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力学试验机常用传感器
一. 测力传感器：
1. 负荷传感器：常用于电子万能试验机、压力试验机、液压万能试验机、摩擦磨损试验机等需要测力的机型上；
外观结构分为：轮辐式、S型、柱式、平行梁式、悬臂梁式等；
2. 压力（强）传感器：一般是一些老式液压机型或一些超大吨位的试验机用，用油压换算（间接）测力；常用量程为30MPa；
二. 位移传感器：
1. 编码器，连接丝杠换算位移或改装为拉线编码器测量位移、变形；
2. 光栅尺，多用于弹簧试验机；
3. 电阻尺，一些非标机型的场合；
4. LVDT、磁致伸缩传感器，多用于非标机型或动态试验机；
三. 变形传感器：
1. （金属用）引伸计，用于直接测量金属、岩石或其他变形量小的试样的微小变形，一般最大量程在5~20mm；
2. 大变形引伸计，用于延伸率较高的，例如橡胶等的变形测量；
3. 视频引伸计，高端应用场合，测量试样变形；
轮辐式拉压力传感器，采用十字剪切梁结构，具有良好的自然线性、抗偏载能力强、精度高、外形高度低、安装方便稳定，在料斗称、汽车衡、轨道衡等电子称中广泛应用，在各种工业称重系统中做力的分析与测量。
轮辐式传感器的原理：由于它的形状很像带有辐条的车轮，我们称之为轮辐式传感器。轮辐式拉压力传感器，采用十字剪切梁结构，具有良好的自然线性、抗偏载能力强、精度高、外形高度低、安装方便稳定，在料斗称、汽车衡、轨道衡等电子称中广泛应用，在各种工业称重系统中做力的分析与测量。
轮辐式传感器的结构设计主要原则：
为了使传感器工作状态保持稳定，减轻外界震动干扰的影响，应尽量使弹性体在负荷作用下的弹性位移减少，使之具有较高的固有频率。要有简单合理的整体性结构。弹性体应尽量为一个整体，避免组合式结构。减少诸如紧固松动、焊接变形等带来的影响。对作用力位置的变化和干扰力的影响不敏感，弹性体应变敏感区的应力分布，只随作用力的大小而变化，弹性体工作区的工艺性能好，包括机械加工、粘贴和密封安装工艺好。具有低外形结构，安装方便，互换性好，低外形结构可以增强抗偏载，使工作状态稳定。
轮辐式传感器的工作原理：
轮辐式称重传感器线圈组件与壳体固定，永久磁铁用柔软弹簧支承。两者的阻尼都是由金属骨架和磁场发生相对运动而产生的电磁阻尼。动圈式和动铁式的工作原理是完全相同的，当壳体随被测振动体 一起振动时，由于弹簧较软，运动部件质量相对较大，因此振动频率足够高(远高于传感器的固有频率)时，运动部件的惯性很大，来不及跟随振动体一起振动，近于静止不动，振动能量几乎全被弹簧吸收，永久磁铁与线圈之间的相对运动速度接近于振动体振动速度。线圈与磁铁间相对运动使线圈切割磁力线，轮辐式称重传感器产生与运动速度成正比的感应电动势，线圈处于工作气隙磁场中的匝数，称为工作匝数;工作气隙中磁感 应强度;每匝线圈的平均长度。
轮辐式称重传感器技术参数：
称重传感器技术参数有额定荷载，允许使用负荷，极限负荷，灵敏度，非线性，重复性，允许使用温度，零点温度影响，输出灵敏系数的温度影响，输出阻抗，输入阻抗，绝缘阻抗，允许最大激励电压，滞后，蠕变和蠕变恢复，密封防护等级，电缆长度。
1:额定载荷：传感器在规定技术指标范围内能够测量的最大轴向负荷。但实际使用时，一般只用额定量程的2/3~1/3。
2:允许使用负荷（或称安全过载）：称重传感器允许施加的最大轴向负荷。允许在一定范围内超负荷工作。一般为120%~150%。
3:极限负荷（或称极限过载）：称重传感器能承受的不使其丧失工作能力的最大轴向负荷。意即当工作超过此值时，传感器将会受到损坏。
4:灵敏度：
输出增量与所加的负荷增量之比。通常每输入1V电压时额定输出的mV。
5:非线性：
这是表征此传感器输出的电压信号与负荷之间对应关系的精确程度的参数。
6:重复性：
重复性表征传感器在同一负荷在同样条件下反复施加时，其输出值是否能重复一致，这项特性更重要，更能反映传感器的品质。国标对重复性的误差的表述：重复性误差可与非线性同时测定同一试验点上3次测量的实际输出信号值之间的最大差值。
7:允许使用温度：
规定了此称重传感器能适用的场合。例常温传感器一般标注为：-20℃- +70℃。高温传感器标注为：-40℃- 250℃。温度补偿范围：说明此传感器在生产时已在这样的温度范围内进行了补偿。例常温传感器一般标注为-10℃- +55℃。
8:零点温度影响（俗称零点温漂）：
表征此传感器在环境温度变化时它的零点的稳定性。一般以每10℃范围内产生的漂移为计量单位。
9:输出灵敏系数的温度影响（俗称系数温漂）：
此参数表征此传感器在环境温度变化时输出灵敏度的稳定性。一般以每10℃范围内产生的漂移为计量单位。
10:输出阻抗：
在额定技术条件下,传感器的输出的电阻值S+ S- [I+ I-]
11:输入阻抗：
称重传感器的激励端的电阻值,E+ E- [V+ V-]
12:绝缘阻抗：
传感器的电路部分与弹性梁之间的绝缘阻值，越大越好，绝缘电阻的大小会影响传感器的各项性能。而当绝缘阻抗低于某一个值时，电桥将无法正常工作。推荐激励电压：一般为5~12伏。因一般称重仪表内配的稳压直流电源为5或12伏。
13:允许最大激励电压：
传感器最大可以承受的供电电压，不推荐使用最大激励电压。
14:滞后：
滞后的通俗意思是：逐级施加负荷再依次卸下负荷时，对应每一级负荷，理想情况下应有一样的读数，但事实上下一致，这不一致的程度用滞后误差这一指标来表示。国标中是这样来计算滞后误差的：同一试验点上3次行程实际输出信号值的算术平均与3次上行程实际输出信号值的算术平均之间的最大差值(mV)。
15:蠕变和蠕变恢复：
要求从两个方面检验传感器的蠕变误差：其一是蠕变：在5-10秒时间无冲击地加上额定负荷，在加荷后5-10秒读数，然后在30分钟内按一定的时间间隔依次记下输出值。其二是蠕变恢复：尽快去掉额定负荷（在5-10秒时间内），卸荷后在5-10秒内立即读数，然后在30分钟内按一定的时间间隔依次记下输出值。
16:密封防护等级:
IP65，IP66，IP67，IP68：称重传感器的防尘和防水的性能指标。
17:电缆长度：
出厂时厂家标准配置的电缆长度。最好不要擅自增加和减小。
力传感器（force sensor） 将力的量值转换为相关电信号的器件。力是引起物质运动变化的直接原因。力传感器能检测 张力 、 拉力 、 压力 、 重量 、 扭矩 、 内应力 和 应变 等力学量。具体的器件有金属 应变片 、 压力传感器 等，在 动力设备 、 工程机械 、各类 工作母机 和 工业自动化 系统中，成为不可缺少的核心部件。
力传感器主要由三个部分组成：
1---力敏元件（即弹性体，常见的材料有铝合金，合金钢和不锈钢）。
2---转换元件（最为常见的是电阻应变片）。
3---电路部分(一般有漆包线，pcb板等）。
力能够产生多种物理效应，可采用多种不同的原理和工艺，针对不同的需要设计制造力传感器。力传感器主要有：（1）被测力使弹性体（如弹簧、梁、波纹管、膜片等）产生相应的位移，通过位移的测量获得力的信号。（2）弹性构件和应变片共同构成传感器，应变片牢固粘贴在构件表面上。弹性构件受力时产生形变，使应变片电阻值变化（发生应变时，应变片几何形状和电阻率发生改变，导致电阻值变化），通过电阻测量获得力的信号。应变片可由金属箔制成，也可由半导体材料制成。（3）利用压电效应测力。通过压电晶体把力直接转换为置于晶体两面电极上的电位差。（4）力引起机械谐振系统固有频率变化，通过频率测量获取力的相关信息。（5）通过电磁力与待测力的平衡，由平衡时相关电磁参数获得力的信息。
主要分类
应变管式
在筒壁上贴有2片或4片应变片，其中一半贴在实心部分作为温度补偿片,另一半作为测量应变片。当没有压力时 4片应变片组成平衡的全桥式电路;当压力作用于内腔时,圆筒变形成“腰鼓形”,使电桥失去平衡,输出与压力成一定关系的电压。这种传感器还可以利用活塞将被测压力转换为力传递到应变筒上或通过垂链形状的膜片传递被测压力。应变管式压力传感器的结构简单、制造方便、适用性强，在火箭弹、炮弹和火炮的动态压力测量方面有广泛应用。
膜片式
它的弹性敏感元件为周边固定圆形金属平膜片。膜片受压力变形时，中心处径向应变和切向应变均达到正的最大值，而边缘处径向应变达到负的最大值，切向应变为零。因此常把两个应变片分别贴在正负最大应变处，并接成相邻桥臂的半桥电路以获得较大灵敏度和温度补偿作用。采用圆形箔式应变计(见电阻应变计)则能最大限度地利用膜片的应变效果。这种传感器的非线性较显著。膜片式压力传感器的最新产品是将弹性敏感元件和应变片的作用集于单晶硅膜片一身，即采用集成电路工艺在单晶硅膜片上扩散制作电阻条，并采用周边固定结构制成的固态压力传感器（见压阻式传感器）。
应变梁式
测量较小压力时，可采用固定梁或等强度梁的结构。一种方法是用膜片把压力转换为力再通过传力杆传递给应变梁。图3中两端固定梁的最大应变处在梁的两端和中点，应变片就贴在这些地方。这种结构还有其他形式，例如可采用悬梁与膜片或波纹管构成。
组合式
在组合式应变压力传感器中，弹性敏感元件可分为感受元件和弹性应变元件。感受元件把压力转换为力传递到弹性应变元件应变最敏感的部位，而应变片则贴在弹性应变元件的最大应变处。实际上较复杂的应变管式和应变梁式都属于这种型式。感受元件有膜片、膜盒、波纹管、波登管等，弹性应变元件有悬臂梁、固定梁、Π形梁、 环形梁、薄壁筒等。它们之间可根据不同需要组合成多种型式。 应变式压力传感器主要用来测量流动介质动态或静态压力，例如动力管道设备的进出口气体或液体的压力、内燃机管道压力等等。
提高力传感器精度 - 补偿
温度将会使4个应变片的应变信号（电阻）在相同方向和程度变化。因为两个正向应变和两个负向应变被列入等式，因此温度将不会产生输出信号。
力传感器补偿
剩下微小的残余误差可以通过连接到惠斯通电桥上特殊的镍金属来进行修正。
另外，应变片需要进行温度对灵敏度的补偿 (TCS)。等温度变化时，材料的 E 模量 将会降低，导致产生应变。另外，应变片的灵敏度依赖于温度。在高温状况下电阻的补偿将产生更大的压降。这将降低惠斯通电桥的输出信号。
在负载状态下，线性误差 也将产生变化。这可以通过对弹性体材料和结构的优化以及选择精确的测量点来完成。
下图列出了补偿方法的总结。除了以上描述的 TKzero 和 TCS,也可以通过调整对线性和灵敏度进行补偿.
传感器依据构成原理可分为结构型传感器、物性型传感器和智能型传感器三种类型。传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。
1、结构型传感器利用物理学场的定律(包括电场、磁场、力场等)构成的传感器。其基本原理是以部分结构的位置变化和场的变化反映被测非电量的大小及其变化。此类传感器大都采用机电结构和间接信号变换方式。间接变换指信号经过两次变换，先将被测信号经过机械式检出元件转换成中间信号，然后再经过敏感元件转换成电信号输出。例如，应变电阻式压力传感器就是通过弹性膜片把被测压力检测出来并变换为应变值，再用应变电阻元件变换为便于处理的电信号输出。结构型传感器应用最广，采用的测量原理主要有电磁检测、光电检测等。
2、物性型传感器是利用物质特性(包括各种物理、化学、生物的效应和现象)构成的传感器。其基本特征与构成传感器敏感材料的特性密切相关。此类传感器采用直接信号变换方式，用一种敏感元件将被测信号直接转变为电信号输出。是发展最快且引人注目的新型传感器。利用物质的化学特性构成的传感器称为化学传感器，利用生物学特性的传感器称为生物传感器。这两种传感器都属于物性型传感器，研制困难但性能优越，发展潜力很大。
3、智能型传感器是物性型传感器进一步发展的产物。智能型指除具有检测功能外，还具有自补偿、自校正、自调整、自诊断和逻辑操作、程序控制、自动实现计量和检测最优化等功能。这些功能往往是多功能敏感元件与微处理机或单片微型计算机相结合的结果。美国霍尼韦尔公司研制的DSTI-3000型差压传送器是典型的智能型传感器。
