拉力测试传感器是一种将物理信号转变为可测量电信号输出的装置,广泛应用于工业生产和科研实验中。其核心结构包含力敏器件和两个拉力传递部分。力敏器件中含压电片、压电片垫片,后者包含基板部分和边缘传力部分。其工作原理基于弹性体(弹性元件、敏感梁)在外力作用下产生弹性变形,使粘贴在其表面的电阻应变片(转换元件)随同变形,阻值发生变化,再经测量电路将电阻变化转换为电信号(电压或电流),从而完成外力到电信号的转换。
1、弹性敏感元件
作用:感知外力并产生形变,是力到变形的转换基础。
常见形式:
应变式传感器:金属弹性体(如柱状、环状、梁式结构)。
压电式传感器:石英晶体或压电陶瓷片。
电容式传感器:可变形电容极板。
设计要求:高弹性模量、低滞后性、长期稳定性。
2、转换元件
应变式传感器:
应变片:贴附在弹性体表面,将形变转化为电阻变化(基于金属或半导体的应变效应)。
惠斯通电桥:将电阻变化转换为电压信号,提升灵敏度与线性度。
压电式传感器:
压电材料:受外力时产生电荷(正压电效应),直接输出电信号。
电容式传感器:
可变电容:受力后极板间距变化,导致电容值改变,通过电路转换为电压信号。
3、信号调理电路
功能:将转换元件输出的微弱信号(mV级)放大、滤波、校准,转换为标准电信号(如0-5V、4-20mA)。
关键模块:
放大器(如仪表放大器):提升信号强度。
模数转换器(ADC):将模拟信号转为数字信号(用于数字化传感器)。
温度补偿电路:修正环境温度对灵敏度的影响。
4、外壳与防护结构
作用:保护内部元件免受潮湿、灰尘、腐蚀等环境影响,同时传递外力。
设计特点:
密封材料:硅胶、氟橡胶等防水防油。
抗侧力结构:防止横向力干扰测量精度(如双剪切梁结构)。
过载保护:设置限位装置或断裂点,避免传感器损坏。
5、连接与固定装置
安装接口:螺纹、卡槽、法兰等,便于与被测物体连接。
导线/无线模块:传输电信号(有线传感器)或通过蓝牙/Wi-Fi传输(无线传感器)。