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扭矩传感器的分类及原理解析

扭矩传感器是由惯性质量、阻尼和弹簧组成一个质量弹簧系统,这个系统固定在振动体上(即传感器的外壳固定在振动体上)、与振动体一起振动;通过测量惯性质量相对于传感器外壳的运动,就可以得到振动体的振动。

(1)磁电式速度传感器

磁电式速度传感器是根据电磁感应的原理制成的,磁钢和壳体相连接、并通过壳体安装在振动体上,与振动体一起振动;芯轴和线圈组成传感器的系统质量,通过弹簧片与壳体连接。振动体振动时,系统质量与传感器壳体之间发生相对位移,因此线圈与磁钢之间也发生相对运动,根据电磁感应定律,感应电动势正的大小为E=BLnv式中B为线圈所在磁钢间隙的磁感应强度,L为每匝线圈的平均长度,n为线圈匝数,v为线圈相对于磁钢的运动速度、即系统质量相对于传感器壳体的运动速度。对于传感器来说BLn是常量,所以传感器的电压输出(即感应电动势E)是与相对运动速度v成正比。

扭矩传感器的质量弹簧系统设计成转动的形式,因而可以获得更低的仪器固有频率。摆式传感器可以测垂直方向或水平方向的振动;它也是磁电式传感器,输出电压与相对运动速度成正比。磁电式传感器输出的电压信号一般比较微弱,需要用电压放大器进行放大。

(2)压电式加速度传感器

从物理学知道,一些晶体材料当受到压力并产生机械变形时,在其相应的两个表面上出现异号电荷,当外力去掉后,晶体又重新回到不带电的状态,这种现象称为压电效应。

压电式加速度传感器是利用晶体的压电效应而制成的。压电晶体片上是质量块,用硬弹簧将它们夹紧在基座上;质量弹簧系统的弹簧刚度由硬弹簧的刚度和晶体片的刚度组成,刚度很大,质量块的质量较小,因而质量弹簧系统的固有频率很高,可达数千赫兹,甚至可达100—200kHz。当传感器的固有频率远远大于所测振动的频率时,质量块相对于外壳的位移就反映所测振动的加速度;质量块相对于外壳的位移乘上晶体的刚度就是作用在晶体上的动压力,这个动压力与压电晶体两个表面所产生的电荷量(或电压)成正比,因此可以通过测量压电晶体的电荷量来得到所测振动的加速度。

压电式加速度传感器用的放大器有电压放大器和电荷放大器两种。

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