机械量概述及力的检测课件

第3章机械量检测技术

3.1机械量及其检测技术概述3.2力的检测3.3压力的检测3.4力矩的检测3.5位移的检测3.6物位的检测3.7速度、加速度及振动检测3.8流量的检测3.9无损探伤第3章机械量检测技术3.1机械量及其检测技术概述13.1机械量及其检测技术概述机械量是表征机械运动的基本物理量。物理学中把物体（固体和流体）位置的变化称为机械运动。广义的机械量包括几何量（位移、转角、厚度、物位、尺寸等）、力学量（力、重量、压力、力矩等）及运动量（速度、加速度、振动、流量等）等参数。3.1机械量及其检测技术概述机械量是表征机械运动的基本物理2机械量检测方法按检测原理分类:机械式光学式电磁式辐射式机械量检测方法按检测原理分类:3(1)机械式检测方法

是以弹性元件作为传感器的敏感元件，把被测量的变化转化为弹性元件的形变，即位移的变化，这种弹性形变经驱动机构带动表盘指针偏转，借助刻度指示被测量的大小。(1)机械式检测方法是以弹性元件作为传感器的敏感元件，把被4(2)电磁式检测方法是通过传感器敏感元件把被测量的变化直接或间接转化为电路参数的变化，经测量电路转化为电信号输出。例如：电阻应变传感器、电容传感器、电感传感器、压电传感器等。(2)电磁式检测方法是通过传感器敏感元件把被测量的变化直接或5(3)光学式检测方法

是将被测量的变化转换成光信号的变化，再通过光电转换元件或装置转换为电信号进行测量。例如光纤传感器测位移是基于位移-光通量变换原理，光纤光栅传感器测应力是基于应力-光谱波长变换原理。(3)光学式检测方法是将被测量的变化转换成光信号的变化，再6(4)辐射式检测方法

是通过传感器将被测量的变化转化成辐射能变化，再通过探测元件转化成电量。例如利用超声波、x、

、

射线测厚及探伤，核辐射传感器测量重量、流量、物位等。(4)辐射式检测方法是通过传感器将被测量的变化转化成辐射能73.2力的检测

力的基本概念常用检测方法应变式力的检测压电式力的检测3.2力的检测力的基本概念83.2.1力的基本概念力是物体与物体之间的相互作用，凡是能使物体具有动力效应或静力效应的作用都称为力。动力效应：在外力作用下使受力物获得加速度，改变物体的运动状态；静力效应：在外力作用下使受力物发生弹性形变，在物体内部产生应力。

3.2.1力的基本概念力是物体与物体之间的相互作用，凡是能使9力的分类

按照力产生的性质分：重力、应力、电磁力、弹性力、惯性力、膨胀力、摩擦力等等。按照力作用效果分：拉力、压力、动力、阻力等。按随时间的变化性质可分：静态力和动态力力的分类按照力产生的性质分：10常用力的测量方法检测方法测量原理力平衡法机械式力平衡法装置用一个已知力来平衡待测的未知力（杠杆原理）磁电式力平衡装置位移法

电容式力-位移-电容测量未知力所引起的弹性元件产生位移（变形），从而间接地测得未知力值电感式力-位移-电感频率式振弦式力-振动-频率利用机械振动系统，通过测量振弦弹性体的频率变化测待测力物理效应法电阻应变效应力——弹性体应变--电阻变化压电效应力——压电材料——产生电荷压磁效应力-——铁磁材料——导磁率变化霍尔效应力-——半导体材料——电动势光纤效应力-——光纤材料——光特性变化常用力的测量方法检测方法测量原理机械式力平衡法装置用一个已知113.2.2应变式力的检测应变式力传感器---是基于电阻应变效应，将被测量的变化转换成传感元件电阻值的变化，再经过转换电路变成电信号输出的测力装置。主要由应变片、弹性元件和测量电路组成。视弹性元件结构形式和受载性质不同有许多种类。应变式力传感器主要用来测量荷重和力。3.2.2应变式力的检测应变式力传感器---是基于电阻应变12 弹性元件弹性元件：压力作用下产生弹性变形，变形大小与被测压力有关。是弹性式压力计的测压敏感元件。常用弹性压力计弹性元件： 弹性元件弹性元件：压力作用下产生弹性变形，变形大小与被测压13主要内容电阻应变效应应变片结构及分类测量转换电路应变式力传感器应变式力传感器应用主要内容电阻应变效应14（一）电阻应变效应

导体或半导体材料在外界力的作用下，产生机械变形导致其阻值变化，这种因形变而使阻值发生变化的现象称为应变效应。（一）电阻应变效应导体或半导体材料在外界力的作用下，产生机15金属丝拉伸应变效应设有一长为L、横截面积为A、电阻率为ρ的金属丝，受拉力F作用形变如图：没有外力作用时：有外力作用时：ρ、L、A变化

电阻绝对变化量：金属丝拉伸应变效应设有一长为L、横截面积为A、电阻率为ρ的金16电阻相对变化量为：A=πr²，dA=2πrdr整理式子得：电阻相对变化量为：A=πr²，dA=2πrdr整理式17金属丝的灵敏系数

表示单位应变所引起的电阻的相对变化的大小。金属丝的灵敏系数受材料几何尺寸变化和材料电阻率变两部分因素影响。对金属材料，K值主要由几何尺寸变化（应变效应）所决定；对半导体材料，K值主要由电阻率相对变化（压阻效应）所决定。实验表明，在金属丝拉伸弹性范围内，电阻相对变化与轴向应变成正比。金属丝的灵敏系数表示单位应变所引起的电阻的相对变化的大小。18电阻应变测力原理如果应变片的灵敏度K和试件的横截面积A以及弹性模量Ｅ均为已知，则只要设法测出dR/R的数值，即可获知试件受力Ｆ的大小。测量时，应变片通过特定工艺粘贴在弹性体或被测试件上，受力形变，使应变片的阻值变化。由材料力学可知：

=F/（AE）所以dR/R又可表示为：

而：

电阻应变测力原理如果应变片的灵敏度K和试件的横截面积A以及19（二）应变片结构及分类

常用种类：金属电阻应变片和半导体应变片。应变片结构：一般主要由敏感栅、基底、覆盖层、引线、粘贴剂等组成。1-引线2-覆盖层3-基底4-电阻丝（敏感栅）（二）应变片结构及分类常用种类：金属电阻应变片和半导体应变20分类敏感栅工艺特点金属电阻应变片金属丝应变片敏感栅由直径约为0.025mm具有高电阻率的金属丝绕制成结构简单，价格低，强度高，但允许通过的电流较小，测量精度较低，适用于测量要求不很高的场合使用。金属箔应变片敏感栅是金属箔通过光刻、腐蚀等工艺制成。箔栅厚度一般在0.003-0.01mm之间接触面积大，散热性好，允许通过较大的电流。由于它的厚度薄，应力传递性能好，灵敏度系数较高，目前广泛用于各种应变式传感器中。金属薄膜应变片采用真空蒸镀等扩散等方法，在基底上形成金属电阻材料薄膜这种应变片有较高的灵敏度系数，允许电流密度大，工作温度范围较广分类敏感栅工艺特点金属电阻应变片金属丝应变片敏感栅由直径约为21机械量概述及力的检测课件22半导体电阻应变片体型应变片将半导体材料硅或锗晶体按一定方向切割成的片状小条，经腐蚀压焊粘贴在基片上而成的应变片扩散型应变片将P型杂质扩散到N型硅单晶基底上，形成一层极薄的P型导电层，再通过超声波和热压焊法接上引出线就形成了扩散型半导体应变片。薄膜型应变片

利用真空沉积技术将半导体材料沉积在带有绝缘层的试件上而制成

半导体应变片结构优点：应变灵灵敏系数大，体积小;，机械滞后小，阻值范围大，横向效应小等特点，主要用于测量应力分布。缺点：温度稳定性和可重复性不如金属应变片。半导体电阻应变片体型应变片将半导体材料硅或锗晶体按一定方向切23（三）测量转换电路

测量时，为了将电阻应变式传感器的微小电阻变化转换成电压或电流信号，在应用中一般采用电桥电路作为其测量电路，并通过后续的放大器仪表进行放大，再传输给处理电路（通常是A/D转换和CPU）显示或执行机构。

（三）测量转换电路测量时，为了将电阻应变式传感器的微小电阻24（1）基本测量电桥

电桥的输出表达式：

（1）基本测量电桥电桥的输出表达式：25测量前：电桥投入测量之前：

ΔRi=0满足电桥的平衡条件：

R1R3=R2R4此时电桥输出电压：UO=0测量时：电桥投入测量之后，ΔRi≠0，Ri=Ri+ΔRi。此时电桥输出电压为：测量前：26把R1R3=R2R4代入式整理得：

因ΔRi＜＜Ri，所以n≈0。

把R1R3=R2R4代入式整理得：因ΔRi＜＜Ri，所27可见，测量电桥能将ΔR/R的变化转化为电压信号，电桥输出电压U0的大小与各桥臂电阻的变化近似为线性关系。若相邻两桥臂电阻变化同向，则所产生的电桥输出电压的变化相互抵消；若相邻两桥臂电阻变化反向，则所产生的电桥输出电压的变化相互迭加。当R1=R2=R3=R4（初始值）时，则：

可见，测量电桥能将ΔR/R的变化转化为电压信号，电桥输出电压28（2）应变测量电桥

①单臂桥工作②半桥工作（双臂桥）③全桥工作（四臂桥）

（a）单臂桥（b）半桥（c）全桥为了便于分析，一般都取R1=R2=R3=R4=R，称之为等臂桥

结论：单臂工作输出信号最小，双臂输出是单臂的两倍，全桥工作时的输出是单臂时的四倍。因此，为了得到较大灵敏度一般都采用双臂或全桥工作。（2）应变测量电桥①单臂桥工作（a）单臂桥29应变片的布片要尽量接成差动测量电桥，即相邻桥臂所接的应变片承受相反应变，相对桥臂所接的应变片承受相同应变。采用双臂或全桥另一个好处是能实现温度自动补偿功能，当工作环境温度变化时，桥臂上应变片温度同时变化，温度引起的电阻值变化一致，可以相互抵消，输出电压信号不受温度影响，只反映被测力的大小。

应变片的布片要尽量接成差动测量电桥，即相邻桥臂所接的应变片承30（四）应变式力传感器

应变式传感器中，敏感元件一般为各种弹性体，传感元件就是应变片。根据所用的弹性元件结构不同,主要有柱式力传感器、环式力传感器、悬臂梁式传感器。测力范围为10-3~108N，精度可达0.03%。应变式压力传感器有明显的温漂和时漂，但是它的优点是相应速度快，一般用于动态压力检测（四）应变式力传感器应变式传感器中，敏感元件一般为各种弹性31应变片布片与组桥原则1)应有相同数目的应变片布置在弹性元件上具有正、负极性的应变区；2)应变片应布置在弹性元件上应力最大的位置，同时注意该处不受非待测力的干扰和影响；3）利用电桥和差特性选择适当的接桥方式，使电桥输出最大及具有温度补偿能力。应变片布片与组桥原则1)应有相同数目的应变片布置在弹性元件上32(1)柱式力传感器特点：结构紧凑，承载力大，适合测量中等荷载压力(1)柱式力传感器特点：结构紧凑，承载力大，适合测量中等33（2）梁式力传感器（a）

等强度梁力传感器

弹性元件为一种特殊形式的悬臂梁，梁的宽度沿长度L方向变化，当力F作用于梁端三角形顶点时，梁内各断面产生的应力相等。等臂梁上下两表面黏贴应变片，上表面为拉应变，下表面为压应变。此传感器结构简单，贴片容易，适合测量小量程负载（2）梁式力传感器（a）等强度梁力传感器弹性元件为一种34（b）等截面悬臂梁

沿L方向的黏贴位置误差会直接影响测量结果（b）等截面悬臂梁沿L方向的黏贴位置误差会直接影响测量结果35（c）两端固定梁力传感器（c）两端固定梁力传感器36（3）环式力传感器

应变片贴在弯矩较大处的内外表面，当圆环受压时，外表面为正（拉）应变，内表面为负（压）应变在相同的情况下，环式弹性元件比柱式弹性元件抗载偏心能力强，且测力范围大，但制作负载，常用于检测500N以上的载荷。柱式、环式力传感器适用于大载荷力的测量；悬臂梁式力传感器适合小载荷力的测量，且具有较高的灵敏度。（3）环式力传感器应变片贴在弯矩较大处的内外表面，当圆环受37（五）应变式力传感器应用

应变式力传感器以其优越的性能价格比和抗干扰能力在机械量测量技术领域得到广泛应用，如建筑、地质、石油开采、机械加工、航空航天、机器人领域，体育、医疗方等。应变式力传感器主要用来测量荷重及外作用力，例如各种电子秤（汽车衡、轨道衡、皮带称秤、配料秤等），材料试验机的测力元件、发动机的推力测试、水坝坝体承载状况监测等。（五）应变式力传感器应用应变式力传感器以其优越的性能价格比38（1）电子皮带秤皮带秤就是专门针对散装物料的连续计量而设计的，电子皮带秤是由称重架(有效长度为L)、称重传感器、测速传感器和微处理机所组成。在连续运行的皮带下面安装称重框架，承载面是几个滚筒装置，用来满足皮带在上面走过时减小皮带与承载面的磨擦而造成的计量误差。

（1）电子皮带秤皮带秤就是专门针对散装物料的连续计量而设计的39在有效称量区间长度L内，皮带单位长度上的物料重量：

Wt：为L区间的物料重量

皮带在时间t内总输送物料重量：皮带在单位时间的瞬时输送物料重量：W(t)=g(t).v(t)v(t)：为皮带传送速度——测力传感器输出电压——测速传感器经f/v转换输出电压

——比例系数在有效称量区间长度L内，皮带单位长度上的物料重量：Wt：为L40当皮带输送物料时,称重传感器感受区间L的物料重量，并转换成电压信号(mv级)，送入运算器，经过放大、滤波、Ａ/Ｄ转换变换成数字信号；同时装在回程皮带上的测速传感器把皮带运行的速度信号转换成脉冲信号，经f/v变换为电压信号送入运算器；运算器将两个信号进行积分运算，得出物料的重量累计值并显示。

当皮带输送物料时,称重传感器感受区间L的物料重量，并转换成413.2.3压电式力的检测

压电式传感器是一种典型的有源传感器。它以某些电介质的压电效应为基础，在外力作用下，在电介质表面产生电荷，从而实现非电量电测的目的。特点:具有很好的静态（灵敏度高、线性度好、滞后小）和动态特性（固有频率高、工作频带宽、瞬态响应快），且体积小、质量轻等特点。应用

压电传感元件是力敏感元件，特别适合于测量动态力和瞬态冲击力。由于它没有运动部件，因此结构坚固、可靠性、稳定性高。3.2.3压电式力的检测压电式传感器是一种典型的有源传感42(一)、压电效应某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应。当作用力的方向改变时，电荷的极性也随之改变。相反，当在电介质的极化方向上施加电场时，这些电介质也会发生变形，电场去掉后，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应，或称为电致伸缩现象。(一)、压电效应某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形43(1)常用压电材料

具压电效应的介质称为压电材料.常用的压电材料一般有三类：压电单晶体压电陶瓷高分子压电材料(1)常用压电材料具压电效应的介质称为压电材料.44压电单晶体包括天然石英和人造石英等。石英晶体的突出优点是性能非常稳定，介电常数和压电系数在常温范围内几乎不随温度变化，机械强度高。但石英材料价格昂贵，且压电系数比压电陶瓷低得多。因此一般仅用于标准仪器或要求较高的传感器中。

压电陶瓷压电陶瓷是人工制造的经过极化处理的多晶压电材料，它比石英晶体的压电灵敏度高几十倍，具有很高的灵敏度，而制造成本却较低，因此目前国内外生产的压电元件绝大多数都采用压电陶瓷。常用的压电陶瓷材料有锆钛酸铅系列压电陶瓷（PZT）及非铅系压电陶瓷（如BaTiO3等）。高分子压电材料

是把合成的高分子聚和物经延展拉伸和电极化处理后具有了压电特性的薄膜，典型的有聚偏二氟乙烯、聚氟乙烯、聚氯乙烯（PVC）等。特点是材料质地柔软，不易破碎，价格便宜，频率响应范围较宽，濡变小，耐冲击，便于制成大面积阵列传感器。压电单晶体45纵向轴Z轴称为光轴；经过正六面体棱线，并垂直于光轴的X轴称为电轴；与X轴和Z轴同时垂直的Y轴（垂直于正六面体的棱面）称为机械轴。

以石英晶体为例天然结构石英晶体的理想外形是一个正六面体，是各向异性体，即在各个方向晶体的性质是不同，在晶体学中用三根互相垂直的轴来表示.（2）压电材料的压电特性纵向轴Z轴称为光轴；以石英晶体为例（2）压电材料的压电特性46石英晶体具有压电效应，是由其内部分子结构决定的.

一个单元体中构成石英晶体的硅离子和氧离子，在垂直于Z轴的xy平面投影，等效一个正六边形排列。图中“+”代表Si4+，“-”代表O2-石英晶体具有压电效应，是由其内部分子结构决定的.一个单元体47当晶体未受外力作用时：电偶极矩的矢量和等于零即P1+P2+P3＝0所以晶体表面不产生电荷，呈电中性。当晶体受到沿x方向外力作用时：（P1+P2+P3)x≠0、(P1+P2+P3)y=0，(P1+P2+P3)z=0。所以在与x轴垂直于的平面（称为x面）产生电荷，在y、z方向不出现电荷。若在x面两侧表面镀银电极就可测出产生电荷的大小。

当晶体未受外力作用时：48当晶体在y轴方向外力作用时：（P1+P2+P3)x≠0、(P1+P2+P3)y=0，(P1+P2+P3)z=0。由此可见，晶体在y（即机械轴）方向的力作用下，产生的电荷仍然出现在x面，在y、z方向同样不产生压电效应。结论：无论晶体受到沿x方向(电轴)还是y方向（机械轴）作用的力，电荷只产生在x面，而y、z面则不产生压电效应。当外力沿Z方向（光轴）作用时，由于晶格离子对称平移，表面不产生电荷，没有压电效应。

当晶体在y轴方向外力作用时：49（3）作用力与电荷的关系当沿机电轴x方向施加作用力Fx时，在x方向所产生的电荷qx与作用力Fx成正比。dij为压电系数沿x轴方向施加作用力时，产生电荷的大小与切片几何尺寸无关。若在同一切片上,沿机械轴y方向施加作用力Fy,则仍在与x轴垂直的平面上产生电荷qy,但极性相反。沿y轴方向施加作用力时，产生电荷的大小与切片几何尺寸有关。压电系数表征压电性能强弱的参数。不同材料具有不同压电系数，即使同一材料，当受力方向和变形不同时，压电系数也不同。dij下标的意义为产生电荷的面的轴向及施加作用力的轴向；i=1、2、3分别表示在垂直于x、y、z轴的晶体片表面即x、y、z面上产生的电荷。；j=1，2，3分别表示晶体沿x、y、z轴方向所受的外力；（3）作用力与电荷的关系当沿机电轴x方向施加作用力Fx时，在50晶片上产生的电荷极性与受力方向的关系

晶片上产生的电荷极性与受力方向的关系51电容量为：S:压电极板面积δ：压电元件厚度电压为（二）、测量转换电路（1）压电传感器等效电路把压电传感器看成一个电荷发生器。

电容量为：（二）、测量转换电路（1）压电传感器等效电路52压电传感器的实际等效电路Cc：和二次仪表相连电缆的分布等效电容Ri：前置放大器的输入电阻Ci：输入电容Ra：压电元件的绝缘电阻压电传感器的实际等效电路53压电传感器为何适宜作动态力测量？传感器内部信号电荷无“漏损”，外电路负载无穷大时，压电传感器受力后产生的电荷才能长期保存，否则电路将以某时间常数按指数规律放电。事实上，传感器内部不可能没有泄漏，外电路负载也不可能无穷大，只有外力以较高频率不断地作用，传感器的电荷才能得以不断补充，因此，故压电传感器适宜作动态力测量,这对于静态以及低频准静态测量极为不利，必然带来误差。压电传感器为何适宜作动态力测量？传感器内部信号电荷无“漏损”54（2）压电传感器测量电路

压电传感器是有源电容器，其特点是高内阻、输出信号功率很低，不能直接显示、记录，因此常在压电传感器的输出端后，先接一个高输入阻抗的前置放大器，经阻抗变换后再接入一般的放大电路及其它信号处理、输出电路。前置放大器的作用：一是将传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出，二是放大传感器输出的微弱电信号。

前置放大器电路的两种形式：

电压放大器电荷放大器（2）压电传感器测量电路压电传感器是有源电容器，其特点是高55①电压放大器测量电路电压放大器又称阻抗变换器，其作用是把传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出，并使输出电压与输入电压(