美国欧米茄---力、加速度和扭矩传感器

美国欧米茄---力、加速度和扭矩

力、加速度和扭矩测量装置的基本工作原理和前面章节所述用于测量静态及动态压力信号的压力、应变计等仪器十分相似。通常是信号处理的细节设置决定了测量输出的形式。加速度计可以测量其安装表面的运动，从而产生相应的电信号输出。加速度的测量单位是英尺每秒平方，所测物体加速度与质量的乘积为力。扭矩是旋转中的力，通常出现在轴、棒、滑轮等旋转装置上。扭矩被定义为力和其作用半径的乘积。它的单位是重量与长度的乘积，例如磅英尺，或牛米。

力传感器

最常见的动态力和加速度探测器是压电传感器（ 图6-1）。压电（piezoelectric）一词中的“piezo”来自于希腊语，本意为“挤压”。这个名字十分贴切，因为压电传感器在承受“挤压”时，会产生一个与受力成正比的电压信号。这类仪器与应变计这种静力测量装置的根本区别是：晶体受力产生的电信号衰退很快。这使得这类仪器无法用于静力测量。压电晶体产生的高阻抗电信号由放大器转换为适于数字存储示波器这类仪器接收的低阻抗信号。这种信号需要在它衰退之前进行数字式存储以便分析。根据实际工况的不同，动态力信号可以在压缩、拉伸或扭转等不同的形式下进行测量。这些工况包括弹簧或滑动摩擦力、链拉力、夹头松脱力以及涂层、标签和拉带的剥离力的测量。压电式力传感器几乎与同等大小的钢块一样坚固耐用。这种传感器的硬度和强度允许它们被直接插入机器中作为结构的一部分来工作。这种硬度使传感器具有很高的自然频率和相应的陡峭信号脉冲，从而使它们非常适合金属间冲击或技术手册第3卷51高频振动产生的快速变化力信号的测量。为了确保测量准确度，传感装置的自然频率必须充分高于待测信号频率。若待测频率接近传感器自然频率，就会产生误差。

• 冲板流量计

冲板流量计也是一种力传感器。它可以测量从坡道上自由滑落的大量固体颗粒的流量。坡道引导待测材料的流向， 使之撞击传感板（图6-2）。板所承受的待测材料冲击力正比于流量。装置设计为传感板只能在水平方向运动。冲击力通过测量板的水平偏转得出。偏转可用线性可变差动变压器（LVDT）测得。LVDT的输出电压被转化为脉冲频率调制信号。并作为流量信号被传输至控制系统。冲板流量计可替代称重系统来测量和控制连续过程中固体颗粒的流动，如图6-2所示。图中，一个冲板流量计被安装在可变速螺旋进料器的物料坡道下方。进料速率的设置单位是吨每秒，控制系统根据需求的进料速率来调节螺旋进料器的速率。控制系统使用PID比例积分微分算法来调节速率从而保持流动持续。冲板流量计可测量1到800吨每小时的固体物料流速范围，可重复性精度和线性度在1%之内。

加速度与振动

早期的加速度和振动传感器是复杂精巧的机械装置（图6-3），更适于实验室环境而非工业应用。然而，受益于科技的进步，现代加速度计的成本、准确度和易用性都获得了显著改善。早期的加速度计使用模拟量电子信号，后来则转化为基于微处理器的数字量电子信号。汽车工业的安全气囊控制就使用了混合式微机电系统（MEMS）。这些装置依赖半导体设计中过去被认为是缺陷的一种特性：在芯片表面上方的微空间中存在一个“剥离层”或电路材料的活块。在数字电路中，这个活动层会干涉电子的平稳流动，因为它与周边的模拟环境存在相互作用。在微机电系统加速度计中，这个活动层被用作测量加速度的传感器。现代汽车中，微机电系统被用于安全气囊和底盘控制、内部冲击探测和防抱死刹车系统中。汽车工业加速度传感器的探测频率从0.1到1,500Hz，动态范围从1.5到250G左右，单或双轴。灵敏度从7.62到1333mV/G。加速度计的工业应用包括机械振动监测和诊断，例如旋转零件的失衡。基于加速度计的振动分析器可以探测振动异常状态，分析振动信号并帮助确定原因。另一个应用领域是结构测试。结构上的缺陷如裂缝、焊接不良或腐蚀等都会改变结构的振动信号。应用这种测试的结构件包括马达或涡轮的外壳，反应容器或水箱。这种测试首先锤击待测结构，使之在已知的驱动作用下进行振动。然后将产生的振动模式进行记录和分析，并与参考模式进行对照。加速度传感器在定位和定向应用中也十分重要。微型三轴传感器在这些场合被用于探测转动、斜度、方位角（水平偏移的角度）或是X、Y、Z轴的位移。它们可被用在钻探作业中跟踪钻头位置、在浮标和声纳系统中提供定向、当作罗盘，或在惯性导航系统中替代陀螺仪。振动质量加速度计、速度传感器和机械磁力开关等机械式加速度计可以探测到特定质量的物体产生加速度时承受的力。物体抵抗加速作用的力会产生形变或物理位移，从而可被邻近的探测器或应变计测得。（图6-3）许多这类传感器都配有弹簧或磁铁等缓冲装置以避免振荡。例如可以测量从1微G到超过50G范围的伺服加速度计，利用了一个在旋转平面内本身不平衡的旋转机构。加速度产生时，会形成一个能被邻近传感器探测到的角位移。新型的机械加速度计设计中包括热加速度计。这种传感器利用热传导来探测位移。一个振动质量块被置于热源上方。当质量块由于加速度而移动时，它与热源的距离就会产生变化，从而导致它的温度变化。温度变化可被多晶硅热电堆测得。在电容传感式加速度计中，显微加工的电容板（互补金属氧化半导体式电容板仅有60微米深）的质量仅有约50微克。当加速度导致电容板变形时，就会产生可被测得的值变化。然而，压电式加速度计可能是冲击和振动检测领域的最实用设备。与机械式传感器相似，这种装置也包含一个质量块，在产生加速度时会对压电晶体施加一个惯性力。高温应用难以在传感器上安装微电子元件，因此通常使用高阻抗器件。晶体传感器上引出的导线与高增益放大器连接。正比于加速度力的输出信号由高增益放大器首先读取。在温度并不太高的场合，低阻抗的微电子元件可被嵌入传感器来直接探测晶体产生的电压。高阻抗和低阻抗的电路设计都可机械安装在结构表面，或用粘结层、磁力等方法进行固定。压电式传感器仅仅适合短时间的加速度测量。压阻式和应变计式传感器的工作方式类似，但应变计元件对温度较为敏感，需要温度补偿。它们更适于低频振动，长时间的冲击或恒定加速度应用。压阻式传感器较为坚固耐用，可用于2,000Hz以下的工作频率。

扭矩测量

扭矩可通过探测扭力导致的轴变形或其带来的影响来进行测量。承受扭矩的轴表面会同时产生压缩和拉伸，如图6-4所示。为了测量扭矩，通常将应变计成对安装在轴上，其中一个用于测量长度增大（在表面受拉的方向上），另一个用于测量垂直方向的长度减小。早期的机械结构扭矩传感器很适合应变计应用。这种设计的高成本和低可靠性阻碍了它的工业推广。然而，现代技术使扭矩测量的成本得到降低，并且生产质量控制也提高了扭矩精确测量的需求。

• 扭矩应用

扭矩传感器的应用包括发动机、马达、涡轮或其它旋转机构的功率或功耗测量。在工业界，ISO9000和其它质控标准都要求企业对生产过程中的扭矩，尤其是紧固件的扭矩进行测量。传感器可以使螺钉和装配设备自动满足扭矩测量要求，并可应用于手动工具。自动和手动工具所采集的数据都可存储在数据采集器中，用于质量控制和汇报。其它的扭矩传感器工业应用包括测量机械加工设备的切削率、扭矩工具和传感器校准、测量剥离力、摩擦力、瓶盖扭矩、弹簧测试和生物动力学测量等。

• 传感器设置

扭矩可通过旋转应变计来测量，也可通过静态接近传感器、磁致伸缩传感器和磁致弹性传感器来测量。所有这些传感器都对温度较为敏感。旋转的传感器必须被安装在轴上，但有时受限于空间无法实现。应变计可以直接安装在轴上。由于轴会旋转，扭矩传感器可以通过滑环来与电源和信号调节元件连接。因为滑环所需的维护程度较高，也可将应变计连接至变压器。应变计的激励电压通过电感耦合获得，而输出信号则转化为调制脉冲频率（图6-5）。这种装置所能支持的最大转速为15,000rpm。应变计也可被安装到静态的支撑件上，或直接安装到外

这种“反作用式”传感器测量从轴传递到固定元件的扭矩。由于忽略了马达的转动惯量，这种方法获得的读数并不十分精确。用于扭矩测量的应变计种类包括薄片式、扩散半导体式和薄膜式等。可以直接焊接或粘接到轴上。当离心力并不很大——从而可以承受不平衡载荷——的时候，所有的相关元件包括电池、放大器、无线频率发射器等，都可以绑到轴上。接近式和位移式传感器也可通过测量轴两端之间的角位移来探测扭矩。通过在轴上间隔一定距离安装两个完全相同的带齿滚轮，就可测得扭矩导致的角位移。滚轮上安装的接近传感器或光电池输出电压的相位会与施加在轴上的扭矩一同增大。另一种方法是用一个光电池同时对准两个带齿滚轮。当扭矩增大，使两个滚轮开始重合时，光电池接收到的光量会减少。扭矩所导致的位移还可利用其它类型的光学、电感式、电容式或电势式传感器探测。例如，电容式的扭矩传感器可在扭矩导致电容极板之间距离变化时测得电容值的变化。承受扭矩时，轴材质的磁渗透性（集中磁通量的能力）也会随扭矩变化，从而被磁致伸缩式传感器探测到。当轴上无载荷时，它的渗透性是均匀的。在扭转状态下，渗透性和磁通线的数量都随扭矩成比例增大。这种传感器可由安装在轴侧的两个初级线圈和两个次级线圈组成。或者用多个初级线圈和次级线圈将轴环绕。磁致弹性扭矩传感器通过测量它自身内部磁场变化来探测磁渗透性的变化。这种传感器由一个与不锈钢轴紧密耦合的薄钢环制成。这是一个永磁结构，它的磁场与施加在轴上的扭矩成正比。轴的一端与驱动马达相连，另一端则与旋转负载相连，例如螺纹车床。磁力计将测得的磁场转化为正比于扭矩的输出电信号。