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测力传感器厂家浅谈传感器的使用原理及发展应用

来源:http://www.cprsensors.com/news/14.html  发布日期:2018-09-13

测力传感器厂家浅谈传感器的使用原理及发展应用

传感器作为人机交流的工具之一 ,能够及时捕捉机器在运行过程中的各种信息, 为人们的下一步决策提供技术和理论依据 。同时在产品设计和参数研究方面,也能提供准确的技术支持。

随着科技的进步 ,传感器的应用也越来越广泛,目前已渗透到各个领域 。

测力传感器的组成

传感器的作用一般是将被测的非电量转换成电量输出 ,它主要由敏感元件、转换元件,测量电路和辅助电源四部分组成 。

(1)敏感元件: 在传感器中,主要作用是感受被测量的变化 ,同时将被测量变换成易于变换成电量的某一中间变量。如膜片式压力传感器 ,它的敏感无件是一个弹性膜片 ,其作用是将压力信号转变为膜片的变形,为下一

步电信号的输出做准备 。

(2)转换元件: 传感器通过转换元件将敏感元件输出的中间非电量转换为可以被传感器利用的电量。它主要是利用某些物理的、化学的或生物的效应等来达到这一目的。

如膜片式压力传感器的转换元件 ,它利用电阻应变效应, 也就是金属导体或半导体的电阻随着它所受机械变形的大小而发生变化的原理 ,将弹性膜片的变形转换为电阻值的变化。

(3) 测量电路: 转换元件输出的电量常常难以直接进行显示 、 记录和处理, 需要将其进一步变换成可直接利用的电信号,完成这一功能的是测量电路。

如应变式压力传感器中的测量电路是桥式电路, 它可以将应变片输出的电阻值转换成一个电压信号 ,经放大后即可推动记录装置和显示仪表的工作。

(4)辅助电源 : 有些传感器除电路电源外 ,还需一辅助电源提供给信号。

2、测力传感器的基本要求

机械上使用的传感器型式多种多样, 但应用较多的还是电阻式传感器。

电阻应变片式测力传感器内部电路一般是桥式电路。电阻作为转换元件,电阻阻值的变化最终以信号的形式输出。

因具有结构简单、线性和稳定性好 、输出精度高等特点 , 在实际中越来越受到重视。其采用的敏感元件是弹性测试元件,主体就是一个弹性体 。其中弹性体的结构形状与相关尺寸对测力传感器性能的影响极大。

如果测力传感器的弹性体设计不合理, 无论弹性体的加工精度多高、粘贴的电阻应变片的品质多好,测力传感器都难以达到较高的测力性能 。

因此, 在测力传感器的选择过程中, 弹性体的结构型式至关重要 。

传感器的电路工作原理:

弹性体的设计基本属于机械结构设计的范围 ,但因测力性能的需要, 其结构上与普通的机械零件和构件有所不同 。

一般说来 ,普通的机械零件和构件只须满足在足够大的安全系数下的强度和刚度即可 ,对在受力条件下零件或构件上的应力分布情况不必严格要求。

然而 ,对于弹性体来说,除了需要满足机械强度和刚度要求以外 ,必须保证弹性体上粘贴电阻应变片部位 ( 以下简称 “贴片部位”) 的应力( 应变) 与弹性体承受的载荷 ( 被测力 ) 保持严格的对应关系; 同时, 为了提高测力

传感器测力的灵敏度 ,还应使贴片部位达到较高的应力( 应变 ) 水平 。

测力传感器的弹性体在选择过程中必须满足以下两项要求:

(1) 贴片部位的应力( 应变) 应与被测力保持严格的对应关系; 能够真实反映被测构件的变形情况 。

(2) 贴片部位应具有较高的应力 ( 应变) 水平。及时反映出构件的受力情况。

为了满足上述两项要求 ,在测力传感器的弹性体元件选择方面 ,经常应用 “应力集中”的原则, 确保贴片部位的应力( 应变 ) 水平较高 , 并与被测力保持严格的对应关系, 以提高所设计测力传感器的测力灵敏度和测力精

度。

改善应力 ( 应变 ) 不规则分布的“应力集中”原则:

在机械零件或构件的测试过程中, 通常认为应力( 应变) 在零件或构件上是规则分布的 , 如果零件或构件的截面形状不发生变化 , 不必考虑应力 ( 应变) 分布不规则的问题。

其实, 在机械零件或构件的设计中 ,对于应力 ( 应变) 不规则分布的问题并非不予考虑 ,而是通过强度计算中的安全系数将其包容在内了 。

而对于测力传感器来说, 它是通过电阻应变片测量弹性体上贴片部位的应变来测量被测力的大小。

若要保证贴片部位的应力 ( 应变 ) 与被测力保持严格的对应关系 ,实际上就是保证在测力传感器受力时,弹性体上贴片部位的应力 ( 应变 ) 要按照某一规律分布,即按照被测构件的变化规律分布。

在实际应用中,对于弹性体贴片部位应力 ( 应变 ) 分布影响较大的因素主要是弹性体受力条件的变化。

弹性体受力条件的变化是指当弹性体受力的大小不变时, 力的作用点发生变化或弹性体与其相邻的加载构件和承载构件的接触条件发生变化。

如果在弹性体结构设计时 ,未能考虑这一情况 ,就可能造成弹性体上应力 ( 应变) 分布的不规则变化。

3、新技术在传感器方面的应用

(1) 新材料、 新工艺和新技术的开发应用

半导体材料在敏感技术中占有较大的技术优势, 半导体传感器不仅灵敏度高 、 响应速度快、体积小、质量轻 ,而且便于集成化 ,仍将占有主要地位 ;

以一定化学成分 、 经过成型及烧结的功能陶瓷材料 ,其最大特点是耐热性 ,在敏感技术的发展中具有很大的潜力; 同时将半导体的精密细微加工技术 、静电封接技术等应用在传感器的制造中 , 可极大提高传感器的性

能指标 。

(2)传感器发展的集成化、多维化 、多功能化和智能化

采用集成加工技术 ,将传感器的各部分制作在同一个芯片上, 从而使传感器具有了体积小 、质量轻、生产自动化程度高、制造成本低 、稳定性和可靠性高、 安装调试时间短等优点 。

使用电子扫描技术,将多个传感器单元做在一起, 就可以研究多维空间的问题,如 CT技术等 ; 智能化传感器还能将数据的采集 、 存储 、 处理等一体化,从而实现其多功能化 。



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