
上下表面的应变值为
3Fl 4Ebh2
l ——梁的长度(m); h——梁的厚度(m); b——梁的宽度(m); E——材料弹性模量(Pa) 。
其它类型
1. 膜片式, 应变片贴在膜片内壁, 在压力p作用下, 距离圆心x处
膜片产生径向应变εr和切向应变εt, 表达式分别为:
r
3P(1
2 )( R2
8h 2 E
力的单位
我国法定计量单位制和国际单位制中， 规定力的单位为牛顿（N），定义为：
使1kg质量的物体产生1 m/s2加速度的力，即 1N=1kg·m/s2 。
力值的传递
（P9 图1-6）
力的测量方法
力的测量方法可归纳为力平衡法，测位 移法和利用某些物理效应测力等。
1）力平衡式测量法是基于比较测量的原理，用一个已知力来 平衡待测的未知力，从而得出待测力的值。平衡力可以是已知 质量的重力、电磁力或气动力等。
测力传感器通常将力转换为正比于作用力大 小的电信号，依据不同的物理效应和检测原理可 分为电阻应变式、压磁式、压电式、振弦式等等。
1.电阻应变式测力传感器
工作原理：
电阻应变式测力传感器是将力作用在弹性元 件上，弹性元件在力作用下产生应变，利用贴在 弹性元件上的应变片转换成电阻的变化，然后 利用电桥将电阻转变为电压（电流）的变化，
再送到测量放大电路测量。 用标定的电压（电流）和力之间的对应关系，
测出力的大小。
弹性元件
常见有柱形、筒形、梁形弹性元件。
图 (a)为柱形弹性元件； (b) 为筒形弹性元件； (c) 为梁形弹性元件。
1)柱力式传感器
圆柱式力传感器的弹性元件分为实心和空心两种。
当力或荷重沿中心线对
F 截面积S F 面积S
频率、阻尼比、 动态误差
环
温度
工作温度范围、温度误差、温度漂移、温度系数、热滞后
境 振动、冲击 各向抗冲击振动的频率、振幅及加速度冲击所允许引入的误差
参
数
其它
抗潮湿、抗腐蚀能力
可靠性
工作寿命、平均无故障时间、保险期、疲劳性能、绝缘电阻、耐压
使用条件
电源、气源、外形尺寸、重量、备件、……安装方式、校准周期
其作用时，受力后的应变 值为：
＝ F
SE
-ε2 +ε1
F a）
+ε2 -ε1
b）
ε——沿轴向的应变；
柱式力传感器
F ——力；
E ——弹性元件的弹性模量（Pa)；
S ——弹性元件的横断面积（m2)
2. 薄壁圆环式力传感器
圆环在力的作用下，在A、B处出 现两个方向相反的最大弯矩。A、 B两 点处的应变为
量程
测量范围的上限值与下限值之差
基
过载能力
在不致引起规定性能永久改变的条件下，允许超过测量范围的能力
本 参
灵敏度
灵敏度、分辨力、阀值、满量程输出
数 静态精度 精确度、线性度、重复性、迟滞、灵敏度误差、稳定性
动 态 频率特性 频率响应范围、幅频特性、相频特性、临界频率 时间常数、固有
性 能 阶跃特性 过冲量、临界速度、稳定时间
仅几何尺寸发生变化，而其内部极化，表面有电荷出现（电荷Q 与所施加的力F成正比 ），形成电场；当外力去除，又重新回
复到原来状态，这种现象称为压电效应。 将这些物质至于交变电场中，其几何尺寸也会发生变化，这
种由于外电场作用而导致的机械变形称为逆压电现象（电致伸 缩效应）。
* 当力的方向改变时，电荷的极性随之改变，输出 电压的频率与动态力的频率相同；当动态力变为静 态力时，电荷将由于表面漏电而很快泄漏、消失。
A
1.09FR bh2 E
B
1.908FR bh2 E
h——圆环厚度(m); b——圆环宽度(m); E——材料弹性模量(Pa) 。
3．梁式力传感器
悬臂梁
上下表面的应变值为
6Fl Ebh2
l ——梁的长度(m); h——梁的厚度(m); b——梁的宽度(m); E——材料弹性模量(Pa) 。
两端固定梁
3x2 )
t
3P(1
2 )( R2
8h 2 E
x2)
p——膜片上均匀分布的压力; R, h——膜片的半径和厚度; x——离圆心的径向距离。
2．轮辐式力传感器
当弹性元件的尺寸和材料确定后，弹性元件 在外力作用下所产生的应变与外力成正比。
应变片的布置和接桥方式
工作方式
应变片所在 桥臂
单臂 R1
笔式记录仪 光线示波器 磁带记录仪 电子示波器 半导体存储器 显示器 磁卡
数据处理器 频谱分析仪
FFT 实时信号分析仪 电子计算机
被测对象 传感器
激发装置
中间变换 测量装置
显示及 记录装置
信号分析 处理装置
传感器的特性及主要性能指标
传感器的主要性能指标
项目
相应指标
测量范围 在允许误差限内传感器的被测量值的范围
经济性
价格、性价比
力的基本概念
凡是能使物体的运动状态或物体所具有的动量 发生改变而获得加速度或者使物体发生变形的作
用都称为力。
按照力产生原因的不同，可以把力分为重力、 弹性力、惯性力、膨胀力、摩擦力、浮力、电磁 力等等。
按力对时间的变化性质可分为静态力和动态力 两大类。静态力是指不变的力或变化很缓慢的力。 动态力是指随时间变化显著的力，如冲击力、交变 力或随机变化的力等。双臂 R1 R2 NhomakorabeaR1
R2
USC
R3
R4
U
四臂
R1 R2 R3 R4
输出电压U0
1 4
U
i
K
1 2
U
i
K
U i K
2.压电式力传感器
压电工式作力原传理感：器压是电基效于应石英晶体的压电效应而工作的。
1-上盖 2-石英晶片 3-电极 4-引出插头 5-绝缘材料 6-底座
压电式单向力传感器结构
压电效应 某些物质（石英、钛酸钡等），当晶体受到外力作用时，不
图3 磁电式力平衡测力系统
2） 测位移法。在力作用下，弹性元件产生变形，通过测量 未知力所引起的位移，从而间接地测得未知力值。
图4 电容式测力装置
图5 差动变压器式测力装置
3. 利用某些物理效应测力
物体在力作用下会产生某些物理效应，如应变
效应，压磁效应，压电效应等，可以利用这些效 应间接检测力值。各种类型的测力传感器就是基 于这些效应。