传感器及应用 第04章 力与运动学量传感器及应用

传感器及应用第4章要点：1.金属切削力的测量方法，扭矩的测量方法2.电子皮带秤的原理，电子计价秤的组成3.振动及加速度传感器的组成原理及类型4.多普勒效应5.转速测量方法第4章力与运动学量传感器及应用

在机械制造业中，力与运动学量的测量与位移测量有着同等重要的地位。力与运动学量传感器一般都由弹性敏感元件和相应的转换元件及转换电路组成。通过本章学习，重点熟悉荷重、扭矩、速度、加速度等传感器及应用。主要内容●

4.1测力与称重

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4.2运动学量传感器及应用4.1测力与称重力学量包括：力、力矩、应力、质量和称重等。位移传感器与变换力的弹性敏感元件组合可以测量力。测力与称重在原理上基本相同，但在定义、评价和计量性能上却有很大差异。称重是使用地点重力加速度和空气浮力来测量质量的，而测力则用于力值比较和传递。力的单位用牛顿（N）及其倍、分量，而质量的单位用克（g）及其倍、分量，1kg≈9.80665N。因此，目前把力学量传感器明确地分为测力传感器和称重传感器。称重传感器固定地安装在衡器上，力总是以相同的方式引入，对力引入时可能产生的误差在检定时已考虑了。测力传感器则会因安装状态不正确而受到侧向力、弯曲力的作用，因此对安装技术应提出相应要求。4.1.1测力传感器及其应用1.YDS-781型压电式单向力传感器

传感器的结构如图4-1所示，主要用于变化频率中等的动态力的测量，如车床动态切削力的测试。传感器的测力范围为0～5000N，非线性误差小于1％，电荷灵敏度为3.8～4.4μC/N，固有频率约为数十千赫。图4-1YDS-781型压电式单向力传感器的结构1—传力上盖2—压电片4—电极引出插头2.金属加工切削力的测量

如图4-2所示是利用压电陶瓷传感器进行测量刀具切削力的示意图。由于压电陶瓷元件的自振频率高，特别适合测量变化剧烈的载荷。图中压电传感器位于车刀前部的下方。图4-2刀具切削力测量示意图

如图4-3所示是拉刀的切削力试验图。在拉削加工中，因为切削速度低，可以在拉刀的卡具上粘贴应变片进行受力状态的测试。应变片与测试电路组成桥路并由放大电路及示波器进行测试。图4-3拉刀切削力试验图3.压电引信压电引信常应用在破甲弹上，对提高弹丸的破甲能力起着非常重要的作用。压电引信由压电晶体和起爆装置两部分组成，压电晶体放在弹丸的头部，起爆装置设置在弹丸的尾部，如图4-4所示。图4-4使用压电引信的破甲弹

压电引信的电路如图4-5所示。平时电雷管E处于短路保险状态，压电晶体产生的电荷将从电阻R泄放掉，不会使电雷管动作。弹丸发射后，引信起爆装置解除保险状态，开关S从a处断开与b接通，处于待发状态。图4-5压电引信电路当弹丸与装甲目标相遇时，碰撞力使压电晶体产生电荷，经导线传给电雷管使其起爆，并引起弹丸的爆炸，锥孔炸药爆炸形成的能量使药形罩熔化，形成高温高速的金属流将钢甲穿透，起到杀伤作用。4.1.2扭矩测量

扭矩是各种机械传动轴的基本载荷形式，扭矩的测量对传动轴载荷的确定、传动系统各工作零件的强度设计及电机容量的选择，都有重要意义。1.测量原理

扭矩是一种力矩，它是改变物体转动状态的原因。扭矩的大小可用下式表示：M=lF

扭矩传感器与力传感器一样，要使用弹性元件，它利用弹性体把扭矩转换为角位移，再由角位移转换成电信号输出。用于扭矩传感器的弹性元件是扭矩轴，如图4-6所示。把扭转轴连接在驱动源和负载之间，扭转轴就会产生扭转，所产生的扭转角可用下式表示：图4-6一些扭转轴的结构a）柱型b）圆台型c）方台阶型d）多个小棒型扭转轴2.扭矩传感器（1）应变片式扭矩传感器当扭转轴发生扭转时，在相对于轴中心线45°方向上产生的应力最大，应变也最大。沿扭转轴中心线45°方向粘贴四个电阻应变片，或直接粘贴如图2-3d所示的专用应变片，并组成桥式电路，将应力转换为电压输出。由此便可测量扭矩的大小。由于应变片随扭转轴旋转，为了给电桥输入电压和取出检测信号，在扭转轴上安装有集电环和电刷。它是一种接触式测量，结构复杂。

如图4-7所示，将套筒1、2分别卡在被测轴的两个相邻面上，然后将振弦5与6分别安装在套筒上的支架3、4和3＇、4＇上，安装时必须使振弦具有一定的预应力。图4-7振弦式转矩传感器1、2—套筒3、4、3’、4’—支架5、6—振弦（2）振弦式转矩传感器

当被测轴转动传递转矩T时，轴产生扭转变形，致使其两相邻截面扭转一个角度，造成振弦5和6一个受到拉力，另一个受到压力。在被测轴的弹性变形范围内，轴的扭转角与外加转矩T成正比，而振弦的张力又与扭转角成正比。可以用测量传感器输出的差频信号来测量被测轴上所承受的转矩。图4-8磁致伸缩式扭矩传感器工作原理图a）结构原理b）桥路原理

磁致伸缩式扭矩传感器的转换原理是磁致伸缩效应。采用铁磁材料制作的扭转轴在受到扭矩作用时，扭转轴中产生方向性应力，扭转轴表面的磁场分布会变得不对称，从而出现磁的各向异性。如图4-8所示是磁致伸缩式扭矩传感器工作原理图。（3）磁致伸缩式扭矩传感器

磁致伸缩式扭矩传感器具有以下优点，被广泛应用于大型动力机械的扭矩测量。①可实现非接触测量，避免了接触测量需经常检修的麻烦，也没有电刷和集流环产生的干扰信号，因而工作可靠，坚固耐用。②对扭转轴的材质要求不高，一般采用低碳钢即可。③当扭转轴切应力在3000N/cm2以下时，输出电势与扭矩呈线性关系，测量误差较小。（4）磁电式扭矩传感器

磁电式扭矩传感器是根据磁电转换和相位差原理制成的，它可以将转矩力学量转换成有一定相位差的电信号。如图4-9所示为磁电式传感器的工作原理图。图4-9磁电式扭矩传感器原理

在驱动源和负载之间的扭转轴的两侧安装有齿形圆盘，它们旁边装有相应的两个磁电传感器。当扭矩作用在扭转轴上，两个磁电传感器输出的感应电压具有与扭转轴的扭转角成正比的相位差，它与转矩测量仪表配套，可直接测量各种动力机械的转矩。这种传感器可以广泛地应用于发动机的台架试验、电机扭矩及转速的测量、减速器、变速器扭矩及转速的测量、风机扭矩和转速的测试、各种旋转机械扭矩及转速的测试等场合。

这种将扭矩转换成电信号相位差的方法，也可以用光电式、霍尔式、电感式、电容式等传感器，这些都是非接触式测量，应用广泛。4.1.3电子皮带秤

电子皮带秤是一种能连续称量散状颗粒物料重量的装置，它不但可以对某一瞬间在输送带上的输送物料重量进行称重，而且还可以在某段时间内输送的物料总重进行称重。因此，电子皮带秤在建材水泥、煤矿、冶金化工和粮仓、码头得到了普遍的应用。电子皮带秤的工作原理如图4-10所示。在电子皮带秤某一称量区间的物料重量为W（t）=q（t）L皮带在单位时间内的输送量为Q（t）=q（t）v（t）

只要将测力传感器输出并经放大的信号电压U1和测速传感器经F/V转换电路输出的电压信号U2经乘法器相乘，便可得知皮带在单位时间内的输送量。将此值经积分器积分，即可得到0～t段时间内的物料总重量，该重量可直接在显示器上显示出来。图4-10电子皮带秤工作原理图1—测速传感器2—测力传感器3—称架4—物料5—皮带4.1.4电子计价秤图4-11电子计价秤的外形图

电子计价秤，通常是指称量范围在3～30kg内带有计价功能的商用案秤。一般电子秤的外形图如图4-11所示。前面的三个数字显示窗口，左面的为质量显示，中间的为商品单价显示，右面的为计价显示。通过键盘可输入商品单价，称量物品后，计价显示窗口便显示金额。（1）称重传感器电子计价秤通常选用如图4-12所示以铝合金为材料的双复梁式结构的称重传感器。图4-12双复梁式称重传感器a)双连椭圆孔结构b)四连孔结构典型的15kg计价电子秤的称重传感器的技术性能要求见表4-1。表4-115kg铝合金传感器性能测量范围0～20kg最大激励电压15V非线性(包括滞后)0.02%F.S输入阻抗406±15Ω重复性0.01%F.S输出阻抗351±3Ω蠕变(30min)0.02%F.S允许工作温度-30～+80℃输出灵敏度1.8±O.09mV／V安全超载范围130%

如图4-13所示是R208A型电子计价称电路原理图。LC表示传感器，放大器可选用OP07或ICL7650。采用低价格的、能自动归零的双积分式A/D转换器，量程电压为0～2.8V。逻辑电路是以8039单片机为核心，由DIP开关/键盘扫描、打印接口等组成。

（2）电路原理图4-13R208A型电子计价称电路原理图

4.2运动学量传感器及应用运动学量包括：速度、角速度、加速度、角加速度、振动、频率和时间等。

4.2.1振动的测量1.振动及其分类振动是指物体围绕平衡位置做往复运动。（1）按振动对象分为：机械振动、土木振动、运输工具振动、武器及爆炸引起的冲击振动等。（2）按振动频率分类如高频振动、低频振动、超低频振动。（3）按信号特征分类如周期振动、非周期振动、随机振动等。3.振动传感器的类型①由非接触式传感器构成振动传感器：如电感式（包括电涡流式）、电容式、霍尔式、光电式等。如图4-17所是用电涡流传感器测量金属导体试件振幅的示意图。若要测量非金属材料的振动，可用光电式传感器等。

2.振动测量的内容振动频率、振动振幅、振动速度和加速度。图4-17用电涡流传感器测量振幅原理图1—试件2—传感器

在振动测量中主要考虑传感器固有振动频率f0和被测振动频率f的关系。测量振幅当f0≤5f时测量速度当f0=f且阻尼很大时测量加速度当f0≥f时图4-18机械二阶系统②用接触式传感器构成振动传感器：如磁电式、电感式、压电式等。接触式振动传感器必须由质量块、弹簧和阻尼元件组成机械二阶系统，如图4-18所示。其固有振动频率为：4.2.2加速度传感器与刀具磨损监测加速度传感器实质上是一种测量力的装置。加速度是运动参数位移对时间的二阶微分，其运动方程是一个二阶线性微分方程。因此，需要经过一个惯性系统——质量——弹簧系统，即机械二阶系统，将加速度变成位移x或力F。所有的加速度传感器都有这样一个系统组成，所不同的是转换原理、结构形式和响应特性。根据不同的转换原理，常见的加速度传感器有应变式、电感式、电容式、磁电式、压电式等几种。1.应变式加速度传感器如图4-19所示，应变式加速度传感器是利用电阻应变片3作为转换元件，与质量块1和弹性梁2构成。应变式加速度传感器不适用于频率较高的振动和冲击场合，一般适用频率为10～60Hz。图4-19应变式加速度传感器结构示意图1—质量块2—等强度弹性梁3—电阻应变片4—壳体2.电容式加速度传感器近年来，利用表面微加工技术制造电容式加速度传感器发展迅速。它的核心部分只有Φ3mm左右，与测量转换电路封装在一起，有8脚帽型TO-5金属封装，也有16脚DIP封装，形同普通的集成电路。图4-20表面微加工的电容式加速度传感器1—第一层多晶硅2—第二层多晶硅3—第三层多晶硅4—悬臂5—绝缘体（1）表面微加工的电容式加速度传感器如图4-20所示图4-21电容加速度传感器结构示意图a）静止时b）有加速度时1—固定点2—弯曲梁3—固定极片4—动极片（2）ADXL50电容式集成加速度传感器如图4-22所示

图4-22ADXL50集成加速度传感器框图3.电感式加速度传感器如图4-23所示为差动变压器式加速度传感器的原理结构示意图。

图4-23差动变压器式加速度传感器原理结构示意图1—悬臂梁2—差动变压器4.磁电式加速度传感器如图4-24所示图4-24动圈式振动加速度传感器结构示意图

压电式加速度传感器是利用晶体的压电效应工作的，它主要由压电元件、质量块、弹性元件以及外壳等组成。如图4-25a所示是一种压缩式压电加速计的结构原理图。如图5-25b所示是利用切变效应的压电加速计的结构原理图。图4-25压电式加速度计a）压缩式b）剪切式1—壳体2—弹簧3—质量块4—压电片5—基座6—质量环7—压电陶瓷圆筒8—引线9—基座5.压电式加速度传感器6.刀具磨损振动监测法

在数控加工的切削过程中，刀具磨损与破损的在线自动检测常常采用电动机功率与电流法、声发射法、切削力法、光学法和图像法。4-26刀具磨损测试示意图（1）系统选择用加速度传感器检测和分析系统如图4-26所示。

（2）刀具磨损过程的频谱特性如图4-27所示，随着刀具磨损，主峰频率位置开始向低频移动。随着刀具磨损量的增加，主峰幅值开始增加较快，然后趋向平缓。尤其是从正常磨损阶段向急剧磨损阶段过渡或是刀具即将发生破损时，频谱特性的变化相当显著。图4-27特征频率随时间的变化规律图4.2.3多普勒效应测量线速度1.多普勒效应当声源、光源及微波等波源与观测者之间有相对运动时观测到的频率与静止情况下不相同，这种现象称为多普勒效应。

当位置固定的发射器发出一个固定频率的电磁波作用于一个运动的物体时，反射回来的电磁波的频率同样会发生变化，这种变化的频率称为频移，也叫多普勒频率。多普勒频率为fd＝fR－f0=±2v/λ0

当发射机和接收机在同一地点，两者无相对运动，而被测物体以速度v向发射机和接收机运动时，被测物体的运动速度v可以用上式表示的多普勒频率来描述。当物体作接近运动时，v取正值；当物体作远离运动时，v取负值。

多普勒雷达由发射机、接受机、混频器、检波器、放大器及处理电路等组成。当发射信号和接收到的回波信号经混频器混频后，两者产生差频现象