《电磁传感器应用》课件.ppt

*************************************7.1应变式力传感器惠斯通电桥应变式力传感器通常采用惠斯通电桥电路测量应变片电阻变化。典型的全桥电路包含四个应变片，分别粘贴在弹性体的特定位置。当力作用于弹性体时，应变片发生形变，电阻值发生变化，产生与施加力成比例的输出电压。桥路输出电压ΔV与激励电压V和应变ε关系为：ΔV/V=KGF·ε，其中KGF为应变片灵敏度系数（通常为2.0左右）。全桥电路不仅提高了灵敏度，还能有效补偿温度影响和消除其他干扰。温度补偿温度变化是影响应变式力传感器精度的主要因素。温度变化会引起应变片电阻值变化、弹性体热膨胀和弹性模量变化，从而导致零点漂移和灵敏度变化。温度补偿技术包括：自补偿型应变片：采用特殊合金材料，具有温度系数与基体材料匹配的特性电桥补偿：采用半桥或全桥电路，合理布置应变片位置，使温度影响相互抵消电子补偿：利用温度传感器和补偿电路，根据温度变化自动调整输出信号数字补偿：采用微处理器，通过软件算法对温度影响进行实时修正7.2压电式力传感器结构设计压电元件：通常采用石英晶体或PZT压电陶瓷外壳：高强度钢或钛合金，提供机械保护预加载机构：确保压电元件与测量接口良好接触电极和连接器：收集和传输电荷信号密封结构：保护内部元件免受环境影响信号调理电路：电荷放大器或电压放大器优势特点高刚度：刚度高达10?N/m，几乎无位移变形宽频带响应：可测量从几Hz到几十kHz的动态力宽测量范围：根据型号可从几牛顿到几百千牛顿高线性度：典型线性度优于±1%温度范围宽：特殊设计可工作在-200℃至+600℃结构紧凑：体积小，便于安装在空间受限场合应用范围材料试验：冲击试验、疲劳试验、断裂测试机床监控：切削力测量、刀具磨损监测压力机监控：冲压力测量、模具保护碰撞测试：汽车碰撞测试，安全系统评估爆炸研究：爆炸压力测量，冲击波分析生物力学：牙齿咬合力，骨科植入物评估压电式力传感器是动态力测量的理想选择，但由于压电效应的特性，不适合测量静态或极低频的力。在实际应用中，低频限制通常由信号调理电路的时间常数决定，高质量的电荷放大器可将下限频率降至0.1Hz左右，满足大多数准静态测量需求。7.3电磁平衡式力传感器工作原理电磁平衡式力传感器基于力平衡原理工作，当待测力作用于传感器时，传感元件产生微小位移，被位置传感器检测到。控制系统立即产生反馈电流，通过电磁力作动器产生一个与测量力大小相等、方向相反的电磁力，使系统恢复平衡位置。此时，电磁力作动器的电流值与待测力成正比，通过测量这一电流即可得到力值。优点分析电磁平衡式力传感器具有精度高（优于0.01%）、稳定性好、线性度优异（优于0.001%）、分辨率高和重复性好等优点。由于传感元件几乎没有位移，消除了弹性元件非线性和滞后效应的影响，提高了测量精度。同时，闭环控制系统使传感器具有良好的动态响应特性，能够快速跟踪力的变化。缺点分析电磁平衡式力传感器的主要缺点包括结构复杂、成本高、体积较大、功耗较高以及需要稳定电源等。此外，电磁力作动器产生的热量可能影响测量精度，需要采取温度控制或补偿措施。在强电磁干扰环境中，可能需要特殊屏蔽措施确保正常工作。应用领域电磁平衡式力传感器主要应用于需要高精度力测量的领域，如法定计量基准设备、标准力发生装置、实验室分析天平、物料配方秤、珠宝秤和邮政秤等。在材料试验、航空航天和计量科学领域也有广泛应用，常用于力值溯源和标准器校准。7.4磁弹性扭矩传感器磁弹效应磁弹效应（又称维拉里效应）是指铁磁材料在机械应力作用下，其磁性能发生变化的现象。当铁磁材料受到拉伸或压缩应力时，其磁导率和磁化特性会发生变化。磁弹性扭矩传感器正是利用这一原理，通过测量轴在扭矩作用下的磁性变化来确定扭矩大小。传感器结构典型的磁弹性扭矩传感器包括磁敏感区域、激励线圈和检测线圈。磁敏感区域可以是轴表面直接处理形成的磁弹性层，也可以是附着在轴上的特殊磁弹性材料环。当轴受到扭矩作用时，产生剪应力，导致磁弹性层的磁性能发生变化，这一变化被检测线圈感知并转换为电信号。非接触测量磁弹性扭矩传感器的最大优势在于实现了真正的非接触测量，没有滑环或其他机械接触部件，可以直接在旋转轴上实时测量扭矩。这极大地提高了系统可靠性和使用寿命，减少了维护需求。非接触特性还使其能够在高速旋转（高达100,000RPM）和恶劣环境条件下工作。应用实例磁弹性扭矩传感器广泛应用于汽车动力传动系统（如转向系统、传动轴）、工业自动化（如电机效率监测、泵和压缩机监控）、风力发电机（传动系统监控）和船舶推进系统等领域。在汽车