测试技术大作业传感器的选择与应用.doc

传感器的综合应用
设计任务书：
工件如图所示，要求测量出工件的刚度值，在力F的作用下头部将产生偏角（约3度）。力的大小为300N，选择力传感器，及位移传感器，设计测量方案。
F
θ
作业提示：高精度的角度测量比较难，可以转换为线位移测量。

设计要求：（1）学生选题可以多人选一题，但是要求独立完成作业内容。同一测量对象，可以有多种测量方法，可以用不同传感器。
（2）根据被测物理量选用适合的传感器系列；例如尺寸量测量传感器，电阻应变式传感器，电感式传感器，电容传感器，磁电传感器、CCD图像传感器等等。
（3）分析所给任务的测量精度，并根据精度指标初选适合该精度的传感器系列；测量精度一般根据被测量的公差带利用的是误差不等式来确定，例如公差带达到10时测量精度一般应达到公差带的1/5，即小于2。满足此精度的传感器有电阻应变式传感器，电感式传感器等，但考虑精度的同时还要考虑量程等其它方面的因素，参考第3章传感器的选用原则一节。
（4）测量方法是确定成败的，好的测量方法可以充分发挥传感器的性能。学生要根据被测量的特点及题目要求，综合考虑测量方便，适合于批量测量的特点，确定合理的测量方案，并画出测量方案简图，可以配必要的文字说明。

设计说明书：
一、 测试要求：
根据题目的测试要求，测试系统主要需要测量两个物理量：施加在头部的作用力大约在300N左右；头部在力的作用下的发生的角度变形。根据题目的提示，将角度的改变转化到微小位移的测量。因需要测量工件的刚度，由工件的刚度公式：

式中K为工件的刚度；
F为施加在工件上的作用力；
y为在力F作用下的位移；
根据上式，测定刚度的方式有两种，一种是在恒力的作用下测定工件头部的变形量；一种是在一定变形量的作用下测定力的大小。考虑到后种方法，需要控制工件的位移量一定是比较困难的，因为按照后种方法仍需采用位移传感器去检测工件的位移的量，因而无论从测试方法还是从测试成本上都是不合理的。因而采用前种方法，给工件施加一定大小的力是比较容易做到的，只需要测定该力的作用下位移的大小即可求出工件的刚度。
二、 传感器的选用
测力可以采用的传感器主要有以下几类：
石英压电陶瓷式的测力传感器（原理是利用石英晶体的压电效应来测量力的变化）；
弹性压力计（原理是利用弹簧弹力测量力的大小）。
电容式压力计（原理是压力使膜片弹性变形，电容变化）。
测量微小位移的传感器主要可以采用一下几类：
电容式位移传感器（原理是利用膜片的位移导致电容变化）。
三、 位移传感器选择：
题目中要求测试系统应该具有批量测量的能力，因此在设计方案时不能设计的过于专一，测试过程应该尽量简单，而且测试过程应该尽量宜于机械拆分。以便在生产线上进行测量。
在头部的力作用下，头部发生的角度位移约为3度，因此头部对应的线位移为：
ε=θ∙l=3180*π*10mm=523um
根据测试系统的位移大小，我们应该近尽量使测量器件工作在线形区域内，测试量程应该稍大一些。
查询了一些电容式位移传感器的特性，下图为一款传感器的参数及厂商提供的调试办法，根据我们的测试标准，我们可以选用的传感器型号为CP—HR—19型传感器，量程为1250um，线性度±0.2%，分辨率为±0.005%，响应频率为15KHz，输出为±10V。选用的型号如下图所示：

四、 力传感器选择：
确保施加的力为300N的装置，根据牛顿第三定律，当施力测头的检测到工件对他作用力为300N时，我们就可以确定，施加给工件的力为300N，根据此原理，我们采用电机伺服系统来设计施力装置。闭环控制如下图示：

通过伺服控制可以实现施加给工件的作用力为300N，具体传感器的安装以及结构部分不再赘述。
五、 测试装置的设置：
为了便于批量的测量，因此我们需要设计一套装置来进行工件的夹持和测量。
由于我们在测量时多采用了高精度的电学量测量，因此夹持方案尽量避免较强的电磁干扰，因此我们不采用方便安全的磁力表座式的夹持。立体的测量方案通过建模给出一下的方案。

工件
夹持装置
微位移测试
施力闭环
夹持装置

至此，该工件的测试系统设计完毕，具体各个传感器的参数，各部分结构问题，具体调整的问题，请在以后的工作中详细叙述，本课程不给与赘述。

参考文献：
[1]. 邵东向，李良主编. 机械工程测试技术基础. 哈尔滨工业大学出版社，2003