力传感器

力传感器(force sensor) 将力的量值转换为相关电信号的器件。力是引起物质运动变化的直接原因。力传感器能检测张力、拉力、压力、重量、扭矩、内应力和应变等力学量。具体的器件有金属应变片、压力传感器等,在动力设备、工程机械、各类工作母机和工业自动化系统中,成为不可缺少的核心部件。 

力传感器主要由三个部分组成:

1---力敏元件(即弹性体,常见的材料有铝合金,合金钢和不锈钢)。

2---转换元件(最为常见的是电阻应变片)。

3---电路部分(一般有漆包线,pcb板等)。

力能够产生多种物理效应,可采用多种不同的原理和工艺,针对不同的需要设计制造力传感器。力传感器主要有:(1)被测力使弹性体(如弹簧、梁、波纹管、膜片等)产生相应的位移,通过位移的测量获得力的信号。(2)弹性构件和应变片共同构成传感器,应变片牢固粘贴在构件表面上。弹性构件受力时产生形变,使应变片电阻值变化(发生应变时,应变片几何形状和电阻率发生改变,导致电阻值变化),通过电阻测量获得力的信号。应变片可由金属箔制成,也可由半导体材料制成。(3)利用压电效应测力。通过压电晶体把力直接转换为置于晶体两面电极上的电位差。(4)力引起机械谐振系统固有频率变化,通过频率测量获取力的相关信息。(5)通过电磁力与待测力的平衡,由平衡时相关电磁参数获得力的信息。 

在筒壁上贴有2片或4片应变片,其中一半贴在实心部分作为温度补偿片,另一半作为测量应变片。当没有压力时 4片应变片组成平衡的全桥式电路;当压力作用于内腔时,圆筒变形成“腰鼓形”,使电桥失去平衡,输出与压力成一定关系的电压。这种传感器还可以利用活塞将被测压力转换为力传递到应变筒上或通过垂链形状的膜片传递被测压力。应变管式压力传感器的结构简单、制造方便、适用性强,在火箭弹、炮弹和火炮的动态压力测量方面有广泛应用。

它的弹性敏感元件为周边固定圆形金属平膜片。膜片受压力变形时,中心处径向应变和切向应变均达到正的最大值,而边缘处径向应变达到负的最大值,切向应变为零。因此常把两个应变片分别贴在正负最大应变处,并接成相邻桥臂的半桥电路以获得较大灵敏度和温度补偿作用。采用圆形箔式应变计(见电阻应变计)则能最大限度地利用膜片的应变效果。这种传感器的非线性较显著。膜片式压力传感器的最新产品是将弹性敏感元件和应变片的作用集于单晶硅膜片一身,即采用集成电路工艺在单晶硅膜片上扩散制作电阻条,并采用周边固定结构制成的固态压力传感器(见压阻式传感器)。

测量较小压力时,可采用固定梁或等强度梁的结构。一种方法是用膜片把压力转换为力再通过传力杆传递给应变梁。图3中两端固定梁的最大应变处在梁的两端和中点,应变片就贴在这些地方。这种结构还有其他形式,例如可采用悬梁与膜片或波纹管构成。

在组合式应变压力传感器中,弹性敏感元件可分为感受元件和弹性应变元件。感受元件把压力转换为力传递到弹性应变元件应变最敏感的部位,而应变片则贴在弹性应变元件的最大应变处。实际上较复杂的应变管式和应变梁式都属于这种型式。感受元件有膜片、膜盒、波纹管、波登管等,弹性应变元件有悬臂梁、固定梁、Π形梁、 环形梁、薄壁筒等。它们之间可根据不同需要组合成多种型式。 应变式压力传感器主要用来测量流动介质动态或静态压力,例如动力管道设备的进出口气体或液体的压力、内燃机管道压力等等。

温度将会使4个应变片的应变信号(电阻)在相同方向和程度变化。

剩下微小的残余误差可以通过连接到惠斯通电桥上特殊的镍金属来进行修正。

另外,应变片需要进行温度对灵敏度的补偿 (TCS)。等温度变化时,材料的 E 模量 将会降低,导致产生应变。另外,应变片的灵敏度依赖于温度。在高温状况下电阻的补偿将产生更大的压降。这将降低惠斯通电桥的输出信号。

在负载状态下,线性误差 也将产生变化。这可以通过对弹性体材料和结构的优化以及选择精确的测量点来完成。

图 中 列出了补偿方法的总结。除了以上描述的 TKzero 和 TCS,也可以通过调整对线性和灵敏度进行补偿.

称重传感器形式的选择主要取决于称重的类型和安装空间,保证安装合适,称重安全可靠;另一方面要考虑厂家的建议,对于传感器制造厂家来讲,它一般规定了传感器的受力情况、性能指标、安装形式、结构形式、弹性体的材质等。
  譬如铝合金悬臂梁传感器适合于电子计价秤、平台秤、案秤等;钢式悬臂梁传感器适用于电子皮带秤、分选秤等;钢质桥式传感器适用于轨道衡、汽车衡等;柱式称重传感器适用于汽车衡、动态轨道衡、大吨位料斗秤等。
  称重传感器主要应用在各种电子衡器、工业控制领域、在线控制、安全过载报警、材料试验机等领域。如电子汽车衡、电子台秤、电子叉车、动态轴重秤、电子吊钩秤、电子计价秤、电子钢材秤、电子轨道衡、料斗秤、配料秤、罐装秤等。

在称重传感器实际使用过程中,有时会遇到超载、冲击等情况,造成传感器塑性变形,影响计量准确度,严重时,还会导致传感器损坏,无法正常使用,这时就需要更换传感器了。此时我们应当如何操作呢?更换的时候还需要注意哪些问题?下面专家就这个问题和大家分享一下。
  称重传感器能够更换的前提是施加力的轴线与传感器的受力轴线重合,这是第一点。
  随着额定载荷的增大,称重传感器输出的微伏/分度信号是减小的,而不是随着额定载荷的增大,输出信号也增大。这一点往往被忽略。所以在更换传感器时,应尽可能用和原来一样载荷的传感器。若想更换载荷稍大一点的,就要注意电子秤的称重仪表量程是否可调:如果是不可调的旧式显示仪表,会因为换成载荷较大的传感器,输出的微伏/分度信号变小,不能满量程输出、显示,拨码调整达不到目的而不能使用;如果是量程可调的称重传感器,换成载荷较大的传感器后,则可通过设定量程,按说明书调试使用。同时应注意,如果传感器的额定载荷过大,输出的微伏/分度信号过小,容易降低秤的灵敏度。
  对于在第二传力联杆中安装S形传感器的机电结合秤,应注意:重新安装传感器后的联杆长度与原来的联杆长度一致。从另一方面说,就是要保证第一传力杠杆水平且联杆与第一传力杠杆垂直成90度角。如果有偏差,将直接影响秤的准确度和灵敏度。联杆长度过长,将会出现"秤大"现象;过短,将会出现"秤小"现象。此时还应注意,联杆必须处于自由悬挂状态,不可与其它物体摩擦,以免影响秤的灵敏度。
  机电结合秤在更换传感器后的调试中,应在机械秤调试准确的基础上按称重显示仪表说明书进行。
  无论是电子秤或机电结合秤,在更换传感器后,都必须经过检定合格后方可使用。
  以上方案除了针对一般的称重传感器有效外,还对S形传感器有效。称重传感器需要更换的情况在使用的时候经常会遇到,只要按照上面的操作,即使更换传感器也不会对测量造成影响。

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