1、傳感器與檢測技術(shù)傳感器與檢測技術(shù)（第（第2 2版）版）電子工業(yè)出版社電子工業(yè)出版社傳感器與檢測技術(shù)（第傳感器與檢測技術(shù)（第2版）版）第第8 8章章 典型非電參量的測試方法典型非電參量的測試方法u內(nèi)容提要及學(xué)習(xí)要求：內(nèi)容提要及學(xué)習(xí)要求：在工程實踐中，經(jīng)常需要測量力、位移、加速度和溫度等多種物理量，本章主要介紹常見的機械工程量如應(yīng)力、壓力、扭矩、振動、位移、流量等的常用測試方法和常用測試儀器。傳感器與檢測技術(shù)傳感器與檢測技術(shù)（第（第2 2版）版）傳感器與檢測技術(shù)（第傳感器與檢測技術(shù)（第2版）版）8.1 8.1 應(yīng)變的測量應(yīng)變的測量應(yīng)力、應(yīng)變測量是機電工程測試技術(shù)中應(yīng)用最廣泛的一種應(yīng)力、應(yīng)變測量是機

2、電工程測試技術(shù)中應(yīng)用最廣泛的一種測量，其目的是掌握被測件的實際應(yīng)力大小及分布情況，進(jìn)而測量，其目的是掌握被測件的實際應(yīng)力大小及分布情況，進(jìn)而分析設(shè)備構(gòu)件的破壞原因，壽命長短和強度儲備等；也可用于分析設(shè)備構(gòu)件的破壞原因，壽命長短和強度儲備等；也可用于驗證相應(yīng)的理論公式，合理安排工藝和提供生產(chǎn)過程的數(shù)學(xué)模驗證相應(yīng)的理論公式，合理安排工藝和提供生產(chǎn)過程的數(shù)學(xué)模型；同時也是設(shè)計和制造多種應(yīng)變式傳感器的理論基礎(chǔ)。型；同時也是設(shè)計和制造多種應(yīng)變式傳感器的理論基礎(chǔ)。應(yīng)力、應(yīng)變測量可分為單向應(yīng)力測量和平面應(yīng)力測量，不應(yīng)力、應(yīng)變測量可分為單向應(yīng)力測量和平面應(yīng)力測量，不管是哪一種應(yīng)力測量都是先對被測件進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變

3、分析，然后管是哪一種應(yīng)力測量都是先對被測件進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變分析，然后確定貼片方式和組橋方式，最后根據(jù)測得數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行分析。確定貼片方式和組橋方式，最后根據(jù)測得數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行分析。傳感器與檢測技術(shù)（第傳感器與檢測技術(shù)（第2版）版）u8.1.1 8.1.1 簡單受力狀態(tài)的應(yīng)變測量簡單受力狀態(tài)的應(yīng)變測量簡單受力狀態(tài)主要是指只受單向拉伸（壓縮）、只受純彎簡單受力狀態(tài)主要是指只受單向拉伸（壓縮）、只受純彎曲或只受純扭矩的狀態(tài)。曲或只受純扭矩的狀態(tài)。u1 1單向拉伸（壓縮）時的應(yīng)變測量單向拉伸（壓縮）時的應(yīng)變測量單向受拉件在軸向力單向受拉件在軸向力F F的作用下，其橫截面上是均勻分布的的作用下，其橫截面上是均勻

4、分布的正應(yīng)力，外表面是沿軸向的單向應(yīng)力狀態(tài)，只要測得外表面上正應(yīng)力，外表面是沿軸向的單向應(yīng)力狀態(tài)，只要測得外表面上的軸向應(yīng)變的軸向應(yīng)變 ，便可由下式求得拉力，便可由下式求得拉力F F： （8-18-1）式中，式中，A A為截面積（為截面積（m2m2）；）； 為正應(yīng)力（為正應(yīng)力（PaPa）；）；E E為彈性模量（為彈性模量（PaPa）。）。AEAFFF傳感器與檢測技術(shù)（第傳感器與檢測技術(shù)（第2版）版）具體測量應(yīng)變具體測量應(yīng)變 時，可沿正應(yīng)力方向粘貼電阻應(yīng)變片，時，可沿正應(yīng)力方向粘貼電阻應(yīng)變片，電阻應(yīng)變片的貼片位置及組橋方式可按電橋的加減特性或電橋電阻應(yīng)變片的貼片位置及組橋方式可按電橋的加減特性或

5、電橋的平衡條件來確定。測量前，要求電橋處于平衡狀態(tài)，無輸出；的平衡條件來確定。測量前，要求電橋處于平衡狀態(tài)，無輸出；測量時，電橋愈不平衡愈好，這樣可以獲得最大的輸出信號。測量時，電橋愈不平衡愈好，這樣可以獲得最大的輸出信號。單向拉伸時的具體貼片如圖單向拉伸時的具體貼片如圖8.18.1（a a）所示，四片電阻應(yīng)變片均）所示，四片電阻應(yīng)變片均粘貼在被測零件表面上，其中粘貼在被測零件表面上，其中R R1 1、R R3 3沿受拉方向粘貼；沿受拉方向粘貼；R2R2、R4R4垂垂直于受力方向粘貼，并且直于受力方向粘貼，并且R R3 3、R R4 4設(shè)置在設(shè)置在R R1 1、R R2 2的圓周方向的的圓周方

6、向的180180。當(dāng)被測零件受到拉伸時，當(dāng)被測零件受到拉伸時，R R1 1、R R3 3受到拉伸產(chǎn)生應(yīng)變受到拉伸產(chǎn)生應(yīng)變 ；而而R R2 2、R R4 4受壓產(chǎn)生應(yīng)變受壓產(chǎn)生應(yīng)變 （ 為泊松比）。若將這四為泊松比）。若將這四個應(yīng)變片組成全橋電路，如圖個應(yīng)變片組成全橋電路，如圖8.18.1（b b）所示，則電橋的輸出電）所示，則電橋的輸出電壓為：壓為： （8-28-2）F31424321o4RRRRRUU43214KU4KU43214KU傳感器與檢測技術(shù)（第傳感器與檢測技術(shù)（第2版）版）由式（由式（8-28-2）可知，全橋測拉時，應(yīng)變儀讀數(shù)為實際應(yīng)變的）可知，全橋測拉時，應(yīng)變儀讀數(shù)為實際應(yīng)變的

7、倍，即零件的實際應(yīng)變倍，即零件的實際應(yīng)變 ，而且采用此全，而且采用此全橋電路還可消除環(huán)境溫度對測量的影響。橋電路還可消除環(huán)境溫度對測量的影響。1212測圖8.1 單向拉壓應(yīng)變測試分析圖傳感器與檢測技術(shù)（第傳感器與檢測技術(shù)（第2版）版）2 2純彎曲時的應(yīng)變測量純彎曲時的應(yīng)變測量當(dāng)被測件只受彎矩當(dāng)被測件只受彎矩M M的作用時，如圖的作用時，如圖8.28.2所示，則在被測件所示，則在被測件的上下表面沿軸向方向的應(yīng)力最大（一邊受拉，另一邊受壓），的上下表面沿軸向方向的應(yīng)力最大（一邊受拉，另一邊受壓），并且最大拉應(yīng)力和壓應(yīng)力相等，其值為并且最大拉應(yīng)力和壓應(yīng)力相等，其值為 ，表面應(yīng)變，表面應(yīng)變?yōu)闉?，只要

8、測得實際應(yīng)變，只要測得實際應(yīng)變 ，被測件所受彎矩可由下，被測件所受彎矩可由下式求得：式求得： （8-38-3）式中，式中，W W為抗彎截面模量（為抗彎截面模量（m4m4）。）。圖8.2 純彎曲應(yīng)變測試分析圖WMEMMMEWWM傳感器與檢測技術(shù)（第傳感器與檢測技術(shù)（第2版）版）具體測量應(yīng)變具體測量應(yīng)變 時，四個電阻應(yīng)變片粘貼在零件上、下兩時，四個電阻應(yīng)變片粘貼在零件上、下兩個側(cè)面，其中個側(cè)面，其中 、 沿主應(yīng)力方向粘貼在零件的上表面；沿主應(yīng)力方向粘貼在零件的上表面； 、沿主應(yīng)力方向粘貼在零件的下表面，并組成全橋電路，如圖沿主應(yīng)力方向粘貼在零件的下表面，并組成全橋電路，如圖8.18.1（b b）所

9、示。）所示。當(dāng)被測件受到純彎曲時，當(dāng)被測件受到純彎曲時， 、 受到拉應(yīng)力，且受到拉應(yīng)力，且 ；而而 、 受到壓應(yīng)力，且受到壓應(yīng)力，且 ，則電橋的輸出電壓為：，則電橋的輸出電壓為： （8-48-4）由式（由式（8-48-4）可知，全橋測量彎曲應(yīng)力時，橋路輸出信號較）可知，全橋測量彎曲應(yīng)力時，橋路輸出信號較大，實際應(yīng)變。大，實際應(yīng)變。4321o4KUU4KUUKM1R3R2R4R1R3R312R4R42傳感器與檢測技術(shù)（第傳感器與檢測技術(shù)（第2版）版）3 3只受扭矩時的應(yīng)變測量只受扭矩時的應(yīng)變測量由材料力學(xué)可知，當(dāng)圓軸只受到扭矩作用時，軸表面有最由材料力學(xué)可知，當(dāng)圓軸只受到扭矩作用時，軸表面有最大

10、剪應(yīng)力。在軸表面取一單元體大剪應(yīng)力。在軸表面取一單元體E E，如圖，如圖8.38.3（a a）所示，為純剪）所示，為純剪應(yīng)力狀態(tài)。在與軸線成應(yīng)力狀態(tài)。在與軸線成 4545方向上，有最大正應(yīng)力方向上，有最大正應(yīng)力 、 ，并且并且 ；相應(yīng)應(yīng)變；相應(yīng)應(yīng)變 、 ，且，且 ；由于；由于軸表面為平面應(yīng)力狀態(tài)，應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系為：軸表面為平面應(yīng)力狀態(tài)，應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系為： （8-58-5）所以，若測出與軸線成所以，若測出與軸線成4545方向上實際應(yīng)變方向上實際應(yīng)變 ，則最大，則最大剪應(yīng)力為：剪應(yīng)力為： （8-68-6）扭矩為：扭矩為： （8-78-7）式中，式中， 為扭矩（為扭矩（N.MN.M）；）； 為抗扭截面模

11、量（為抗扭截面模量（m3m3）。）。1221122111121EEEE1ENNN1WEWMNMNW傳感器與檢測技術(shù)（第傳感器與檢測技術(shù)（第2版）版）具體測量應(yīng)變具體測量應(yīng)變 時，將四片電阻應(yīng)變片均粘貼在被測軸上，時，將四片電阻應(yīng)變片均粘貼在被測軸上，布片如圖布片如圖8.38.3（b b），組橋如圖），組橋如圖8.18.1（b b）所示。當(dāng)軸受扭矩作用）所示。當(dāng)軸受扭矩作用時，時， 、 受到拉應(yīng)力，且受到拉應(yīng)力，且 ；而；而 、 受到壓受到壓應(yīng)力，且應(yīng)力，且 ，則電橋的輸出電壓為：，則電橋的輸出電壓為： （8-88-8）通過測量通過測量 就可測量出就可測量出 ，通過式（，通過式（8-78-7）就

12、可計算出扭）就可計算出扭矩。矩。1R3R312R4R42UKKUU4321o4oU傳感器與檢測技術(shù)（第傳感器與檢測技術(shù)（第2版）版）u8.1.2 8.1.2 復(fù)雜受力情況下單向應(yīng)力應(yīng)變測量復(fù)雜受力情況下單向應(yīng)力應(yīng)變測量在實際測試中，被測件往往處于復(fù)雜的受力狀態(tài)，如轉(zhuǎn)軸在實際測試中，被測件往往處于復(fù)雜的受力狀態(tài)，如轉(zhuǎn)軸同時承受扭矩、彎曲和拉伸等的組合作用，我們可以利用不同同時承受扭矩、彎曲和拉伸等的組合作用，我們可以利用不同的貼片和組橋方式，測量一種載荷而消除其他載荷的影響。的貼片和組橋方式，測量一種載荷而消除其他載荷的影響。u1 1受彎曲與拉伸（壓縮）時的組合應(yīng)變測量受彎曲與拉伸（壓縮）時的組

13、合應(yīng)變測量當(dāng)被測件同時受拉力和彎曲的聯(lián)合作用，如圖當(dāng)被測件同時受拉力和彎曲的聯(lián)合作用，如圖8.48.4所示，由所示，由拉力拉力F F引起的應(yīng)力，在截面均勻分布，其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系引起的應(yīng)力，在截面均勻分布，其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系為為 ；由彎矩；由彎矩M M在上、下表面引起的應(yīng)力在上、下表面引起的應(yīng)力 ，其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系為其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系為 。當(dāng)拉、彎同時作用時，零件上、。當(dāng)拉、彎同時作用時，零件上、下表面的應(yīng)力、應(yīng)變分別為：下表面的應(yīng)力、應(yīng)變分別為：FFEWMMMMEWMAFMF2, 1MF2, 1傳感器與檢測技術(shù)（第傳感器與檢測技術(shù)（第2版）版）所以，只要分別單獨測得所以，只要分別單獨測得 、 的實際應(yīng)變值

14、，便可分別求的實際應(yīng)變值，便可分別求得拉力得拉力F F和彎矩和彎矩M M。具體測量時，在上、下表面上粘貼上四個相。具體測量時，在上、下表面上粘貼上四個相同的應(yīng)變片，如圖同的應(yīng)變片，如圖8.48.4（a a）所示，）所示， 、 沿軸線方向，沿軸線方向， 、 沿沿軸線垂直方向。各應(yīng)變片所感受的應(yīng)變分別是：軸線垂直方向。各應(yīng)變片所感受的應(yīng)變分別是： ： ： ： ：aRMFabRMFbcRMFcdRMFdaRFMbRcRdR傳感器與檢測技術(shù)（第傳感器與檢測技術(shù)（第2版）版） 圖8.4 拉彎組合變形的應(yīng)變測試分析圖傳感器與檢測技術(shù)（第傳感器與檢測技術(shù)（第2版）版）u（1 1）測彎除拉。當(dāng)只測彎曲引起的應(yīng)

15、變而消除拉伸應(yīng)變時，）測彎除拉。當(dāng)只測彎曲引起的應(yīng)變而消除拉伸應(yīng)變時，可如圖可如圖8.48.4（b b）組橋，電橋的輸出電壓為：）組橋，電橋的輸出電壓為： （8-98-9）靜態(tài)應(yīng)變儀讀數(shù)靜態(tài)應(yīng)變儀讀數(shù) ，實際彎曲應(yīng)變，實際彎曲應(yīng)變 ，拉伸應(yīng)變已由電橋自動消除。拉伸應(yīng)變已由電橋自動消除。u（2 2）測拉除彎。當(dāng)只測拉伸應(yīng)變而消除彎曲影響時，可如）測拉除彎。當(dāng)只測拉伸應(yīng)變而消除彎曲影響時，可如圖圖8.48.4（c c）組橋，電橋的輸出電壓為：）組橋，電橋的輸出電壓為： （8-108-10）靜態(tài)應(yīng)變儀讀數(shù)靜態(tài)應(yīng)變儀讀數(shù) ，實際拉伸應(yīng)變，實際拉伸應(yīng)變 ，彎曲應(yīng)變已由電橋自動消除。彎曲應(yīng)變已由電橋自動消

16、除。BDUdcba4KUKU412M BDUbcda4KUKU412FF12測12F測M12測12M測傳感器與檢測技術(shù)（第傳感器與檢測技術(shù)（第2版）版）u2 2受扭轉(zhuǎn)、拉伸（壓縮）和彎曲時的組合應(yīng)變的測量受扭轉(zhuǎn)、拉伸（壓縮）和彎曲時的組合應(yīng)變的測量當(dāng)被測件受一扭矩當(dāng)被測件受一扭矩M Mn n、彎矩、彎矩M M（由橫向力（由橫向力q q引起）和軸向力引起）和軸向力F F同時作用時，如圖同時作用時，如圖8.58.5（a a）所示，為了測得扭矩，一般要把應(yīng)）所示，為了測得扭矩，一般要把應(yīng)變片貼在與軸線成變片貼在與軸線成 4545的方向上，所以我們先分析各種載荷在的方向上，所以我們先分析各種載荷在與軸

17、線成與軸線成 4545的方向上的應(yīng)力應(yīng)變。在被測件的前、后面各取的方向上的應(yīng)力應(yīng)變。在被測件的前、后面各取一單元體一單元體E E、F F，并將其分解，如圖，并將其分解，如圖8.68.6所示。所示。圖8.5 扭拉彎組合變形的貼片方式傳感器與檢測技術(shù)（第傳感器與檢測技術(shù)（第2版）版）uE E1 1、F F1 1：為扭矩：為扭矩M Mn n作用時的純剪應(yīng)力狀態(tài)，與前面純扭轉(zhuǎn)變作用時的純剪應(yīng)力狀態(tài)，與前面純扭轉(zhuǎn)變形分析相同。在與軸線成形分析相同。在與軸線成 4545的方向上，由扭矩的方向上，由扭矩M Mn n作用產(chǎn)生的作用產(chǎn)生的實際應(yīng)變?yōu)閷嶋H應(yīng)變?yōu)?。uE E2 2、F F2 2：為拉力：為拉力F F

18、作用時的單向應(yīng)力狀態(tài)，其橫截面上的正作用時的單向應(yīng)力狀態(tài)，其橫截面上的正應(yīng)力為應(yīng)力為 。在與軸線成。在與軸線成 4545截面上正應(yīng)力為截面上正應(yīng)力為 ，相，相應(yīng)的實際應(yīng)變?yōu)閼?yīng)的實際應(yīng)變?yōu)?。uE E3 3、F F3 3：為彎矩：為彎矩M M作用時的單向應(yīng)力狀態(tài)，兩單元橫截面上作用時的單向應(yīng)力狀態(tài)，兩單元橫截面上的正應(yīng)力為的正應(yīng)力為 ，但符號相反。在與軸線成，但符號相反。在與軸線成 4545的截面上應(yīng)力的截面上應(yīng)力為為 ，相應(yīng)的實際應(yīng)變?yōu)椋鄳?yīng)的實際應(yīng)變?yōu)?，兩個單元應(yīng)變符號相，兩個單元應(yīng)變符號相反。反。2FFFM2MMMF傳感器與檢測技術(shù)（第傳感器與檢測技術(shù)（第2版）版）圖8.6 扭拉彎組合變

19、形的應(yīng)力應(yīng)變分析傳感器與檢測技術(shù)（第傳感器與檢測技術(shù)（第2版）版）在具體測量應(yīng)變時，一般在在具體測量應(yīng)變時，一般在E E、F F兩點與軸線成兩點與軸線成 4545的方向的方向貼四個相同的應(yīng)變片，如圖貼四個相同的應(yīng)變片，如圖8.58.5所示，各應(yīng)變片所感受的實際應(yīng)所示，各應(yīng)變片所感受的實際應(yīng)變?yōu)椋鹤優(yōu)椋?： ： ： ：u（1 1）測扭除拉彎。當(dāng)只測扭轉(zhuǎn)應(yīng)變而消除拉彎應(yīng)變時，可）測扭除拉彎。當(dāng)只測扭轉(zhuǎn)應(yīng)變而消除拉彎應(yīng)變時，可如圖如圖8.78.7（a a）組橋，電橋的輸出電壓為：）組橋，電橋的輸出電壓為： （8-118-11）靜態(tài)應(yīng)變儀讀數(shù)靜態(tài)應(yīng)變儀讀數(shù) ，由扭矩，由扭矩 作用產(chǎn)生在與軸線成作用產(chǎn)生

20、在與軸線成4545方向上的實際應(yīng)變?yōu)椋悍较蛏系膶嶋H應(yīng)變?yōu)椋?，拉伸和彎曲應(yīng)變已由，拉伸和彎曲應(yīng)變已由電橋自動消除。電橋自動消除。aRMFabRMFbcRMFcdRMFdBDUcdba4KUKU444測M4測傳感器與檢測技術(shù)（第傳感器與檢測技術(shù)（第2版）版）（2 2）測彎除扭拉。當(dāng)只測彎曲引起的應(yīng)變而消除扭拉應(yīng)變）測彎除扭拉。當(dāng)只測彎曲引起的應(yīng)變而消除扭拉應(yīng)變時，可如圖時，可如圖8.78.7（b b）組橋，電橋的輸出電壓為：）組橋，電橋的輸出電壓為： （8-128-12）靜態(tài)應(yīng)變儀讀數(shù)靜態(tài)應(yīng)變儀讀數(shù) ，由彎矩作用引起的在與軸線成，由彎矩作用引起的在與軸線成4545方向上的實際應(yīng)變?yōu)椋悍较蛏系膶嶋H

21、應(yīng)變?yōu)椋?，拉伸和扭矩應(yīng)變已由電，拉伸和扭矩應(yīng)變已由電橋自動消除。由橋自動消除。由M M作用產(chǎn)生在與軸線成作用產(chǎn)生在與軸線成 4545的截面上應(yīng)力為的截面上應(yīng)力為 可由平面虎克定律長算得：可由平面虎克定律長算得： ，由于沿軸線方向上的，由于沿軸線方向上的彎曲應(yīng)力彎曲應(yīng)力 ，所以可計算得彎矩：，所以可計算得彎矩： （8-138-13）以上僅為組合變形中測單一種應(yīng)變的例子，實際上可以采以上僅為組合變形中測單一種應(yīng)變的例子，實際上可以采取其他不同的貼片組橋方式來測量，具體方法可參閱有關(guān)書籍。取其他不同的貼片組橋方式來測量，具體方法可參閱有關(guān)書籍。BDUbdca4KUKU44MM4測4M測M1MMEM

22、M2M12EWM傳感器與檢測技術(shù)（第傳感器與檢測技術(shù)（第2版）版） 圖8.7 扭拉彎組合變形的應(yīng)變測量電路傳感器與檢測技術(shù)（第傳感器與檢測技術(shù)（第2版）版）u8.1.3 8.1.3 平面應(yīng)力狀態(tài)的應(yīng)力測量平面應(yīng)力狀態(tài)的應(yīng)力測量在實際測量中，所遇到的許多結(jié)構(gòu)、零件都處在平面應(yīng)力在實際測量中，所遇到的許多結(jié)構(gòu)、零件都處在平面應(yīng)力狀態(tài)下，一般平面應(yīng)力測量問題可分為以下兩種情況。狀態(tài)下，一般平面應(yīng)力測量問題可分為以下兩種情況。u1 1主應(yīng)力方向已知的平面應(yīng)力測量主應(yīng)力方向已知的平面應(yīng)力測量在平面應(yīng)力狀態(tài)中，若主應(yīng)力方向已知，只需沿相互垂直在平面應(yīng)力狀態(tài)中，若主應(yīng)力方向已知，只需沿相互垂直的主應(yīng)力方向貼

23、兩個應(yīng)變片，另外采取溫度補償措施，組成如的主應(yīng)力方向貼兩個應(yīng)變片，另外采取溫度補償措施，組成如圖圖8.88.8所示的電橋，分別直接測得主應(yīng)變所示的電橋，分別直接測得主應(yīng)變 、 ，再由平面虎，再由平面虎克定律，求得主應(yīng)力。如應(yīng)變式荷重傳感器，其外形和結(jié)構(gòu)示克定律，求得主應(yīng)力。如應(yīng)變式荷重傳感器，其外形和結(jié)構(gòu)示意圖如圖意圖如圖8.98.9所示。應(yīng)變片粘貼在鋼制圓柱（可以是實心，也可所示。應(yīng)變片粘貼在鋼制圓柱（可以是實心，也可以是空心）的表面，在力的作用下，以是空心）的表面，在力的作用下，R R1 1、R R3 3受壓，受壓，R R2 2、R R4 4受拉。受拉。圖圖8.108.10是荷重傳感器用于

24、測量汽車質(zhì)量的汽車衡示意圖。這種是荷重傳感器用于測量汽車質(zhì)量的汽車衡示意圖。這種汽車衡便于在稱重現(xiàn)場和控制室讓駕駛員和計重員同時了解測汽車衡便于在稱重現(xiàn)場和控制室讓駕駛員和計重員同時了解測量結(jié)果，并打印數(shù)據(jù)。量結(jié)果，并打印數(shù)據(jù)。12傳感器與檢測技術(shù)（第傳感器與檢測技術(shù)（第2版）版）圖8.8 平面應(yīng)力測量貼片組橋圖傳感器與檢測技術(shù)（第傳感器與檢測技術(shù)（第2版）版）u2 2主應(yīng)力方向未知的主應(yīng)力測量主應(yīng)力方向未知的主應(yīng)力測量在平面應(yīng)力中，在主應(yīng)力方向未知的情況下，若要測取某在平面應(yīng)力中，在主應(yīng)力方向未知的情況下，若要測取某一點的主應(yīng)力大小和方向，可在該點貼三個相互有一定角度的一點的主應(yīng)力大小和方向

25、，可在該點貼三個相互有一定角度的應(yīng)變片構(gòu)成應(yīng)變花，測取這三個方向的應(yīng)變應(yīng)變片構(gòu)成應(yīng)變花，測取這三個方向的應(yīng)變 、 、 ，就，就可利用材料力學(xué)中應(yīng)力理論和平面虎克定律求出主應(yīng)力的大小可利用材料力學(xué)中應(yīng)力理論和平面虎克定律求出主應(yīng)力的大小和方向，如圖和方向，如圖8.118.11所示。讀者若要進(jìn)一步了解具體測試方法，所示。讀者若要進(jìn)一步了解具體測試方法，可以參閱有關(guān)文獻(xiàn)。可以參閱有關(guān)文獻(xiàn)。圖8.9 平面應(yīng)力測量貼片組橋圖abc傳感器與檢測技術(shù)（第傳感器與檢測技術(shù)（第2版）版）圖8.10 汽車衡傳感器與檢測技術(shù)（第傳感器與檢測技術(shù)（第2版）版）u8.2 8.2 力及壓力的測量力及壓力的測量力的測量方法

26、從大的方面講可分為直接比較法和通過采用力的測量方法從大的方面講可分為直接比較法和通過采用傳感器的間接比較法兩類。在直接比較法中常采用梁式天平，傳感器的間接比較法兩類。在直接比較法中常采用梁式天平，其優(yōu)點是簡單易行，在一定條件下可獲得很高的精度（如分析其優(yōu)點是簡單易行，在一定條件下可獲得很高的精度（如分析天平），但它是逐級加載的，測量精度因此決定于砝碼分級的天平），但它是逐級加載的，測量精度因此決定于砝碼分級的密度和砝碼等級，還受到測量系統(tǒng)中杠桿、刀口支承等連接件密度和砝碼等級，還受到測量系統(tǒng)中杠桿、刀口支承等連接件間的摩擦和磨損的影響。另外這種方法基于重力力矩平衡，因間的摩擦和磨損的影響。另外

27、這種方法基于重力力矩平衡，因此僅適用于靜態(tài)測量。與之相反，間接比較法采用測力傳感器，此僅適用于靜態(tài)測量。與之相反，間接比較法采用測力傳感器，將被測力轉(zhuǎn)換為其他物理量，再與標(biāo)準(zhǔn)值比較，從而求得被測將被測力轉(zhuǎn)換為其他物理量，再與標(biāo)準(zhǔn)值比較，從而求得被測力的大小，其可用來做動態(tài)測量，其測量精度主要受傳感器及力的大小，其可用來做動態(tài)測量，其測量精度主要受傳感器及其標(biāo)定的精度所影響。本節(jié)主要介紹間接比較法。其標(biāo)定的精度所影響。本節(jié)主要介紹間接比較法。根據(jù)傳感器的工作原理，常用的力傳感器主要有彈性式、根據(jù)傳感器的工作原理，常用的力傳感器主要有彈性式、電阻應(yīng)變式、電容式和電感式，另外還有電磁感應(yīng)式、壓阻效電

28、阻應(yīng)變式、電容式和電感式，另外還有電磁感應(yīng)式、壓阻效應(yīng)式、壓電效應(yīng)式和光電效應(yīng)式等。應(yīng)式、壓電效應(yīng)式和光電效應(yīng)式等。傳感器與檢測技術(shù)（第傳感器與檢測技術(shù)（第2版）版）圖8.11 應(yīng)變花傳感器與檢測技術(shù)（第傳感器與檢測技術(shù)（第2版）版）u8.2.1 8.2.1 彈性力傳感器彈性力傳感器彈性力傳感器主要用于壓力測量。常用的測力彈性元件主彈性力傳感器主要用于壓力測量。常用的測力彈性元件主要有布爾登管、膜片和波紋管三類，如圖要有布爾登管、膜片和波紋管三類，如圖8.128.12所示。被測的壓所示。被測的壓力作用在彈性元件上，在其彈性極限范圍內(nèi)，產(chǎn)生與壓力成正力作用在彈性元件上，在其彈性極限范圍內(nèi)，產(chǎn)生與

29、壓力成正比的彈性變形，該變形可帶動指針或刻度盤指示出被測壓力的比的彈性變形，該變形可帶動指針或刻度盤指示出被測壓力的大小，構(gòu)成壓力計，或由其他對變形（位移）敏感元件接收轉(zhuǎn)大小，構(gòu)成壓力計，或由其他對變形（位移）敏感元件接收轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺ㄟ^測量電信號的大小從而計算出被測壓力的大變?yōu)殡娦盘枺ㄟ^測量電信號的大小從而計算出被測壓力的大小。小。傳感器與檢測技術(shù)（第傳感器與檢測技術(shù)（第2版）版）圖8.12 彈性壓力敏感元件傳感器與檢測技術(shù)（第傳感器與檢測技術(shù)（第2版）版）u1 1布爾登管布爾登管布爾登管（彈簧管）的橫截面是非圓形的，如圖布爾登管（彈簧管）的橫截面是非圓形的，如圖8.128.12（a a

30、）所示，當(dāng)它的內(nèi)腔接入被測壓力時，且管內(nèi)壓力大于管外壓力所示，當(dāng)它的內(nèi)腔接入被測壓力時，且管內(nèi)壓力大于管外壓力時，因為管子短軸方向的內(nèi)表面積比長軸方向的大，所以受力時，因為管子短軸方向的內(nèi)表面積比長軸方向的大，所以受力也大，短軸要變長些，長軸要變短些，迫使管子向圓形截面變也大，短軸要變長些，長軸要變短些，迫使管子向圓形截面變化，產(chǎn)生彈性變形。由于短軸方向與彈簧管圓弧的徑向方向一化，產(chǎn)生彈性變形。由于短軸方向與彈簧管圓弧的徑向方向一致，因此變形使自由端向管子伸直的方向移動，管端產(chǎn)生向外致，因此變形使自由端向管子伸直的方向移動，管端產(chǎn)生向外的位移量。自由端位移量與作用壓力在一定范圍內(nèi)呈線性關(guān)系。的

31、位移量。自由端位移量與作用壓力在一定范圍內(nèi)呈線性關(guān)系。彈簧管壓力表的結(jié)構(gòu)如圖彈簧管壓力表的結(jié)構(gòu)如圖8.138.13所示。彈簧管自由端位移通過拉所示。彈簧管自由端位移通過拉桿帶動齒輪傳動機構(gòu)放大，轉(zhuǎn)換成指針的轉(zhuǎn)動，在刻度盤上指桿帶動齒輪傳動機構(gòu)放大，轉(zhuǎn)換成指針的轉(zhuǎn)動，在刻度盤上指示出被測壓力值。單圈彈簧管的測壓范圍從真空到幾百兆帕。示出被測壓力值。單圈彈簧管的測壓范圍從真空到幾百兆帕。傳感器與檢測技術(shù)（第傳感器與檢測技術(shù)（第2版）版）單圈彈簧管自由端的位移單圈彈簧管自由端的位移量較小，為了增加自由端的位量較小，為了增加自由端的位移量，提高靈敏度，可采用移量，提高靈敏度，可采用S S形彈簧管或螺旋

32、形彈簧管，但形彈簧管或螺旋形彈簧管，但是它們的測壓上限比單圈彈簧是它們的測壓上限比單圈彈簧管低。管低。1小齒輪；2彈簧管；3指針；4扇形齒輪；5自由端；6拉桿圖8.13 彈簧管壓力表傳感器與檢測技術(shù)（第傳感器與檢測技術(shù)（第2版）版）u2 2膜片膜片膜片是用彈性材料制成的圓形薄片，主要有平面形、波紋膜片是用彈性材料制成的圓形薄片，主要有平面形、波紋型等，如圖型等，如圖8.128.12（b b）所示。膜片的周邊剛性固定，把兩片膜片）所示。膜片的周邊剛性固定，把兩片膜片的周邊焊接起來，可構(gòu)成膜盒，幾個膜盒串接在一起，形成膜的周邊焊接起來，可構(gòu)成膜盒，幾個膜盒串接在一起，形成膜盒組。盒組。在壓力作用下

33、，膜片的中心位移和膜片的應(yīng)變在小變位時在壓力作用下，膜片的中心位移和膜片的應(yīng)變在小變位時均與壓力近似成正比。平膜片具有較高的抗振、抗沖擊能力，均與壓力近似成正比。平膜片具有較高的抗振、抗沖擊能力，用得較多。波紋膜片和膜盒的靈敏度較高。以膜片為敏感元件用得較多。波紋膜片和膜盒的靈敏度較高。以膜片為敏感元件的膜片式壓力計適用于真空或的膜片式壓力計適用于真空或0 06MPa6MPa的壓力測量，膜盒式壓力的壓力測量，膜盒式壓力計的測量范圍是計的測量范圍是0 04 Pa4 Pa。410傳感器與檢測技術(shù)（第傳感器與檢測技術(shù)（第2版）版）u3 3波紋管波紋管波紋管是一種外周沿軸向有許多波紋管是一種外周沿軸向

34、有許多環(huán)狀波紋的薄壁圓筒，如圖環(huán)狀波紋的薄壁圓筒，如圖8.128.12（c c）所示。使用時應(yīng)將開口端焊接于固定所示。使用時應(yīng)將開口端焊接于固定基座上并將被測流體通入管內(nèi)。在流基座上并將被測流體通入管內(nèi)。在流體壓力的作用下，密封的自由端產(chǎn)生體壓力的作用下，密封的自由端產(chǎn)生位移。在波紋管的彈性范圍內(nèi)，自由位移。在波紋管的彈性范圍內(nèi)，自由端的位移量與作用壓力呈線性關(guān)系。端的位移量與作用壓力呈線性關(guān)系。波紋管一般用于低壓測量。波紋管一般用于低壓測量。圖8.14 光電式壓力傳感器傳感器與檢測技術(shù)（第傳感器與檢測技術(shù)（第2版）版）圖圖8.148.14所示為使用膜片作為彈性元件的光電式壓力傳感器，所示為使

35、用膜片作為彈性元件的光電式壓力傳感器，它采用一個紅外發(fā)光二極管和兩個光電二極管來檢測其中的壓它采用一個紅外發(fā)光二極管和兩個光電二極管來檢測其中的壓敏彈性元件（膜片）受壓時產(chǎn)生的位移量。這種傳感器的精度敏彈性元件（膜片）受壓時產(chǎn)生的位移量。這種傳感器的精度很高。為降低溫度的影響，參考光電二極管和測量二極管被做很高。為降低溫度的影響，參考光電二極管和測量二極管被做在同一芯片上。在測量電路中采用了一個測信號比值的在同一芯片上。在測量電路中采用了一個測信號比值的A/DA/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換器。由于兩光電二極管受到相同的光照，紅外發(fā)光二極管因溫器。由于兩光電二極管受到相同的光照，紅外發(fā)光二極管因溫度或老化而導(dǎo)致

36、的輸出變化不會對兩光電二極管輸出的差值產(chǎn)度或老化而導(dǎo)致的輸出變化不會對兩光電二極管輸出的差值產(chǎn)生影響，從而由生影響，從而由A/DA/D轉(zhuǎn)換器得到的輸出僅對二極管受光照面積敏轉(zhuǎn)換器得到的輸出僅對二極管受光照面積敏感。感。傳感器與檢測技術(shù)（第傳感器與檢測技術(shù)（第2版）版）u8.2.2 8.2.2 電阻應(yīng)變式力傳感器電阻應(yīng)變式力傳感器電阻應(yīng)變式力傳感器是根據(jù)應(yīng)變效應(yīng)設(shè)計制作的力傳感器。電阻應(yīng)變式力傳感器是根據(jù)應(yīng)變效應(yīng)設(shè)計制作的力傳感器。應(yīng)變式壓力傳感器的測量范圍大，可以從應(yīng)變式壓力傳感器的測量范圍大，可以從1Pa1Pa到幾到幾MPaMPa，且能獲，且能獲得很高的測量精度。其常見的結(jié)構(gòu)形式有筒式、膜片

37、式和組合得很高的測量精度。其常見的結(jié)構(gòu)形式有筒式、膜片式和組合式等。式等。1工作片；2補償片圖8.15 筒式壓力傳感器傳感器與檢測技術(shù)（第傳感器與檢測技術(shù)（第2版）版）u1 1筒式壓力傳感器筒式壓力傳感器筒式壓力傳感器見圖筒式壓力傳感器見圖8.158.15所示，通常用于測量較大的壓力，所示，通常用于測量較大的壓力，它的一端為盲孔，另一端為法蘭與被測系統(tǒng)相連接，應(yīng)變片貼它的一端為盲孔，另一端為法蘭與被測系統(tǒng)相連接，應(yīng)變片貼于筒的外表面，工作片于筒的外表面，工作片1 1貼于空心部分，補償片貼于空心部分，補償片2 2貼在實心部分。貼在實心部分。u2 2膜片式壓力傳感器膜片式壓力傳感器膜片式壓力傳感器

38、如圖膜片式壓力傳感器如圖8.168.16所示。它的敏感元件為圓形箔所示。它的敏感元件為圓形箔式應(yīng)變片。式應(yīng)變片。傳感器與檢測技術(shù)（第傳感器與檢測技術(shù)（第2版）版）u3 3組合式壓力傳感器組合式壓力傳感器組合式壓力傳感器的壓力敏感元件為波紋膜片、膜盒或波組合式壓力傳感器的壓力敏感元件為波紋膜片、膜盒或波紋管等，而應(yīng)變片粘貼在懸臂梁上，如圖紋管等，而應(yīng)變片粘貼在懸臂梁上，如圖8.178.17所示，這種傳感所示，這種傳感器多用于測量小壓力。器多用于測量小壓力。AK-2AK-2型應(yīng)變式壓力傳感器采用組合式結(jié)型應(yīng)變式壓力傳感器采用組合式結(jié)構(gòu)，即在感應(yīng)膜片前面加一段引壓管，使傳感器的測量不受安構(gòu)，即在感應(yīng)

39、膜片前面加一段引壓管，使傳感器的測量不受安裝力矩的影響，測量范圍廣，性能穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，密裝力矩的影響，測量范圍廣，性能穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，密封可靠，主要適用于各種靜態(tài)（準(zhǔn)靜態(tài)）氣體、液體介質(zhì)壓力封可靠，主要適用于各種靜態(tài)（準(zhǔn)靜態(tài)）氣體、液體介質(zhì)壓力的測量。的測量。傳感器與檢測技術(shù)（第傳感器與檢測技術(shù)（第2版）版）1插座；2膜片；3應(yīng)變片圖8.16 膜片式壓力傳感器 圖8.17 組合式壓力傳感器 傳感器與檢測技術(shù)（第傳感器與檢測技術(shù)（第2版）版）采用金屬電阻應(yīng)變片的壓力傳感器能測量的形變一般很小采用金屬電阻應(yīng)變片的壓力傳感器能測量的形變一般很小（0.10.10.5mm0.5mm），如果

40、要求測量的位移過大，可采用較大量程），如果要求測量的位移過大，可采用較大量程的傳感器，但為此會降低靈敏度。所以應(yīng)變式壓力傳感器應(yīng)用的傳感器，但為此會降低靈敏度。所以應(yīng)變式壓力傳感器應(yīng)用較廣的是半導(dǎo)體應(yīng)變片，根據(jù)其制造工藝不同有體型半導(dǎo)體應(yīng)較廣的是半導(dǎo)體應(yīng)變片，根據(jù)其制造工藝不同有體型半導(dǎo)體應(yīng)變片與薄膜型半導(dǎo)體應(yīng)變片等，但隨著半導(dǎo)體器件平面工藝的變片與薄膜型半導(dǎo)體應(yīng)變片等，但隨著半導(dǎo)體器件平面工藝的發(fā)展，出現(xiàn)了用擴散法制成的半導(dǎo)體應(yīng)變片，這種應(yīng)變片的特發(fā)展，出現(xiàn)了用擴散法制成的半導(dǎo)體應(yīng)變片，這種應(yīng)變片的特點是穩(wěn)定性高，機械滯后和蠕變小，電阻溫度系數(shù)比一般體型點是穩(wěn)定性高，機械滯后和蠕變小，電阻溫

41、度系數(shù)比一般體型的小一個數(shù)量級。的小一個數(shù)量級。應(yīng)變式壓力傳感器既可用于靜態(tài)測量，又可用于動態(tài)測量。應(yīng)變式壓力傳感器既可用于靜態(tài)測量，又可用于動態(tài)測量。由于變形體剛度大，因而這種傳感器具有很高的固有頻率。應(yīng)由于變形體剛度大，因而這種傳感器具有很高的固有頻率。應(yīng)變片測量法非常適合于較高頻率和持續(xù)交變載荷的情況。另外，變片測量法非常適合于較高頻率和持續(xù)交變載荷的情況。另外，應(yīng)變片法測量的重復(fù)性很高。應(yīng)變片法測量的重復(fù)性很高。傳感器與檢測技術(shù)（第傳感器與檢測技術(shù)（第2版）版）u8.2.3 8.2.3 其他力傳感器其他力傳感器u1 1電容式力傳感器電容式力傳感器電容式力傳感器就是把力轉(zhuǎn)換成微小位移量的

42、變化，通過電容式力傳感器就是把力轉(zhuǎn)換成微小位移量的變化，通過測量由于位移變化引起的電容量變化大小，從而計算出被測力測量由于位移變化引起的電容量變化大小，從而計算出被測力的大小。如圖的大小。如圖8.188.18所示為一電容式壓力傳感器。彈性膜片與中所示為一電容式壓力傳感器。彈性膜片與中心桿端面構(gòu)成可變電容器的兩極，在壓力作用下，膜片沿軸向心桿端面構(gòu)成可變電容器的兩極，在壓力作用下，膜片沿軸向產(chǎn)生位移，從而改變了電容的間隙。這種傳感器的特點是利用產(chǎn)生位移，從而改變了電容的間隙。這種傳感器的特點是利用了膜片本身的彈性，具有較高的靈敏度。其測量精度取決于測了膜片本身的彈性，具有較高的靈敏度。其測量精度

43、取決于測量電路，一般也采用調(diào)頻或調(diào)相電路來驅(qū)動，適用于液壓系統(tǒng)量電路，一般也采用調(diào)頻或調(diào)相電路來驅(qū)動，適用于液壓系統(tǒng)的動態(tài)測量。的動態(tài)測量。傳感器與檢測技術(shù)（第傳感器與檢測技術(shù)（第2版）版）在實際應(yīng)用中常采用差動電容式壓力傳感器。圖在實際應(yīng)用中常采用差動電容式壓力傳感器。圖8.198.19所示所示為一種差動電容壓力傳感器為一種差動電容壓力傳感器 結(jié)構(gòu)示意圖，它可用來檢測結(jié)構(gòu)示意圖，它可用來檢測0 0到到0.10.1大氣壓（或大氣壓（或 PaPa）的壓力，響應(yīng)速度為）的壓力，響應(yīng)速度為100ms100ms。這種傳感器的。這種傳感器的敏感元件是一個很薄的金屬彈性膜片，安裝在兩個凹形的玻璃敏感元件是

44、一個很薄的金屬彈性膜片，安裝在兩個凹形的玻璃片之間，玻璃片凹形處電鍍有金屬膜，金屬彈性膜片與玻璃結(jié)片之間，玻璃片凹形處電鍍有金屬膜，金屬彈性膜片與玻璃結(jié)合處的電鍍金屬膜構(gòu)成兩個差動電容。當(dāng)膜片承受兩面輸入的合處的電鍍金屬膜構(gòu)成兩個差動電容。當(dāng)膜片承受兩面輸入的壓力后，膜片就向壓力小的方向產(chǎn)生變形，因此膜片與玻璃片壓力后，膜片就向壓力小的方向產(chǎn)生變形，因此膜片與玻璃片內(nèi)側(cè)的金屬膜層構(gòu)成的電容量一個增加，另一個減少，電容量內(nèi)側(cè)的金屬膜層構(gòu)成的電容量一個增加，另一個減少，電容量變化的大小反映了壓力變化的大小。由于這個敏感元件對工作變化的大小反映了壓力變化的大小。由于這個敏感元件對工作范圍沒有加以限制

45、，一旦產(chǎn)生壓力差，金屬膜片就會貼到玻璃范圍沒有加以限制，一旦產(chǎn)生壓力差，金屬膜片就會貼到玻璃表面上，因此玻璃片的金屬表面要絕緣。表面上，因此玻璃片的金屬表面要絕緣。104傳感器與檢測技術(shù)（第傳感器與檢測技術(shù)（第2版）版）圖8.18 電容式壓力傳感器 圖8.19 差動電容壓力傳感器傳感器與檢測技術(shù)（第傳感器與檢測技術(shù)（第2版）版）圖圖8.208.20所示為一種采用差動電容器的稱量力天平。該差動所示為一種采用差動電容器的稱量力天平。該差動電容器組成電橋電路的兩臂，當(dāng)稱量時，電容器中間板向上移電容器組成電橋電路的兩臂，當(dāng)稱量時，電容器中間板向上移動，使電橋失衡。該失衡量經(jīng)整流、放大并積分，在磁力線圈

46、動，使電橋失衡。該失衡量經(jīng)整流、放大并積分，在磁力線圈中產(chǎn)生一增加的電流。當(dāng)電流增加時，線圈中產(chǎn)生的磁感應(yīng)反中產(chǎn)生一增加的電流。當(dāng)電流增加時，線圈中產(chǎn)生的磁感應(yīng)反作用力最終將與所加的重量相平衡，并將電容器中間極板拉回作用力最終將與所加的重量相平衡，并將電容器中間極板拉回至零位置。這種天平的優(yōu)點是機械系統(tǒng)的非線性不會造成測量至零位置。這種天平的優(yōu)點是機械系統(tǒng)的非線性不會造成測量誤差。差動電容器僅用來檢測零位置變化，且磁力線圈總是平誤差。差動電容器僅用來檢測零位置變化，且磁力線圈總是平衡到相同位置上。整個系統(tǒng)中僅要求電路系統(tǒng)具有線性特性。衡到相同位置上。整個系統(tǒng)中僅要求電路系統(tǒng)具有線性特性。圖8.

47、20 力天平稱量系統(tǒng)傳感器與檢測技術(shù)（第傳感器與檢測技術(shù)（第2版）版）u2 2電感式力傳感器電感式力傳感器電感式力傳感器利用磁性材料和空氣磁導(dǎo)率不同，當(dāng)壓力電感式力傳感器利用磁性材料和空氣磁導(dǎo)率不同，當(dāng)壓力作用在膜片上靠膜片改變空氣氣隙大小，去改變固定線圈的電作用在膜片上靠膜片改變空氣氣隙大小，去改變固定線圈的電感，通過測量電路把電感的變化轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電壓或電流輸出，感，通過測量電路把電感的變化轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電壓或電流輸出，通過測量電流或電壓從而計算出測量力的大小。通過測量電流或電壓從而計算出測量力的大小。電感式力傳感器按磁路特性主要分為變磁阻式和變磁導(dǎo)式電感式力傳感器按磁路特性主要分為變磁阻式

48、和變磁導(dǎo)式兩種，變磁阻式屬于自感式電感傳感器，變磁導(dǎo)式可以是自感兩種，變磁阻式屬于自感式電感傳感器，變磁導(dǎo)式可以是自感式的，也可以是互感式的。它們的特點是靈敏度高，輸出較大，式的，也可以是互感式的。它們的特點是靈敏度高，輸出較大，結(jié)構(gòu)牢靠，對動態(tài)加速度干擾不敏感，但不適合于高頻動態(tài)測結(jié)構(gòu)牢靠，對動態(tài)加速度干擾不敏感，但不適合于高頻動態(tài)測量，測量儀器也較笨重。量，測量儀器也較笨重。傳感器與檢測技術(shù)（第傳感器與檢測技術(shù)（第2版）版）變磁阻式力傳感器常采用變間隙型電感傳感器，在實際使變磁阻式力傳感器常采用變間隙型電感傳感器，在實際使用中，總是將兩個電感式傳感器組合在一起，組成差動式壓力用中，總是將兩

49、個電感式傳感器組合在一起，組成差動式壓力傳感器。變磁阻式傳感器由于穿過線圈的磁通密度很高，因此傳感器。變磁阻式傳感器由于穿過線圈的磁通密度很高，因此鐵磁材料常常發(fā)生磁導(dǎo)率不恒定的缺點，為此可采用變磁導(dǎo)式鐵磁材料常常發(fā)生磁導(dǎo)率不恒定的缺點，為此可采用變磁導(dǎo)式傳感器。變磁導(dǎo)式壓力傳感器是根據(jù)差動式螺管型電感傳感器傳感器。變磁導(dǎo)式壓力傳感器是根據(jù)差動式螺管型電感傳感器或差動變壓器式電感傳感器設(shè)計制作的。或差動變壓器式電感傳感器設(shè)計制作的。變磁導(dǎo)式壓力傳感器是把被測壓力的大小轉(zhuǎn)換為螺管的移變磁導(dǎo)式壓力傳感器是把被測壓力的大小轉(zhuǎn)換為螺管的移動，其原理如圖動，其原理如圖8.218.21所示，它沒有鐵芯，只

50、有一個小的可沿軸所示，它沒有鐵芯，只有一個小的可沿軸向移動的磁性元件，由于元件位置變化，有效磁導(dǎo)率發(fā)生變化，向移動的磁性元件，由于元件位置變化，有效磁導(dǎo)率發(fā)生變化，從而在指示儀表中讀出讀數(shù)。由圖可見，這種傳感器實質(zhì)上是從而在指示儀表中讀出讀數(shù)。由圖可見，這種傳感器實質(zhì)上是一個普通的調(diào)感線圈。一個普通的調(diào)感線圈。圖圖8.228.22所示是一種變壓器式力傳感器，當(dāng)所示膜片兩側(cè)有所示是一種變壓器式力傳感器，當(dāng)所示膜片兩側(cè)有壓力差時，膜片沿軸向發(fā)生位移，從而使變壓器輸出電壓。壓力差時，膜片沿軸向發(fā)生位移，從而使變壓器輸出電壓。傳感器與檢測技術(shù)（第傳感器與檢測技術(shù)（第2版）版）現(xiàn)在，隨著集成技術(shù)的發(fā)展，

51、常把通用的力傳感器和信號現(xiàn)在，隨著集成技術(shù)的發(fā)展，常把通用的力傳感器和信號處理電路集成在一起，并把被測壓力以數(shù)字的形式輸出或顯示，處理電路集成在一起，并把被測壓力以數(shù)字的形式輸出或顯示，構(gòu)成數(shù)字式力傳感器。構(gòu)成數(shù)字式力傳感器。圖8.21 變磁導(dǎo)式壓力傳感器原理圖 圖8.22 差動變壓器式力傳感器傳感器與檢測技術(shù)（第傳感器與檢測技術(shù)（第2版）版）u8.3 8.3 位移的測量位移的測量按照位移的特征，可分為線位移和角位移。線位移是指沿按照位移的特征，可分為線位移和角位移。線位移是指沿著某一條直線移動的距離，角位移是指機構(gòu)沿著某一定點轉(zhuǎn)動著某一條直線移動的距離，角位移是指機構(gòu)沿著某一定點轉(zhuǎn)動的角度。

52、表的角度。表8.18.1列出了位移測量常用的傳感器及其主要性能。電列出了位移測量常用的傳感器及其主要性能。電容式位移傳感器、差動電感式位移傳感器和電阻應(yīng)變式傳感器容式位移傳感器、差動電感式位移傳感器和電阻應(yīng)變式傳感器一般用于小位移的測量（幾微米幾毫米）。差動變壓器式傳一般用于小位移的測量（幾微米幾毫米）。差動變壓器式傳感器用于中等位移的測量（幾毫米感器用于中等位移的測量（幾毫米100100毫米左右），這種傳感毫米左右），這種傳感器在工業(yè)測量中應(yīng)用得最多。電位器式傳感器適用于較大范圍器在工業(yè)測量中應(yīng)用得最多。電位器式傳感器適用于較大范圍位移的測量，但精度不高。光柵、磁柵、感應(yīng)同步器和激光位位移的

53、測量，但精度不高。光柵、磁柵、感應(yīng)同步器和激光位移傳感器用于位移的精密測量，測量精度高（可達(dá)移傳感器用于位移的精密測量，測量精度高（可達(dá) m m），量程），量程也可大到幾米。也可大到幾米。傳感器與檢測技術(shù)（第傳感器與檢測技術(shù)（第2版）版） 傳感器與檢測技術(shù)（第傳感器與檢測技術(shù)（第2版）版） 傳感器與檢測技術(shù)（第傳感器與檢測技術(shù)（第2版）版） 傳感器與檢測技術(shù)（第傳感器與檢測技術(shù)（第2版）版）u8.3.1 8.3.1 電阻式位移傳感器電阻式位移傳感器電阻式位移傳感器是把被測位移轉(zhuǎn)換成電阻變化，通過測電阻式位移傳感器是把被測位移轉(zhuǎn)換成電阻變化，通過測量電阻值達(dá)到測量位移目的的一種傳感器。常用的有應(yīng)

54、變片式量電阻值達(dá)到測量位移目的的一種傳感器。常用的有應(yīng)變片式和電位器式兩種，前者適用于電阻值變化較小的場合，靈敏度和電位器式兩種，前者適用于電阻值變化較小的場合，靈敏度高，后者適用于位移變化較大的場合。高，后者適用于位移變化較大的場合。1測量頭；2彈性頭；3彈簧；4外殼；5測量桿；6調(diào)整螺母圖8.23 應(yīng)變片式位移傳感器結(jié)構(gòu)傳感器與檢測技術(shù)（第傳感器與檢測技術(shù)（第2版）版）u1 1應(yīng)變片式位移傳感器應(yīng)變片式位移傳感器目前，國內(nèi)外生產(chǎn)的應(yīng)變式位移傳感器大多采用懸臂梁目前，國內(nèi)外生產(chǎn)的應(yīng)變式位移傳感器大多采用懸臂梁- -彈彈簧組合式位移傳感器，這種傳感器的結(jié)構(gòu)如圖簧組合式位移傳感器，這種傳感器的結(jié)

55、構(gòu)如圖8.238.23所示。使用所示。使用時，把傳感器的外殼固定在不動的支架上，成為空間固定的參時，把傳感器的外殼固定在不動的支架上，成為空間固定的參考點，把頂桿與被測物體相接，被測物體的振動通過頂桿傳到考點，把頂桿與被測物體相接，被測物體的振動通過頂桿傳到懸臂梁，從而導(dǎo)致貼在懸臂梁根部附近上下兩表面的應(yīng)變片產(chǎn)懸臂梁，從而導(dǎo)致貼在懸臂梁根部附近上下兩表面的應(yīng)變片產(chǎn)生應(yīng)變，應(yīng)變大小與位移成正比。通過電橋測量電路測出應(yīng)變，生應(yīng)變，應(yīng)變大小與位移成正比。通過電橋測量電路測出應(yīng)變，就可得出位移量。在整個測量過程中，為了保證頂桿與懸臂梁就可得出位移量。在整個測量過程中，為了保證頂桿與懸臂梁始終緊密接觸，

56、使用時應(yīng)使懸臂梁有足夠的預(yù)彎曲，如日本生始終緊密接觸，使用時應(yīng)使懸臂梁有足夠的預(yù)彎曲，如日本生產(chǎn)的產(chǎn)的CDPCDP系列彈簧傳力型位移傳感器，就是這種類型的位移傳感系列彈簧傳力型位移傳感器，就是這種類型的位移傳感器，它可用于測量結(jié)構(gòu)機械變形，機床自動限位、定位及移動器，它可用于測量結(jié)構(gòu)機械變形，機床自動限位、定位及移動狀態(tài)顯示等，其精度可達(dá)狀態(tài)顯示等，其精度可達(dá)0.1%0.1%，測量范圍為，測量范圍為0 0100mm100mm。傳感器與檢測技術(shù)（第傳感器與檢測技術(shù)（第2版）版）u2 2電位器式位移傳感器電位器式位移傳感器電位器式位移傳感器種類較多，按結(jié)構(gòu)形式可分為直線位電位器式位移傳感器種類較多

57、，按結(jié)構(gòu)形式可分為直線位移型和角位移型，按工藝特點可分為線繞式和非線繞式。這種移型和角位移型，按工藝特點可分為線繞式和非線繞式。這種類型傳感器的特點是結(jié)構(gòu)簡單，價格低廉，輸入信號大，一般類型傳感器的特點是結(jié)構(gòu)簡單，價格低廉，輸入信號大，一般不需放大。但它的分辨率不高，精度也不高，所以不適合精度不需放大。但它的分辨率不高，精度也不高，所以不適合精度要求較高的場合。另外，它的動態(tài)響應(yīng)較差，不適合于動態(tài)快要求較高的場合。另外，它的動態(tài)響應(yīng)較差，不適合于動態(tài)快速測量。速測量。線繞電位器式位移傳感器一般由電阻骨架和電刷組成，它線繞電位器式位移傳感器一般由電阻骨架和電刷組成，它的分辨率受到電阻元件構(gòu)造的影

58、響，其結(jié)構(gòu)如圖的分辨率受到電阻元件構(gòu)造的影響，其結(jié)構(gòu)如圖8.248.24所示。由所示。由于其存在摩擦和磨損，有階梯誤差、分辨率低、壽命短等缺點，于其存在摩擦和磨損，有階梯誤差、分辨率低、壽命短等缺點，所以近年來，逐漸被非線繞式電位器位移傳感器所代替。非線所以近年來，逐漸被非線繞式電位器位移傳感器所代替。非線繞式電位器目前常見的有合成膜式、金屬膜式、導(dǎo)電塑料和光繞式電位器目前常見的有合成膜式、金屬膜式、導(dǎo)電塑料和光電式等。它們的共同特點是在絕緣基座上制成各種薄膜敏感元電式等。它們的共同特點是在絕緣基座上制成各種薄膜敏感元件，因此比線繞式電位器具有高得多的分辨率，并且耐磨性好，件，因此比線繞式電位

59、器具有高得多的分辨率，并且耐磨性好，壽命長。壽命長。傳感器與檢測技術(shù)（第傳感器與檢測技術(shù)（第2版）版） 1測量軸；2滑線電阻；3電刷；4精密無感電阻；5導(dǎo)軌；6彈簧；7殼體圖8.24 電位器式位移傳感器傳感器與檢測技術(shù)（第傳感器與檢測技術(shù)（第2版）版）u8.3.2 8.3.2 電渦流式位移傳感器電渦流式位移傳感器電渦流式傳感器是利用電渦流效應(yīng)，將非電量轉(zhuǎn)換為阻抗電渦流式傳感器是利用電渦流效應(yīng)，將非電量轉(zhuǎn)換為阻抗變化，如圖變化，如圖8.258.25所示。被測金屬導(dǎo)體放置在一個扁平線圈附近，所示。被測金屬導(dǎo)體放置在一個扁平線圈附近，兩者并不接觸，當(dāng)線圈中通以高頻正弦交變電流兩者并不接觸，當(dāng)線圈中通

60、以高頻正弦交變電流i i1 1時，在線圈周時，在線圈周圍就產(chǎn)生一個交變磁場圍就產(chǎn)生一個交變磁場H H1 1。若被測導(dǎo)體置于該磁場范圍之內(nèi)，。若被測導(dǎo)體置于該磁場范圍之內(nèi)，則在被測導(dǎo)體內(nèi)便產(chǎn)生電渦流則在被測導(dǎo)體內(nèi)便產(chǎn)生電渦流i i2 2，而此電渦流將產(chǎn)生一個新的磁，而此電渦流將產(chǎn)生一個新的磁場場H H2 2，H H2 2與與H H1 1方向相反，抵消部分原磁場，從而導(dǎo)致線圈的有效方向相反，抵消部分原磁場，從而導(dǎo)致線圈的有效電阻抗發(fā)生變化。電阻抗發(fā)生變化。圖8.25 電渦流作用原理傳感器與檢測技術(shù)（第傳感器與檢測技術(shù)（第2版）版）一般講，線圈的阻抗變化與導(dǎo)體的電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率、幾何一般講，線圈的阻抗