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力學(xué)試驗(yàn)機(jī)常用傳感器
一. 測力傳感器：
1. 負(fù)荷傳感器：常用于電子萬能試驗(yàn)機(jī)、壓力試驗(yàn)機(jī)、液壓萬能試驗(yàn)機(jī)、摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)等需要測力的機(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量；
3. 視頻引伸計(jì)，高端應(yīng)用場合，測量試樣變形；
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，線圈處于工作氣隙磁場中的匝數(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)測定同一試驗(yàn)點(diǎn)上3次測量的實(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)來表示。國標(biāo)中是這樣來計(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:電纜長度：
出廠時(shí)廠家標(biāo)準(zhǔn)配置的電纜長度。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 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，常見的材料有鋁合金，合金鋼和不銹鋼）。
2---轉(zhuǎn)換元件（最為常見的是電阻應(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，通過位移的測量獲得力的信號(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），通過電阻測量獲得力的信號(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)測力。通過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，通過頻率測量獲取力的相關(guān)信息。（5）通過電磁力與待測力的平衡，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,另一半作為測量應(yīng)變片。當(dāng)沒有壓力時(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壓力轉(zhuǎn)換為力傳遞到應(yīng)變筒上或通過垂鏈形狀的膜片傳遞被測壓力。應(yīng)變管式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)簡單、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?。因此常把兩個(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（見壓阻式傳感器）。
應(yīng)變梁式
測量較小壓力時(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)?。感受元件把壓力轉(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?、固定梁?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測量流動(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連接到惠斯通電橋上特殊的鎳金屬來進(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。這可以通過對(duì)彈性體材料和結(jié)構(gòu)的優(yōu)化以及選擇精確的測量點(diǎn)來完成。
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。傳感器是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，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)場的定律(包括電場、磁場、力場等)構(gòu)成的傳感器。其基本原理是以部分結(jié)構(gòu)的位置變化和場的變化反映被測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)過兩次變換，先將被測信號(hào)經(jīng)過機(jī)械式檢出元件轉(zhuǎn)換成中間信號(hào)，然后再經(jīng)過敏感元件轉(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彈性膜片把被測壓力檢測出來并變換為應(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，采用的測量原理主要有電磁檢測、光電檢測等。
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。
