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力學(xué)試驗(yàn)機(jī)常用傳感器
一. 測(cè)力傳感器：
1. 負(fù)荷傳感器：常用于電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)、壓力試驗(yàn)機(jī)、液壓萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)、摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)等需要測(cè)力的機(jī)型上；
外觀結(jié)構(gòu)分為：輪輻式、S型、柱式、平行梁式、懸臂梁式等；
2. 壓力（強(qiáng)）傳感器：一般是一些老式液壓機(jī)型或一些超大噸位的試驗(yàn)機(jī)用，用油壓換算（間接）測(cè)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(cè)量位移、變形；
2. 光柵尺，多用于彈簧試驗(yàn)機(jī)；
3. 電阻尺，一些非標(biāo)機(jī)型的場(chǎng)合；
4. LVDT、磁致伸縮傳感器，多用于非標(biāo)機(jī)型或動(dòng)態(tài)試驗(yàn)機(jī)；
三. 變形傳感器：
1. （金屬用）引伸計(jì)，用于直接測(cè)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(jì)，用于延伸率較高的，例如橡膠等的變形測(cè)量；
3. 視頻引伸計(jì)，高端應(yīng)用場(chǎng)合，測(cè)量試樣變形；
輪輻式拉壓力傳感器，采用十字剪切梁結(jié)構(gòu)，具有良好的自然線性、抗偏載能力強(qiáng)、精度高、外形高度低、安裝方便穩(wěn)定，在料斗稱、汽車衡、軌道衡等電子稱中廣泛應(yīng)用，在各種工業(yè)稱重系統(tǒng)中做力的分析與測(cè)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(jié)構(gòu)，具有良好的自然線性、抗偏載能力強(qiáng)、精度高、外形高度低、安裝方便穩(wěn)定，在料斗稱、汽車衡、軌道衡等電子稱中廣泛應(yīng)用，在各種工業(yè)稱重系統(tǒng)中做力的分析與測(cè)量。
輪輻式傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要原則：
為了使傳感器工作狀態(tài)保持穩(wěn)定，減輕外界震動(dòng)干擾的影響，應(yīng)盡量使彈性體在負(fù)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(jiǎn)單合理的整體性結(jié)構(gòu)。彈性體應(yīng)盡量為一個(gè)整體，避免組合式結(jié)構(gòu)。減少諸如緊固松動(dòng)、焊接變形等帶來(lái)的影響。對(duì)作用力位置的變化和干擾力的影響不敏感，彈性體應(yīng)變敏感區(qū)的應(yīng)力分布，只隨作用力的大小而變化，彈性體工作區(qū)的工藝性能好，包括機(jī)械加工、粘貼和密封安裝工藝好。具有低外形結(jié)構(gòu)，安裝方便，互換性好，低外形結(jié)構(gòu)可以增強(qiáng)抗偏載，使工作狀態(tài)穩(wěn)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(chǎng)發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的電磁阻尼。動(dòng)圈式和動(dòng)鐵式的工作原理是完全相同的，當(dāng)殼體隨被測(cè)振動(dòng)體 一起振動(dòng)時(shí)，由于彈簧較軟，運(yùn)動(dòng)部件質(zhì)量相對(duì)較大，因此振動(dòng)頻率足夠高(遠(yuǎn)高于傳感器的固有頻率)時(shí)，運(yùn)動(dòng)部件的慣性很大，來(lái)不及跟隨振動(dòng)體一起振動(dòng)，近于靜止不動(dòng)，振動(dòng)能量幾乎全被彈簧吸收，永久磁鐵與線圈之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度接近于振動(dòng)體振動(dòng)速度。線圈與磁鐵間相對(duì)運(yùn)動(dòng)使線圈切割磁力線，輪輻式稱重傳感器產(chǎn)生與運(yùn)動(dòng)速度成正比的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，線圈處于工作氣隙磁場(chǎng)中的匝數(shù)，稱為工作匝數(shù);工作氣隙中磁感 應(yīng)強(qiáng)度;每匝線圈的平均長(zhǎng)度。
輪輻式稱重傳感器技術(shù)參數(shù)：
稱重傳感器技術(shù)參數(shù)有額定荷載，允許使用負(fù)荷，極限負(fù)荷，靈敏度，非線性，重復(fù)性，允許使用溫度，零點(diǎn)溫度影響，輸出靈敏系數(shù)的溫度影響，輸出阻抗，輸入阻抗，絕緣阻抗，允許最大激勵(lì)電壓，滯后，蠕變和蠕變恢復(fù)，密封防護(hù)等級(jí)，電纜長(zhǎng)度。
1:額定載荷：傳感器在規(guī)定技術(shù)指標(biāo)范圍內(nèi)能夠測(cè)量的最大軸向負(fù)荷。但實(shí)際使用時(shí)，一般只用額定量程的2/3~1/3。
2:允許使用負(fù)荷（或稱安全過(guò)載）：稱重傳感器允許施加的最大軸向負(fù)荷。允許在一定范圍內(nèi)超負(fù)荷工作。一般為120%~150%。
3:極限負(fù)荷（或稱極限過(guò)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(fù)荷。意即當(dāng)工作超過(guò)此值時(shí)，傳感器將會(huì)受到損壞。
4:靈敏度：
輸出增量與所加的負(fù)荷增量之比。通常每輸入1V電壓時(shí)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(hào)與負(fù)荷之間對(duì)應(yīng)關(guān)系的精確程度的參數(shù)。
6:重復(fù)性：
重復(fù)性表征傳感器在同一負(fù)荷在同樣條件下反復(fù)施加時(shí)，其輸出值是否能重復(fù)一致，這項(xiàng)特性更重要，更能反映傳感器的品質(zhì)。國(guó)標(biāo)對(duì)重復(fù)性的誤差的表述：重復(fù)性誤差可與非線性同時(shí)測(cè)定同一試驗(yàn)點(diǎn)上3次測(cè)量的實(shí)際輸出信號(hào)值之間的最大差值。
7:允許使用溫度：
規(guī)定了此稱重傳感器能適用的場(chǎng)合。例常溫傳感器一般標(biāo)注為：-20℃- +70℃。高溫傳感器標(biāo)注為：-40℃- 250℃。溫度補(bǔ)償范圍：說(shuō)明此傳感器在生產(chǎn)時(shí)已在這樣的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行了補(bǔ)償。例常溫傳感器一般標(biāo)注為-10℃- +55℃。
8:零點(diǎn)溫度影響（俗稱零點(diǎn)溫漂）：
表征此傳感器在環(huán)境溫度變化時(shí)它的零點(diǎn)的穩(wěn)定性。一般以每10℃范圍內(nèi)產(chǎn)生的漂移為計(jì)量單位。
9:輸出靈敏系數(shù)的溫度影響（俗稱系數(shù)溫漂）：
此參數(shù)表征此傳感器在環(huán)境溫度變化時(shí)輸出靈敏度的穩(wěn)定性。一般以每10℃范圍內(nèi)產(chǎn)生的漂移為計(jì)量單位。
10:輸出阻抗：
在額定技術(shù)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(lì)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(huì)影響傳感器的各項(xiàng)性能。而當(dāng)絕緣阻抗低于某一個(gè)值時(shí)，電橋?qū)o(wú)法正常工作。推薦激勵(lì)電壓：一般為5~12伏。因一般稱重儀表內(nèi)配的穩(wěn)壓直流電源為5或12伏。
13:允許最大激勵(lì)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(lì)電壓。
14:滯后：
滯后的通俗意思是：逐級(jí)施加負(fù)荷再依次卸下負(fù)荷時(shí)，對(duì)應(yīng)每一級(jí)負(fù)荷，理想情況下應(yīng)有一樣的讀數(shù)，但事實(shí)上下一致，這不一致的程度用滯后誤差這一指標(biāo)來(lái)表示。國(guó)標(biāo)中是這樣來(lái)計(jì)算滯后誤差的：同一試驗(yàn)點(diǎn)上3次行程實(shí)際輸出信號(hào)值的算術(shù)平均與3次上行程實(shí)際輸出信號(hào)值的算術(shù)平均之間的最大差值(mV)。
15:蠕變和蠕變恢復(fù)：
要求從兩個(gè)方面檢驗(yàn)傳感器的蠕變誤差：其一是蠕變：在5-10秒時(shí)間無(wú)沖擊地加上額定負(fù)荷，在加荷后5-10秒讀數(shù)，然后在30分鐘內(nèi)按一定的時(shí)間間隔依次記下輸出值。其二是蠕變恢復(fù)：盡快去掉額定負(fù)荷（在5-10秒時(shí)間內(nèi)），卸荷后在5-10秒內(nèi)立即讀數(shù)，然后在30分鐘內(nèi)按一定的時(shí)間間隔依次記下輸出值。
16:密封防護(hù)等級(jí):
IP65，IP66，IP67，IP68：稱重傳感器的防塵和防水的性能指標(biāo)。
17:電纜長(zhǎng)度：
出廠時(shí)廠家標(biāo)準(zhǔn)配置的電纜長(zhǎng)度。最好不要擅自增加和減小。
力傳感器（force sensor） 將力的量值轉(zhuǎn)換為相關(guān)電信號(hào)的器件。力是引起物質(zhì)運(yùn)動(dòng)變化的直接原因。力傳感器能檢測(cè) 張力 、 拉力 、 壓力 、 重量 、 扭矩 、 內(nèi)應(yīng)力 和 應(yīng)變 等力學(xué)量。具體的器件有金屬 應(yīng)變片 、 壓力傳感器 等，在 動(dòng)力設(shè)備 、 工程機(jī)械 、各類 工作母機(jī) 和 工業(yè)自動(dòng)化 系統(tǒng)中，成為不可缺少的核心部件。
力傳感器主要由三個(gè)部分組成：
1---力敏元件（即彈性體，常見(jiàn)的材料有鋁合金，合金鋼和不銹鋼）。
2---轉(zhuǎn)換元件（最為常見(jiàn)的是電阻應(yīng)變片）。
3---電路部分(一般有漆包線，pcb板等）。
力能夠產(chǎn)生多種物理效應(yīng)，可采用多種不同的原理和工藝，針對(duì)不同的需要設(shè)計(jì)制造力傳感器。力傳感器主要有：（1）被測(cè)力使彈性體（如彈簧、梁、波紋管、膜片等）產(chǎn)生相應(yīng)的位移，通過(guò)位移的測(cè)量獲得力的信號(hào)。（2）彈性構(gòu)件和應(yīng)變片共同構(gòu)成傳感器，應(yīng)變片牢固粘貼在構(gòu)件表面上。彈性構(gòu)件受力時(shí)產(chǎn)生形變，使應(yīng)變片電阻值變化（發(fā)生應(yīng)變時(shí)，應(yīng)變片幾何形狀和電阻率發(fā)生改變，導(dǎo)致電阻值變化），通過(guò)電阻測(cè)量獲得力的信號(hào)。應(yīng)變片可由金屬箔制成，也可由半導(dǎo)體材料制成。（3）利用壓電效應(yīng)測(cè)力。通過(guò)壓電晶體把力直接轉(zhuǎn)換為置于晶體兩面電極上的電位差。（4）力引起機(jī)械諧振系統(tǒng)固有頻率變化，通過(guò)頻率測(cè)量獲取力的相關(guān)信息。（5）通過(guò)電磁力與待測(cè)力的平衡，由平衡時(shí)相關(guān)電磁參數(shù)獲得力的信息。
主要分類
應(yīng)變管式
在筒壁上貼有2片或4片應(yīng)變片，其中一半貼在實(shí)心部分作為溫度補(bǔ)償片,另一半作為測(cè)量應(yīng)變片。當(dāng)沒(méi)有壓力時(shí) 4片應(yīng)變片組成平衡的全橋式電路;當(dāng)壓力作用于內(nèi)腔時(shí),圓筒變形成“腰鼓形”,使電橋失去平衡,輸出與壓力成一定關(guān)系的電壓。這種傳感器還可以利用活塞將被測(cè)壓力轉(zhuǎn)換為力傳遞到應(yīng)變筒上或通過(guò)垂鏈形狀的膜片傳遞被測(cè)壓力。應(yīng)變管式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便、適用性強(qiáng)，在火箭彈、炮彈和火炮的動(dòng)態(tài)壓力測(cè)量方面有廣泛應(yīng)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(shí)，中心處徑向應(yīng)變和切向應(yīng)變均達(dá)到正的最大值，而邊緣處徑向應(yīng)變達(dá)到負(fù)的最大值，切向應(yīng)變?yōu)榱恪Ｒ虼顺０褍蓚€(gè)應(yīng)變片分別貼在正負(fù)最大應(yīng)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(bǔ)償作用。采用圓形箔式應(yīng)變計(jì)(見(jiàn)電阻應(yīng)變計(jì))則能最大限度地利用膜片的應(yīng)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(chǎn)品是將彈性敏感元件和應(yīng)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(kuò)散制作電阻條，并采用周邊固定結(jié)構(gòu)制成的固態(tài)壓力傳感器（見(jiàn)壓阻式傳感器）。
應(yīng)變梁式
測(cè)量較小壓力時(shí)，可采用固定梁或等強(qiáng)度梁的結(jié)構(gòu)。一種方法是用膜片把壓力轉(zhuǎn)換為力再通過(guò)傳力桿傳遞給應(yīng)變梁。圖3中兩端固定梁的最大應(yīng)變處在梁的兩端和中點(diǎn)，應(yīng)變片就貼在這些地方。這種結(jié)構(gòu)還有其他形式，例如可采用懸梁與膜片或波紋管構(gòu)成。
組合式
在組合式應(yīng)變壓力傳感器中，彈性敏感元件可分為感受元件和彈性應(yīng)變?cè)８惺茉褖毫D(zhuǎn)換為力傳遞到彈性應(yīng)變?cè)?yīng)變最敏感的部位，而應(yīng)變片則貼在彈性應(yīng)變?cè)淖畲髴?yīng)變處。實(shí)際上較復(fù)雜的應(yīng)變管式和應(yīng)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(yīng)變?cè)袘冶哿骸⒐潭骸?Pi;形梁、 環(huán)形梁、薄壁筒等。它們之間可根據(jù)不同需要組合成多種型式。 應(yīng)變式壓力傳感器主要用來(lái)測(cè)量流動(dòng)介質(zhì)動(dòng)態(tài)或靜態(tài)壓力，例如動(dòng)力管道設(shè)備的進(jìn)出口氣體或液體的壓力、內(nèi)燃機(jī)管道壓力等等。
提高力傳感器精度 - 補(bǔ)償
溫度將會(huì)使4個(gè)應(yīng)變片的應(yīng)變信號(hào)（電阻）在相同方向和程度變化。因?yàn)閮蓚€(gè)正向應(yīng)變和兩個(gè)負(fù)向應(yīng)變被列入等式，因此溫度將不會(huì)產(chǎn)生輸出信號(hào)。
力傳感器補(bǔ)償
剩下微小的殘余誤差可以通過(guò)連接到惠斯通電橋上特殊的鎳金屬來(lái)進(jìn)行修正。
另外，應(yīng)變片需要進(jìn)行溫度對(duì)靈敏度的補(bǔ)償 (TCS)。等溫度變化時(shí)，材料的 E 模量 將會(huì)降低，導(dǎo)致產(chǎn)生應(yīng)變。另外，應(yīng)變片的靈敏度依賴于溫度。在高溫狀況下電阻的補(bǔ)償將產(chǎn)生更大的壓降。這將降低惠斯通電橋的輸出信號(hào)。
在負(fù)載狀態(tài)下，線性誤差 也將產(chǎn)生變化。這可以通過(guò)對(duì)彈性體材料和結(jié)構(gòu)的優(yōu)化以及選擇精確的測(cè)量點(diǎn)來(lái)完成。
下圖列出了補(bǔ)償方法的總結(jié)。除了以上描述的 TKzero 和 TCS,也可以通過(guò)調(diào)整對(duì)線性和靈敏度進(jìn)行補(bǔ)償.
傳感器依據(jù)構(gòu)成原理可分為結(jié)構(gòu)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(cè)裝置，能感受到被測(cè)量的信息，并能將感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號(hào)或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲(chǔ)、顯示、記錄和控制等要求。
1、結(jié)構(gòu)型傳感器利用物理學(xué)場(chǎng)的定律(包括電場(chǎng)、磁場(chǎng)、力場(chǎng)等)構(gòu)成的傳感器。其基本原理是以部分結(jié)構(gòu)的位置變化和場(chǎng)的變化反映被測(cè)非電量的大小及其變化。此類傳感器大都采用機(jī)電結(jié)構(gòu)和間接信號(hào)變換方式。間接變換指信號(hào)經(jīng)過(guò)兩次變換，先將被測(cè)信號(hào)經(jīng)過(guò)機(jī)械式檢出元件轉(zhuǎn)換成中間信號(hào)，然后再經(jīng)過(guò)敏感元件轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出。例如，應(yīng)變電阻式壓力傳感器就是通過(guò)彈性膜片把被測(cè)壓力檢測(cè)出來(lái)并變換為應(yīng)變值，再用應(yīng)變電阻元件變換為便于處理的電信號(hào)輸出。結(jié)構(gòu)型傳感器應(yīng)用最廣，采用的測(cè)量原理主要有電磁檢測(cè)、光電檢測(cè)等。
2、物性型傳感器是利用物質(zhì)特性(包括各種物理、化學(xué)、生物的效應(yīng)和現(xiàn)象)構(gòu)成的傳感器。其基本特征與構(gòu)成傳感器敏感材料的特性密切相關(guān)。此類傳感器采用直接信號(hào)變換方式，用一種敏感元件將被測(cè)信號(hào)直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)輸出。是發(fā)展最快且引人注目的新型傳感器。利用物質(zhì)的化學(xué)特性構(gòu)成的傳感器稱為化學(xué)傳感器，利用生物學(xué)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(yōu)越，發(fā)展?jié)摿艽蟆?/p>
3、智能型傳感器是物性型傳感器進(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)物。智能型指除具有檢測(cè)功能外，還具有自補(bǔ)償、自校正、自調(diào)整、自診斷和邏輯操作、程序控制、自動(dòng)實(shí)現(xiàn)計(jì)量和檢測(cè)最優(yōu)化等功能。這些功能往往是多功能敏感元件與微處理機(jī)或單片微型計(jì)算機(jī)相結(jié)合的結(jié)果。美國(guó)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。
