XPAN JIAOTONG UNVERSITY 《工程训练》之 工业系统的测量 陈永森 工程训练中心 2004年12月 讲义V12
XI’AN JIAOTONG UNIVERSITY 工业系统的测量 陈永森 工程训练中心 2004年12月 《工程训练》之一 讲义 V 1.2
第五讲力的测量与差动放大 引 力的现象随处可见,小到一只蚊子翅膀的 拍动,大到一辆货车的重量 灵巧机械手:为了防止机械手抓取鸡蛋时 把鸡蛋捏碎,需要测量哪些物理量?如何 测量? Industry Training Center 《工程训练》一—一力的测量与差动放大 5-1
Industry Training Center 《工程训练》——力的测量与差动放大 5-1 第五讲 力的测量与差动放大 引言 ➢力的现象随处可见，小到一只蚊子翅膀的 拍动，大到一辆货车的重量 ➢灵巧机械手：为了防止机械手抓取鸡蛋时 把鸡蛋捏碎，需要测量哪些物理量？如何 测量？
第五讲力的测量与差动放大 引言——制作一个力的传感器 力会引起什么变化? 如何把力转换成电信号( WR/clB)? 弹簧秤:力→位移 >电阻应变片:力→电阻 >压电陶瓷:力→电压 弹簧+滑动变阻器:力→电阻 >振动:变化的力→变化的电信号 >空间力的测量:6个自由度→力的解耦 Industry Training Center 《工程训练》一—一力的测量与差动放大 5-2
Industry Training Center 《工程训练》——力的测量与差动放大 5-2 第五讲 力的测量与差动放大 引言——制作一个力的传感器 力会引起什么变化？ 如何把力转换成电信号（u/i/R/C/L/B）？ ➢弹簧秤：力➔位移 ➢电阻应变片：力➔电阻 ➢压电陶瓷：力➔电压 ➢弹簧＋滑动变阻器：力➔电阻 ➢振动：变化的力➔变化的电信号 ➢空间力的测量：6个自由度➔力的解耦
第五讲力的测量与差动放大 引言 >本讲探讨力的测量。力的测量方法很多,实验 中,我们使用电阻应变原理来测量。 >在测量之前,我们经常在机械上对力进行处理, 比如利用杠杆机构进行力的放大。 >在信号的调理中,常见一个微弱的信号夹杂在 个很大的直流电平中,而只有微弱信号是有 用的,所以要进行微弱信号的提取,这在《信 号处理》中有深入的探讨。在此处,我们使用 种简单的方法电桥来处理。 Industry Training Center 《工程训练》一—一力的测量与差动放大 5-3
Industry Training Center 《工程训练》——力的测量与差动放大 5-3 第五讲 力的测量与差动放大 引言 ➢ 本讲探讨力的测量。力的测量方法很多，实验 中，我们使用电阻应变原理来测量。 ➢ 在测量之前，我们经常在机械上对力进行处理， 比如利用杠杆机构进行力的放大。 ➢ 在信号的调理中，常见一个微弱的信号夹杂在 一个很大的直流电平中，而只有微弱信号是有 用的，所以要进行微弱信号的提取，这在《信 号处理》中有深入的探讨。在此处，我们使用 一种简单的方法——电桥来处理
第五讲力的测量与差动放大 本讲内容(2课时) >力的测量方法 杠杆机构 >电阻应变原理 差动原理 训练内容:握力的测量 Industry Training Center 《工程训练》一—一力的测量与差动放大
Industry Training Center 《工程训练》——力的测量与差动放大 5-4 第五讲 力的测量与差动放大 本讲内容（2课时） ➢力的测量方法 ➢杠杆机构 ➢电阻应变原理 ➢差动原理 ➢训练内容：握力的测量
梦S51杠杆机构 F 称重 传感器 放大:A= L1 >杠杆机构:实现力的“传递”和放大。 机构:实现力或运动的“传递”与变换的装置 机械上的变换 >其它常见的机构: 带轮、链轮、齿轮、齿轮齿条、丝杆螺母 Industry Training Center 《工程训练》一—一力的测量与差动放大 5-5
Industry Training Center 《工程训练》——力的测量与差动放大 5-5 §5.1 杠杆机构 ➢ 杠杆机构：实现力的“传递”和放大。 ➢ 机构：实现力或运动的“传递”与变换的装置。 ——机械上的变换 ➢ 其它常见的机构： 带轮、链轮、齿轮、齿轮齿条、丝杆螺母 2 2 1 1 2 1 1 2 F L F L F L A F L = 放大： = = L2 L1 F2 F'2 F1 F'1 称重 传感器
分952电阻应变原理 =bS。=S 1=l+△ l。+△7 R=p-=p=p 设体积为Ⅴ。 原长为l,横截面积为S; 加力∫后长度为,横截面积为S; 2(n2+2l△l+ 长度变化为△,电阻变化为△r f∝△胡克定律 (l2+2l△)=R+Mr f∝△∝A A∝A〈A=21Ml=27R Industry Training Center 《工程训练》一—一力的测量与差动放大 5-6
Industry Training Center 《工程训练》——力的测量与差动放大 5-6 f f §5.2 电阻应变原理 0 0 0 2 0 0 0 0 2 2 0 2 2 0 0 2 0 0 0 0 0 0 ( ) ( 2 ) ( 2 ) 2 2 V l S lS l l l l l R S V l l l l R S V V l l l l V l l l R r V l r l l R V l = = = + = = + = = = = + + + = + = = 设体积为V。 原长为l0，横截面积为S0； 加力 f 后长度为l，横截面积为S； 长度变化为l，电阻变化为r r l f l r f l 胡克定律 0
分952电阻应变原理 把电阻的变化转换成电信号的变化 R=ro+ Rr Ar=2,Ro R 电压 l-l iRa R0×10 i=VcR R Un+△ △≈Ua×10 问题:有用信号△u很小,且夹杂在一个很大 却无用的U上,结果看到的基本是U0 少“大数吃小数”:103+01≈103 如何把加力后电压的变化△u从u中取出来? Industry Training Center 《工程训练》一—一力的测量与差动放大 5-7
Industry Training Center 《工程训练》——力的测量与差动放大 5-7 §5.2 电阻应变原理 把电阻的变化转换成电信号的变化 0 0 0 4 0 2 10 R R r x l r R l R − = + = 0 4 0 10 u U u u U − = + Rx R4 +Vcc u=iR4 =U0+u i Rx +Vcc i=Vcc/Rx 电压 ➢ 问题： 有用信号 u 很小，且夹杂在一个很大 却无用的U0上，结果看到的基本是U0 ➔“大数吃小数”：103+0.1≈103 ➢ 如何把加力后电压的变化 u 从 u 中取出来？
953差动原理 海面浪高的测量 以海底为基准: 误差很大,甚至 无法测量 以海平面为基准: 早 easy to do 关键 海水 “基准”的 选取 海床 Industry Training Center 《工程训练》一—一力的测量与差动放大 5-8
Industry Training Center 《工程训练》——力的测量与差动放大 5-8 海 床 1000 m 海 水 +3m -3m §5.3 差动原理 海面浪高的测量 ➢ 以海底为基准： 误差很大，甚至 无法测量 ➢ 以海平面为基准： easy to do 关键 “基准”的 选取
953差动原理 电桥—为电路选一个基准 数学中相减, +V 电路中:电势差 Rr △=ll RI R 常画成 u=iRA U R4=U0+4R2 基准 >问题:un很小(几毫伏),如果需要放大到几 伏,该选取什么调理电路? Industry Training Center 《工程训练》一—一力的测量与差动放大 5-9
Industry Training Center 《工程训练》——力的测量与差动放大 5-9 Rx R4 +Vcc u=iR4 =U0+u i R1 R2 +Vcc U0 §5.3 差动原理 电桥——为电路选一个基准 ➢ 问题：uab很小（几毫伏），如果需要放大到几 伏，该选取什么调理电路？ 常画成 0 = − u u U 基准 +Vcc u R1 Rx a b R2 R4 数学中相减， 电路中：电势差