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1、,第三章 力學(xué)量傳感器,3.1 多維測(cè)力彈性體系統(tǒng)3.2 膜片壓力傳感器3.3 光纖壓力傳感器3.4 轉(zhuǎn)矩傳感器,力學(xué)量通常是指狹義力學(xué)量:力、力矩、應(yīng)力、壓力等物理量。力學(xué)量傳感器,又稱力敏傳感器,是應(yīng)用最廣泛的一類傳感器。力學(xué)量作用的結(jié)果使器件結(jié)構(gòu)尺寸變化,引起相關(guān)的電阻、電容、電感等電參量變化,構(gòu)成結(jié)構(gòu)型傳感器。 引起器件物理性能變化,如壓阻效應(yīng)、壓電效應(yīng)、壓磁效應(yīng)等,構(gòu)成物性型傳感器。,3.1 多維測(cè)力彈性體系
2、統(tǒng),傳統(tǒng)的應(yīng)變片式測(cè)力傳感器具有堅(jiān)固耐用、長(zhǎng)期穩(wěn)定、成本低等優(yōu)點(diǎn)。如果把一個(gè)彈性體設(shè)計(jì)成不同的膜片、彈性梁及彈性筒的組合,各組成部分貼應(yīng)變片分別測(cè)不同方向、不同性質(zhì)的力,彈性體構(gòu)成一個(gè)測(cè)多個(gè)力的彈性元件組合體,稱作多維測(cè)力彈性體。再加上相關(guān)測(cè)量電路,就組成 一個(gè)多維測(cè)力彈性體系統(tǒng)。,3.1.1 雙量程動(dòng)態(tài)測(cè)力彈性體系統(tǒng),雙量程測(cè)力傳感器可以在保證第一級(jí)大推力測(cè)量精度的同時(shí),解決第二級(jí)小推力的測(cè)量問(wèn)題,提高了其靈敏度和測(cè)量精度,使之達(dá)到
3、與第一級(jí)有同等的測(cè)量精度。一、結(jié)構(gòu) 在實(shí)際中,雙量程測(cè)力傳感器大都采用了輪輻式結(jié)構(gòu),將彈性體串聯(lián)成一體的復(fù)合彈性體,分別用于測(cè)量小力值和大力值。 其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊、合理可靠;高度小,結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好;有過(guò)載保護(hù)等 。,雙量程測(cè)力傳感器結(jié)構(gòu),3.1.1 雙量程動(dòng)態(tài)測(cè)力彈性體系統(tǒng),3.1.1 雙量程動(dòng)態(tài)測(cè)力彈性體系統(tǒng),這種復(fù)合結(jié)構(gòu)傳感器適用于大力值測(cè)量,又能保證在小力值范圍內(nèi)具有足夠的靈敏度。 當(dāng)FF2時(shí),空
4、隙δ1=0,小量程段電橋滿輸出,而δ2≠0,大量程段電橋輸出有效,對(duì)應(yīng)為大力值測(cè)量。 當(dāng)F>F1時(shí),空隙δ2=0,達(dá)到過(guò)載保護(hù)狀態(tài)。 兩組輪輻上,應(yīng)變片粘貼方式一致(都受拉應(yīng)力),分別由四片電阻應(yīng)變片組成全電橋電路。,3.1.1 雙量程動(dòng)態(tài)測(cè)力彈性體系統(tǒng),二、動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型 從動(dòng)力學(xué)觀點(diǎn)來(lái)看,串聯(lián)結(jié)構(gòu)的應(yīng)變片式測(cè)力傳感器的
5、彈性結(jié)構(gòu)部分可以抽象為二自由度的振動(dòng)系統(tǒng)。假定傳感器安置于完全理想剛性的基體上,則傳感器可等效為串聯(lián)的二階彈簧—質(zhì)量—阻尼(kmc)系統(tǒng)?! ‘?dāng)測(cè)量大力值時(shí),δ1=0壓頭和彈性體成為一體,可簡(jiǎn)化成只有一個(gè)質(zhì)量塊的單自由度系統(tǒng)。系統(tǒng)的幅頻特性和相頻特性與一般的二階系統(tǒng)的特性完全相同。,,3.1.1 雙量程動(dòng)態(tài)測(cè)力彈性體系統(tǒng),高量程時(shí)傳感器的力學(xué)模型圖,3.1.1 雙量程動(dòng)態(tài)測(cè)力彈性體系統(tǒng),當(dāng)測(cè)量小量程時(shí),δ1≠0,測(cè)小力值和大力值的兩彈
6、性體都是受力的,應(yīng)簡(jiǎn)化成有兩個(gè)質(zhì)量塊的二自由度系統(tǒng)。串聯(lián)二自由度測(cè)力傳感器的力學(xué)模型及受力分析如圖所示,圖中,f(t)為外界向系統(tǒng)實(shí)施的激勵(lì)力,m1、m2分別為兩個(gè)質(zhì)量體的集中質(zhì)量,k1、k2分別為兩個(gè)彈性體的剛度,c1、c2分別為兩個(gè)自由度結(jié)構(gòu)的阻尼系數(shù)。,,3.1.1 雙量程動(dòng)態(tài)測(cè)力彈性體系統(tǒng),k1,c1,m1,,f(t),y1,y2,c2,,k2,,m2,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,
7、,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,m2,,,,,,,,,,,,,,,,,m1,,,,,f(t),,,串聯(lián)二自由度測(cè)力傳感器模型及受力分析,3.1.1 雙量程動(dòng)態(tài)測(cè)力彈性體系統(tǒng),于是可以根據(jù)系統(tǒng)受力分析,列寫出描述二自由度系統(tǒng)輸入-輸出關(guān)系的微分方程組:,,,3.1.1 雙量程動(dòng)態(tài)測(cè)力彈性體系統(tǒng),現(xiàn)設(shè)x1、x2、x3、x4為狀態(tài)變量,于是有:,,3.1.1 雙量程動(dòng)態(tài)測(cè)力彈性體系統(tǒng),可寫出狀態(tài)方程:,,3.1.1 雙量
8、程動(dòng)態(tài)測(cè)力彈性體系統(tǒng),現(xiàn)對(duì)上式進(jìn)行拉氏變換,當(dāng)初始狀態(tài)為零時(shí),有:,,3.1.1 雙量程動(dòng)態(tài)測(cè)力彈性體系統(tǒng),由上式可解出,當(dāng)激勵(lì)F(s)存在時(shí),其兩個(gè)質(zhì)量塊的位移輸出Y1(s)、Y2(s)的傳遞函數(shù)為:,,,其中:,3.1.1雙量程動(dòng)態(tài)測(cè)力彈性體系統(tǒng),這種串聯(lián)式復(fù)合彈性體結(jié)構(gòu)緊湊合理,結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好,有過(guò)載保護(hù),可用于測(cè)量壓縮力、推力、拉力及制動(dòng)轉(zhuǎn)矩和拖曳轉(zhuǎn)矩。系統(tǒng)的線性度、遲滯、重復(fù)性均小于滿量程的千分之一。,3.1.3 六維測(cè)力彈性體
9、系統(tǒng),目前六維測(cè)力彈性體的結(jié)構(gòu)主要有以下四類:三垂直筋結(jié)構(gòu) 筒形結(jié)構(gòu)十字交叉梁式結(jié)構(gòu)組合式彈性體結(jié)構(gòu),三垂直筋結(jié)構(gòu),上下分別為兩個(gè)圓環(huán),中間由筋相連,這類彈性體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,承載能力強(qiáng),抗沖擊力強(qiáng)。主要缺點(diǎn)是測(cè)量沿垂直筋方向力的靈敏度低,應(yīng)用受到限制。在垂直筋內(nèi)表面貼應(yīng)變片測(cè)拉壓應(yīng)力,在垂直筋外表面貼應(yīng)變片測(cè)剪切應(yīng)力。,筒形結(jié)構(gòu),在一個(gè)圓柱整體上加工出兩層豎筋,相當(dāng)兩個(gè)四垂直筋結(jié)構(gòu)疊層組合。彈性體敏感部分位于上圓環(huán)(橫梁)和下層
10、豎筋(豎梁),在八個(gè)變形處的對(duì)稱表面貼有八組應(yīng)變片,組成八組輸出電橋。該結(jié)構(gòu)線性度好,重復(fù)性好,遲滯小,有溫度補(bǔ)償作用,但結(jié)構(gòu)復(fù)雜不易加工,高度方向尺寸大,剛度低。,十字交叉梁式結(jié)構(gòu),彈性體敏感部分是十字梁的四個(gè)臂,每個(gè)臂的四面均貼有應(yīng)變片。彈性體為鋁合金總體式結(jié)構(gòu),外形尺寸較大,對(duì)外機(jī)械連接麻煩??梢詽M足各分力和分力矩的一定靈敏度要求,各維力間干擾可控制在一定范圍內(nèi)。十字梁外端由薄片支撐,超載能力低,動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性不易提高。,組合
11、式彈性體結(jié)構(gòu),六維測(cè)力(矩)彈性體是組合式結(jié)構(gòu),分上下兩個(gè)組件。上部組件是中空正方形薄壁筒,四個(gè)側(cè)面貼有應(yīng)變片4和4?,5和5?。當(dāng)薄壁筒有微應(yīng)變時(shí),應(yīng)變片能測(cè)出作用力矩。,,3.2 膜片壓力傳感器,3.2.1 薄膜應(yīng)變片傳統(tǒng)的應(yīng)變片是采用金屬絲粘貼或硅擴(kuò)散的方法來(lái)制作敏感柵,價(jià)格便宜、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便,因此成為電阻應(yīng)變片傳感器中十分廣泛的力敏器件。但是粘貼式應(yīng)變片的敏感層與基片之間的傳遞性能不好,存在蠕變、機(jī)械滯后、零漂等不足,
12、影響了它的測(cè)量精度。,3.2.1 薄膜應(yīng)變片,薄膜應(yīng)變片的穩(wěn)定性是指蠕變和零漂的大小。蠕變和零漂是難以補(bǔ)償?shù)恼`差。 蠕變:在恒定的溫度條件下,一恒定的負(fù)載施加到薄膜應(yīng)變片上,應(yīng)變片的電阻隨時(shí)間發(fā)生單方向變化的現(xiàn)象。 零漂:在負(fù)載為零的情況下,應(yīng)變片的電阻隨時(shí)間發(fā)生單方向變化的現(xiàn)象。,3.2.1 薄膜應(yīng)變片,薄膜應(yīng)變片采用濺射或蒸發(fā)的方法,將半導(dǎo)體或金屬敏感材料直接鍍制于彈性基片上。相對(duì)于金屬粘貼式應(yīng)變片而言,薄膜應(yīng)
13、變片的應(yīng)變傳遞性能極大地得到改善。幾乎無(wú)蠕變,并且具有穩(wěn)定性好、可靠性高、尺寸小等優(yōu)點(diǎn),是一種很有發(fā)展前途的力敏傳感器。,3.2.1 薄膜應(yīng)變片,優(yōu)點(diǎn): 1)穩(wěn)定性好。薄膜應(yīng)變片的蠕變和滯后低,例如:濺射合金薄膜應(yīng)變片在溫度高達(dá)230℃時(shí)蠕變和滯后低于0.1%,而金屬絲和粘貼式應(yīng)變片在100℃以上的溫度下,由于粘結(jié)材料的性能,使得蠕變和滯后十分嚴(yán)重。,3.2.1 薄膜應(yīng)變片,2)使用壽命長(zhǎng)。能承受106次以上的重復(fù)加載,工
14、作仍十分正常。3)靈敏度高。半導(dǎo)體Ge、Si薄膜應(yīng)變片的阻值較大,靈敏系數(shù)一般在30以上。 4)溫度系數(shù)小。Ge、Si薄膜應(yīng)變片的溫度系數(shù)約為10-5℃-1數(shù)量級(jí),多層結(jié)構(gòu)的濺射薄膜應(yīng)變片的溫度系數(shù)約為0.018%℃-1。,3.2.1 薄膜應(yīng)變片,5)工作溫度范圍寬。多層結(jié)構(gòu)的濺射薄膜應(yīng)變片的工作溫度達(dá)-100℃~180℃。 6)量程大。薄膜應(yīng)變片具有較大的量程,例如多層結(jié)構(gòu)的濺射薄膜應(yīng)變式傳感器的量程可從0.02N到30kN。
15、7)成本低。由于薄膜應(yīng)變片的制造工藝簡(jiǎn)單、成品合格率高,因此成本較低。,結(jié)構(gòu):基片-絕緣層-敏感層?;酁閷?dǎo)電的金屬?gòu)椥圆牧?;中間沉積一層絕緣介質(zhì),如Si3N4薄膜或雙層Ta2O5+SiO2介質(zhì)膜;,3.2.1 薄膜應(yīng)變片,在絕緣層上沉積一層半導(dǎo)體或金屬敏感膜作為敏感層。在敏感膜局部做出金屬內(nèi)引線層(Al薄膜),然后用光刻工藝在敏感層制成敏感柵和內(nèi)引線圖案,內(nèi)引線將各敏感柵連成電橋,并用外引線引出。,薄膜應(yīng)變片測(cè)量應(yīng)變的機(jī)理利用
16、的是敏感材料的壓阻效應(yīng)。在應(yīng)變的作用下:一方面,材料發(fā)生幾何形變引起材料的電阻發(fā)生變化;另一方面,因材料晶格的變形等因素引起材料的電子自由程度發(fā)生變化,導(dǎo)致材料的電阻率變化,從而使材料的電阻發(fā)生變化。,3.2.1 薄膜應(yīng)變片,薄膜應(yīng)變片的敏感薄膜是器件的關(guān)鍵部分,制作敏感薄膜的工藝有濺射、蒸發(fā)、沉積等。由于濺射的分子具有很大的能量,不像蒸發(fā)只是凝結(jié)在表面,故附著力強(qiáng),膜的性能好。 敏感層的材料各有不同,合金薄膜應(yīng)變片使用的是
17、金屬合金,如Ni-Cr,半導(dǎo)體薄膜應(yīng)變片的敏感材料則是Ge,Si。,3.2.1 薄膜應(yīng)變片,3.2.2 E形膜片,周邊固定的圓形平膜片(硅杯),在設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí),假設(shè)平膜片最大撓度 (膜片厚度),因而采用小撓度理論;同時(shí)假設(shè)壓力均勻作用于平膜片表面。實(shí)際中在考慮膜片彎曲同時(shí),也要考慮中心面拉伸影響。針對(duì)平膜片因大撓度所產(chǎn)生的非線性誤差問(wèn)題,可以在平膜片(硅杯)中心制作一個(gè)硬中心,因硅杯成“E”字型,稱作E形膜片。,,E形膜片的硬中心
18、將均布?jí)毫D(zhuǎn)換為集中力,在小位移下易產(chǎn)生較高應(yīng)力。相對(duì)平膜片,增加了有效面積,在膜片應(yīng)變式壓力傳感器中有廣泛應(yīng)用。,3.2.2 E形膜片,圖為E形膜片的應(yīng)力分布,最大彎曲應(yīng)力在r=R和r=r0膜片上表層處,計(jì)算公式為,,3.2.2 E形膜片,E形膜片改善了平膜片因大撓度帶來(lái)的非線性誤差問(wèn)題。常采用E形膜片作為差壓傳感器的敏感器件,差壓傳感器不同于壓力傳感器,所測(cè)差壓值(壓差)比較小,而在膜片兩側(cè)有很高的靜壓值,要有過(guò)壓保護(hù)裝置。,3.
19、2.2 E形膜片,3.3 壓電式壓力傳感器,自學(xué),3.4 光纖壓力傳感器,在光通信系統(tǒng)中,光纖用作遠(yuǎn)距離傳輸光波信號(hào)的載體。光纖傳感技術(shù)是隨光通信技術(shù)發(fā)展逐步形成的。 與其他類型的傳感器相比,光纖傳感器有靈敏度高、抗電磁干擾、耐腐蝕、電絕緣性好、光路可彎曲等優(yōu)點(diǎn),而且易于聯(lián)接計(jì)算機(jī)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、耗電少。,3.4.1 光纖基礎(chǔ)知識(shí),1.光纖的結(jié)構(gòu) 光纖是用光透射率高的電介質(zhì)(如石英、玻璃、塑料等)
20、構(gòu)成的光通路。 光纖由折射率n1較大(光密介質(zhì))的纖芯,和折射率n2較小(光疏介質(zhì))的包層構(gòu)成的雙層同心圓柱結(jié)構(gòu)。,光纖的基本結(jié)構(gòu)與波導(dǎo),2.光纖的種類 按纖芯和包層材料性質(zhì)分類:石英光纖塑料光纖液芯光纖多組分光纖,3.4.1 光纖基礎(chǔ)知識(shí),2.光纖的種類 按折射率分:階躍型光纖漸變型光纖W型光纖,3.4.1 光纖基礎(chǔ)知識(shí),按光纖的傳播模式來(lái)分:多模光
21、纖單模光纖光纖傳輸?shù)墓獠?,可以分解為沿縱軸向傳播和沿橫切向傳播的兩種平面波成分。后者纖芯和包層的界面上會(huì)產(chǎn)生全反射。當(dāng)它在橫切向往返一次的相位變化為2π的整數(shù)倍時(shí),將形成駐波。形成駐波的光線組稱為模;它是離散存在的,亦即某種光纖只能傳輸特定模數(shù)的光。通常纖芯直徑較粗時(shí),能傳播幾百個(gè)以上的模,二纖芯很細(xì)時(shí),只能傳播一個(gè)模。前者稱為多模光纖,多用于非功能型(NF)光纖傳感器;后者是單模光纖,多用于功能型(FF)光纖傳感器。,3.4.1
22、 光纖基礎(chǔ)知識(shí),3.傳光原理 光的全反射現(xiàn)象是研究光纖傳光原理的基礎(chǔ)。根據(jù)幾何光學(xué)原理,當(dāng)光線以較小的入射角θ1由光密介質(zhì)1射向光疏介質(zhì)2(即n1>n2)時(shí),則一部分入射光將以折射角θ2折射入介質(zhì)2,其余部分仍以θ1反射回介質(zhì)1。,光在兩介質(zhì)界面上的折射和反射,3.4.1 光纖基礎(chǔ)知識(shí),4.光纖的特性 信號(hào)通過(guò)光纖時(shí)的損耗和色散是光纖的主要特性。 (自學(xué)),3.4.1 光纖基礎(chǔ)知識(shí),5. 光纖傳感器的工作原理
23、及組成1)工作原理 光傳輸過(guò)程中,外界因素(壓力、溫度、振動(dòng)、電磁場(chǎng)等)對(duì)光纖的作用,會(huì)引起光纖光波特征參量(如光強(qiáng)、相位、頻率、偏振及波長(zhǎng))的變化。如果能測(cè)出光波特征參量的變化,就可得到導(dǎo)致光波參數(shù)變化的被測(cè)量的大小。,3.4.1 光纖基礎(chǔ)知識(shí),2) 光纖傳感器的分類(1)按照光纖在傳感器中的作用可分為: 功能型:光纖既起傳光作用,又起測(cè)量敏感元件作用。它是利用光纖本身對(duì)外界被測(cè)對(duì)象具有敏感能力和檢測(cè)功能這一
24、特性開發(fā)而成的傳感器。光纖不但起到傳光作用,而且在被測(cè)對(duì)象作用下,諸如光強(qiáng)、相位、偏振態(tài)等光學(xué)特性得到了調(diào)制,空載波變?yōu)檎{(diào)制波,攜帶了被測(cè)對(duì)象的信息。,3.4.1 光纖基礎(chǔ)知識(shí),,信號(hào)處理,光接收器,,光纖敏感元件,光發(fā)送器,,,,,,,,3.4.1 光纖基礎(chǔ)知識(shí),非功能型:只起傳光作用,入射出射光纖之間另有敏感元件。光纖只當(dāng)作傳播光的媒介,對(duì)待測(cè)對(duì)象的調(diào)制功能是依仗其它物理性質(zhì)的光轉(zhuǎn)換敏感元件來(lái)實(shí)現(xiàn)的。入射光纖和出射光纖之間插有敏感
25、元件,傳感器中的光纖是不連續(xù)的。,3.4.1 光纖基礎(chǔ)知識(shí),(2)按光纖被調(diào)制的原理分類。 光纖的光波用方程描述為 式中,E0為光波振幅;ω為頻率; 為初相角。式中包含五個(gè)參數(shù)——光強(qiáng) ,頻率ω ,波長(zhǎng)、 相位和偏振態(tài)。被測(cè)量在敏感頭(調(diào)制器)內(nèi)與光發(fā)生相互作用,結(jié)果改變上述五個(gè)參數(shù)之一,如改變光強(qiáng),就稱作強(qiáng)度調(diào)制光纖傳感器,依次類推,因此就有五種調(diào)制型光纖傳感器。,,,
26、,,,3.4.1 光纖基礎(chǔ)知識(shí),3)光纖傳感器的組成 光纖傳感器由光源、光纖耦合器、光纖、光探測(cè)器等幾個(gè)基本部分組成。光源:光源是光纖傳感器中的重要器件。相干光源:各種激光器。非相干光源:白熾光,發(fā)光二極管。,3.4.1 光纖基礎(chǔ)知識(shí),光纖耦合器:常有必要將光源射出的光束分別耦合進(jìn)兩根以上光纖。同理,也有必要將兩束光纖的出射光同時(shí)耦合給探測(cè)器,它也借助光纖耦合器完成。這種分束及耦合過(guò)程一般采用光纖耦合器完成。直接耦合
27、透鏡耦合,3.4.1 光纖基礎(chǔ)知識(shí),光探測(cè)器:在光纖傳感器中.光探測(cè)器占有極為重要的地位,它的作用是把傳送到接收端的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào),即將電信號(hào)“解調(diào)”出來(lái),然后進(jìn)行進(jìn)一步的放大和處理。光探測(cè)器的作用是將光信號(hào)變成電信號(hào)。常用的光探測(cè)器有光敏二極管、光敏三極管、光電倍增管等。,3.4.1 光纖基礎(chǔ)知識(shí),3.4.2全內(nèi)反射光纖壓力傳感器,兩根光纖由一個(gè)直角棱鏡連接,棱鏡斜面與膜片之間有很小氣隙。適用動(dòng)態(tài)壓力測(cè)量。,無(wú)壓力作用時(shí),膜
28、片沒有變形,膜片與光纖間保持較大的初始?xì)庀?,膜片光照面較大,反射到接收光纖的光強(qiáng)較大,光電探測(cè)器輸出的光電信號(hào)也較大。,3.4.2全內(nèi)反射光纖壓力傳感器,膜片受壓力作用要向內(nèi)側(cè)撓曲,使光纖與膜片間氣隙減小,因此發(fā)送光纖在膜片內(nèi)表面的光照面積也縮小,致使反射回接收光纖的光強(qiáng)減小。光電探測(cè)器輸出隨之減小。傳感器的輸出信號(hào)只與光纖和膜片之間的距離以及膜片的形狀有關(guān)。,,,3.4.2全內(nèi)反射光纖壓力傳感器,,,,3.4.3 全光纖干涉壓力傳感器
29、,從氦氖激光器發(fā)出一束相干光束,經(jīng)前端3dB耦合器代替分束器在空氣中分光,避免了非待測(cè)場(chǎng)的干擾影響。分光后,一束光進(jìn)入測(cè)量光纖臂,另一束光進(jìn)入?yún)⒖脊饫w臂。壓力變化引起測(cè)量光纖臂光程變化。在后端3dB耦合器,兩束光產(chǎn)生干涉,干涉條紋變化是兩束光相位差引起的。,為克服空氣受環(huán)境條件影響所導(dǎo)致空氣光程的變化,以光纖光程代替空氣光程,光波傳輸路程全部在光纖內(nèi)部完成。這種壓力傳感器的靈敏度極高,尤其適于微小聲壓測(cè)量,在測(cè)量空間尺寸受限場(chǎng)合應(yīng)用更
30、是優(yōu)越。,3.4.3 全光纖干涉壓力傳感器,3.4.4偏振調(diào)制壓力傳感器,各向同性的介質(zhì)材料,在外(壓)力作用下會(huì)呈現(xiàn)各向異性的光學(xué)特性——光彈效應(yīng),又稱應(yīng)力雙折射效應(yīng)。光彈效應(yīng)是一種使傳輸光產(chǎn)生線性雙折射的偏振效應(yīng)。(透明)平面物體受到應(yīng)力作用時(shí),物體各點(diǎn)都有兩個(gè)主應(yīng)力分量,光入射到這一透明物體時(shí),將形成兩束線性偏振光,而且兩個(gè)光矢量分別沿兩個(gè)主應(yīng)力方向傳播。其折射率之差與主應(yīng)力之差成正比。,晶體在受壓后其折射率發(fā)生變化,呈現(xiàn)雙折射
31、的現(xiàn)象稱為光彈效應(yīng)。,(b)傳感器結(jié)構(gòu),1,,,,,,,,,,,2,3,4,5,P,(a)檢測(cè)原理,,,,,,,,,,,,,,,,,,,P,6,,7,,2,,3,,4,,5,,1 光源 2 起偏器 3 1/4波長(zhǎng)板 4 光彈性元件 5 檢偏器 6 光纖 7 自聚焦透鏡,,,偏振光,線偏振光,橢圓偏振光,3.4.4偏振調(diào)制壓力傳感器,發(fā)自LED的入射光經(jīng)起偏器后成為直線偏振光。當(dāng)有與入射光偏振方向呈45
32、º的壓力作用于晶體時(shí),使晶體呈雙折射,從而使出射光成為橢圓偏振光,由檢偏器檢測(cè)出與入射光偏振方向相垂直方向上的光強(qiáng),即可測(cè)出壓力的變化。其中1/4波長(zhǎng)板用于提供一偏置,使系統(tǒng)獲得最大靈敏度。靈敏度偏低。靜態(tài)和動(dòng)態(tài)檢測(cè)。,3.4.4偏振調(diào)制壓力傳感器,3.5 轉(zhuǎn)矩傳感器,轉(zhuǎn)矩的定義及單位 使機(jī)械元件轉(zhuǎn)動(dòng)的力矩或力偶稱為轉(zhuǎn)動(dòng)力矩,簡(jiǎn)稱轉(zhuǎn)矩。機(jī)械元件在轉(zhuǎn)矩作用下都會(huì)產(chǎn)生一定程度的扭轉(zhuǎn)變形,故轉(zhuǎn)矩有時(shí)又稱為扭矩。
33、 力矩是由一個(gè)不通過(guò)旋轉(zhuǎn)中心的力對(duì)物體形成的,而力偶是一對(duì)大小相等、方向相反的平行力對(duì)物體的作用。所以轉(zhuǎn)矩等于力與力臂或力偶臂的乘積,在國(guó)際單位制(SI)中,轉(zhuǎn)矩的計(jì)量單位為牛頓·米(N·m) ,工程技術(shù)中也曾用過(guò)公斤力·米等作為轉(zhuǎn)矩的計(jì)量單位。,轉(zhuǎn)矩是各種工作機(jī)械傳動(dòng)軸的基本載荷形式,與動(dòng)力機(jī)械的工作能力、能源消耗、效率、運(yùn)轉(zhuǎn)壽命及安全性能等因素緊密聯(lián)系,轉(zhuǎn)矩的測(cè)量對(duì)傳動(dòng)軸載荷的確定與控制、傳動(dòng)
34、系統(tǒng)工作零件的強(qiáng)度設(shè)計(jì)以及原動(dòng)機(jī)容量的選擇等都具有重要的意義。,3.5 轉(zhuǎn)矩傳感器,在沿軸向±45?方向上分別粘貼有四個(gè)應(yīng)變片,感受軸的最大正、負(fù)應(yīng)變,將其組成全橋電路,則可輸出與轉(zhuǎn)矩M成正比的電壓信號(hào)。,(1) 應(yīng)變式轉(zhuǎn)矩測(cè)量,應(yīng)變式轉(zhuǎn)矩傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,精度較高。貼在轉(zhuǎn)軸上的電阻應(yīng)變片與測(cè)量電路一般通過(guò)集流環(huán)連接。集流環(huán)有電刷-滑環(huán)式、水銀式和感應(yīng)式等。集流環(huán)存在觸點(diǎn)磨損和信號(hào)不穩(wěn)定等問(wèn)題,不適于測(cè)量高速轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)矩。近年
35、來(lái),已研制出遙測(cè)應(yīng)變式轉(zhuǎn)矩儀,它在上述應(yīng)變電橋后,將輸出電壓用無(wú)線發(fā)射的方式傳輸,有效地解決了上述問(wèn)題。,(1) 應(yīng)變式轉(zhuǎn)矩測(cè)量,鐵磁材料制成的轉(zhuǎn)軸,具有壓磁效應(yīng),在受轉(zhuǎn)矩作用后,沿拉應(yīng)力方向磁阻減小,沿壓應(yīng)力方向磁阻增大。,(2)壓磁式轉(zhuǎn)矩傳感器,(2)壓磁式轉(zhuǎn)矩傳感器,在轉(zhuǎn)軸附近相互垂直放置兩個(gè)鐵芯線圈A、B,使其開口端與被測(cè)轉(zhuǎn)軸保持1~2mm的間隙,從而由導(dǎo)磁的軸將磁路閉合。AA沿軸向,BB垂直于軸向。在鐵芯線圈A中通以50 H
36、z的交流電,形成交變磁場(chǎng)。,轉(zhuǎn)軸未受轉(zhuǎn)矩作用時(shí),其各向磁阻相同,BB方向正好處于磁力線的等位中心線上,因而鐵芯B上的繞組不會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)。當(dāng)轉(zhuǎn)軸受轉(zhuǎn)矩作用時(shí),其表面上出現(xiàn)各向異性磁阻特性,磁力線將重新分布,而不再對(duì)稱,因此在鐵芯B的線圈上產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)。,(2)壓磁式轉(zhuǎn)矩傳感器,轉(zhuǎn)矩愈大,感應(yīng)電勢(shì)愈大,在一定范圍內(nèi),感應(yīng)電勢(shì)與轉(zhuǎn)矩成線性關(guān)系。這樣就可通過(guò)測(cè)量感應(yīng)電勢(shì)e來(lái)測(cè)定軸上轉(zhuǎn)矩的大小。壓磁式轉(zhuǎn)矩傳感器是非接觸測(cè)量,使用方便,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)
37、單可靠,基本上不受溫度影響和轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速限制,而且輸出電壓很高(可達(dá)10V)。,(2)壓磁式轉(zhuǎn)矩傳感器,根據(jù)材料力學(xué),當(dāng)轉(zhuǎn)軸受轉(zhuǎn)矩作用時(shí),其上兩截面間的相對(duì)扭轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)矩成比例,因此可以通過(guò)測(cè)量扭轉(zhuǎn)角來(lái)測(cè)量轉(zhuǎn)矩。根據(jù)這一原理,可以制成光電式、相位差式、振弦式轉(zhuǎn)矩傳感器等。,(3)扭轉(zhuǎn)角式轉(zhuǎn)矩測(cè)量,(3)扭轉(zhuǎn)角式轉(zhuǎn)矩測(cè)量-光電式轉(zhuǎn)矩傳感器,在轉(zhuǎn)軸上安裝兩個(gè)光柵圓盤,兩個(gè)光柵盤外側(cè)設(shè)有光源和光敏元件。無(wú)轉(zhuǎn)矩作用時(shí),兩光柵的明暗條紋相互錯(cuò)開,完
38、全遮擋住光路,因此放置于光柵一側(cè)的光敏元件接收不到來(lái)自光柵盤另一側(cè)的光源的光信號(hào),無(wú)電信號(hào)輸出。,當(dāng)有轉(zhuǎn)矩作用于轉(zhuǎn)軸上時(shí),由于軸的扭轉(zhuǎn)變形,安裝光柵處的兩截面產(chǎn)生相對(duì)轉(zhuǎn)角,兩片光柵的暗條紋逐漸重合,部分光線透過(guò)兩光柵而照射到光敏元件上,從而輸出電信號(hào)。,(3)扭轉(zhuǎn)角式轉(zhuǎn)矩測(cè)量-磁電相位差式轉(zhuǎn)矩傳感器,在被測(cè)轉(zhuǎn)軸相距L的兩端處各安裝一個(gè)齒形轉(zhuǎn)輪,靠近轉(zhuǎn)輪沿徑向各放置一個(gè)感應(yīng)式脈沖發(fā)生器(在永久磁鐵上繞一固定線圈而成)。當(dāng)轉(zhuǎn)輪的齒頂對(duì)準(zhǔn)永
39、久磁鐵的磁極時(shí),磁路氣隙減小,磁阻減小,磁通增大;當(dāng)轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)過(guò)半個(gè)齒距時(shí),齒谷對(duì)準(zhǔn)磁極,氣隙增大,磁通減小,變化的磁通在感應(yīng)線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)。,無(wú)轉(zhuǎn)矩作用時(shí),轉(zhuǎn)軸上安裝轉(zhuǎn)輪的兩處無(wú)相對(duì)角位移,兩個(gè)脈沖發(fā)生器的輸出信號(hào)相位相同。 當(dāng)有轉(zhuǎn)矩作用時(shí),兩轉(zhuǎn)輪之間就產(chǎn)生相對(duì)角位移,兩個(gè)脈沖發(fā)生器的輸出感應(yīng)電勢(shì)出現(xiàn)與轉(zhuǎn)矩成比例的相位差。,(3)扭轉(zhuǎn)角式轉(zhuǎn)矩測(cè)量-磁電相位差式轉(zhuǎn)矩傳感器,(3)扭轉(zhuǎn)角式轉(zhuǎn)矩測(cè)量-振弦式轉(zhuǎn)矩傳感器,在被測(cè)
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