一章应变式传感器.ppt

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1、,第2章 电阻式传感器 应变式传感器,应变式传感器,主要内容 1.电阻应变片原理 2.金属应变片的主要特性 3.应变片测量电路 4.应变式传感器的应用,应变式传感器,概述,电阻式应变传感器作为测力的主要传感器，测力范围小到肌肉纤维，大到登月火箭，精确度可到 0.010.1%。有拉压式（柱、筒、环元件）、弯曲式、剪切式。 应变式传感器特征： 材料类型:金属应变片、半导体应变片 应用范围:应变力、压力、转矩、位移、加速度； 优 点:使用简单、精度高、范围大体积小。,应变式传感器,概述,各种电子秤,广泛应用于,应变式传感器,概述,应变式传感器,2.1 电阻应变片原理 （1）应变效应,金属电阻应变片基

2、于电阻应变效应:导体产生机械形变时电阻值发生变化。一根长L ，截面积为S ，电阻率为的金属丝电阻为:,当电阻丝受到轴向拉力F作用时，电阻值R的 变化引起电阻的相对变化为:,应变式传感器,2.1 电阻应变片原理 （1）应变效应,当电阻丝受到轴向拉力F作用时，金属丝几何尺寸变化引起电阻的相对变化,应变式传感器,2.1 电阻应变片原理 （1）应变效应,用横向、径向应变、泊松系数带入后电阻变化率为：,结论：金属材料的 主要受（1+2）影响；非金属材料主要受（/）/影响！,令：,设,应变式传感器,2.1 电阻应变片原理 （1）应变效应,对于金属电阻丝 =0.250.5(钢=0.285) k01+2 k0

3、1.52 金属应变片灵敏系数k0由材料几何尺寸的变化决定 通过弹性元件可将位移、压力、振动等物理量将应力转换为应变进行测量，这是应变式传感器测量应变的基本原理。,应变式传感器,2.1 电阻应变片原理 （1）应变效应,金属应变片结构： 网状敏感栅高阻金属丝、金属箔 基片绝缘材料 盖片保护层,应变式传感器,2.1 电阻应变片原理 （1）应变效应,应变式传感器,2.1 电阻应变片原理 （1）应变效应,箔式应变片结构,应变式传感器,2.1 电阻应变片原理 （1）应变效应,应变片的粘贴技术 粘贴剂的选择 工艺处理过程 要求：准确传递应变 粘贴强度好，蠕变小，机械滞后小； 耐疲劳性好，长期稳定性好，绝缘性

4、好。,应变式传感器,2.1 电阻应变片原理 （1）应变效应,应变片的粘贴处理过程 1 应变片的检查与选择 2 试件的表面处理 3 底层处理 4 贴片 5 固化 6 粘贴质量检查 7 引线焊接与组桥连接,应变式传感器,2.1 电阻应变片原理 （2）压阻效应和压阻式传感器,半导体应变片又称压阻式传感器 优点：灵敏度高、耗电少、有正负两种应力效应。 缺点：受温度影响较大。,半导体材料的灵敏系数主要由压阻效应引起的电阻 率的变化；灵敏系数远大于金属应变片的灵敏系数。,对半导体,已知固体受力引起的电阻变化为：,应变式传感器,2.1 电阻应变片原理 （3）应变片种类,按材料分： 金属式： 丝式、箔式、薄膜

5、型 半导体式： 体型、薄膜型、扩散型、外延型、PN结型 按结构分：单片、双片、特殊形状 按使用环境：高温、低温、高压、磁场、水下,体型半导体电阻应变片,对比 半导体 压阻效应 内部结构 电阻率变化 金属导体 电阻效应 机械形变 电阻值变化,性能指标 使用面积 电阻值 灵敏度系数 基底材料和形式 最大允许工作电流 极限温度 电阻温度系数 灵敏度温度系数 应变极限 动态特性,应变式传感器,2.2 金属应变片的主要特性,应变式传感器,2.2 金属应变片的主要特性 （1）应变片的灵敏系数,金属丝做成应变片后电阻应变特性与单根金属丝不同；实验证明，应变片灵敏系数K K0电阻丝灵敏系数，产品的灵敏系数称“

6、标称灵敏系数”。,应变式传感器,直线电阻丝绕成敏感栅后，虽然长度相同，但应变不同，园弧部分使灵敏系数K下降，这种现象称为横向效应。,2.2 金属应变片的主要特性 （2）横向效应,应变式传感器,2.2 金属应变片的主要特性 （3）应变片温度误差及补偿,应变片安装在自由膨胀的试件上，如果环境温 度变化，应变片的电阻也会变化，这种变化叠加在测量结果中称应变片温度误差。应变片温度误差来源有两个主要因素： t 应变片本身电阻温度系数影响 g 试件材料的线膨胀系数影响 因环境温度改变引起的附加电阻变化与环境温 度变化t有关； 应变片本身的性能参数t、s； 试件参数g有关。,应变式传感器,2.2 金属应变片

7、的主要特性 （3）应变片温度误差及补偿,电阻丝阻值与温度关系：,因试件使应变片电阻产生附加形变造成的电阻变化,温度变化t时电阻丝的电阻变化,应变式传感器,2.2 金属应变片的主要特性 （3）应变片温度误差及补偿,温度补偿方法有：线路补偿、自补偿、电桥补偿、 热敏电阻补偿、计算机补偿等。 线路补偿： 被测试件相邻臂上安装一补偿片，处于相同的温度场,但不受力。 电桥输出U0与桥臂参数的关系为： U0=A（R1R3-RBR2） 当温度变化时 R1=RB，电桥平衡， 当有应变时 R1有增量,正比于K， 补偿片RB无变化 RB=0 电桥输出 U0与温度无关,应变式传感器,2.2 金属应变片的主要特性 （

8、3）应变片温度误差及补偿,自补偿方法 双丝法,R1、R2 温度系数互补,应变式传感器,2.2 金属应变片的主要特性 （3）应变片温度误差及补偿,电桥补偿方法,应变式传感器,2.3 电阻应变片测量电路 被测对象的特点： 机械应变量值小 0.5%以下 灵敏度系数较小 1-2 电阻相对变化小 1%以下 如：一般电阻应变片基值为120欧,电阻相对变化1.2欧, 采用常规的电阻测量法难以进行.,应变式传感器,2.3 电阻应变片测量电路 （1）直流电桥,直流电桥平衡条件 负载RL（开路）,电桥平衡时 I0=0 U0=0 对臂积相等 邻臂比相等,2.3 电阻应变片测量电路 直流电桥形式 等臂电桥 R1=R2

9、=R3=R4 输出对称电桥 R1=R2=R, R3=R4=R 电源对称电桥 R1=R3=R, R2=R4=R 单臂接应变片: 单臂工作电桥 两臂接应变片: 双臂工作电桥,或称半桥 四臂接应变片: 全桥,应变式传感器,应变式传感器,2.3 电阻应变片测量电路 （1）直流电桥,单臂电桥工作 设R1为应变片，应变时R1变化量为R1， 这时电桥失衡，不平衡输出电压为：,应变式传感器,2.3 电阻应变片测量电路 （1）直流电桥,电桥灵敏度定义为：,设 n=R2/R1=R4/R3,即R1 R1,应变式传感器,讨论： 电桥电压灵敏度Ku越大， 应变变化相同情况输出电压越大 ; Ku是桥臂比n的函数Ku（n）

10、， 恰当选择n可提高电压灵敏度Ku; Ku与电桥电源E成正比KuE， 但供电受应变片允许功耗限制;,2.3 电阻应变片测量电路 （1）直流电桥,应变式传感器,讨论： 显然 n=1 R1=R2 R3=R4时，Ku最大,2.3 电阻应变片测量电路 （1）直流电桥,单臂工作片电压灵敏度：,桥路输出电压：,注：等臂电桥、输出对称电桥有最大灵敏度,应变式传感器,2.3 电阻应变片测量电路 （1）直流电桥,等臂电桥n=1时, 由上式近似得到：,实际输出值为：,非线性误差：,应变式传感器,可见非线性误差与R1/R1成正比 为减小非线性误差常采用差动电桥 差动电桥：在试件上安装两个工作片，一个受拉、 一个受压

11、接在电桥的相邻两个臂，电桥输出为：,2.3 电阻应变片测量电路 （1）直流电桥,非线性误差补偿,应变式传感器,2.3 电阻应变片测量电路 （1）直流电桥 非线性误差补偿,半桥电压灵敏度为：,讨论： 输出电压U0与R/R呈线性关系，无非线性误差； 电压灵敏度是单桥的两倍； 具有温度补偿作用。,半桥电桥输出：,应变式传感器,2.3 电阻应变片测量电路 （1）直流电桥 非线性误差补偿,全桥： 将四臂按对臂同性接四个工作片称全桥。 若R1=R2=R3=R4,全桥电压输出：,全桥电压灵敏度为：,应变式传感器,2.3 电阻应变片测量电路 （1）直流电桥,应变式传感器,直流电桥 在R R1时，UO与应变成线

12、性关系 相邻两臂，方向相反 相对两臂，方向相同 优点：电源稳定,电路简单，是主要测量电路； 缺点：直流放大器较复杂，存在零漂、工频干扰。,2.3 电阻应变片测量电路 （1）直流电桥,应变式传感器,2.3 电阻应变片测量电路 （2）交流电桥,交流电桥 优点：放大电路简单无零漂，不受干扰，为特定 传感器带来方便； 缺点：需专用测量仪器或电路不易取得高精度。,应变式传感器,2.4 应变式传感器的应用 （1）电阻应变仪,按测量应变力的频率可分为静态应变仪和动 态应变仪，按应变力频率又可细分为： 静态 5Hz； 静动态几百Hz； 动态 5KHz； 超动态几十KHz； 交流电桥电阻应变仪主要由电桥、振荡器

13、、 放大器、相敏检波器、滤波器、转换和显示 电路组成。,应变式传感器,2.4 应变式传感器的应用 （2）力传感器（测力与秤重）,力传感器的弹性元件有：柱式、梁式、环式、轮辐式等： 柱式力传感器有空心（筒形）、实心（柱形） 在圆筒（柱）上按一定方式粘贴应变片，圆筒 (柱）在外力F作用下产生形变，实心圆柱因外 力作用产生的应变为：,式中：L为弹性元件的长度， S为弹性元件的横截面积 F外力；为应力，=F/S； E为弹性模量,应变式传感器,2.4 应变式传感器的应用（2）力传感器,一般应变片均匀贴在圆柱表面中间部分， R1R2、R3R4串联摆放在两对臂内， 当有偏心应力时，一方受拉另一方受压产生 相

14、反变化，可减小弯矩的影响。 横向粘贴应变片为温度补偿片。 R=R1=R2=R3=R4，受力方向相同,桥路连接图,灵敏度按半桥计算电桥输出为：,应变式传感器,2.4 应变式传感器的应用 （2）力传感器（测力与秤重）,圆柱面展开图,应变式传感器,2.4 应变式传感器的应用 （2）力传感器（测力与秤重） 悬臂梁式力传感器,等截面梁： 悬臂梁的横截面积处处相等，所以称等截面梁。 当外力F作用在梁的自由端时，固定端产生的应 变最大，粘贴在应变片处的应变为：,式中： 是梁上应变片至自由端距离， b、h 分别为梁的宽度和梁的厚度。,应变式传感器,2.4 应变式传感器的应用 （2）力传感器（测力与秤重）,等强

15、度梁： 悬臂梁长度方向的截面积按一定规律变化， 是一种特殊形式的悬臂梁。 当力作用在自由端时，力距作用点任何截面 积上应力相等，应变片的应变大小为：,应变式传感器,2.4 应变式传感器的应用（2）力传感器,顺梁的方向贴上下各贴两只。 四个应变片组成全桥。上面两个受压时下面两个受拉。 这种传感器适用于测量500Kg以下荷重。,应变式传感器,2.4 应变式传感器的应用 （2）力传感器（测力与秤重）,梁的形式较多，如平行双孔梁、工字梁、S型拉力,（a）双孔梁 （b）S形,应变式传感器,2.4 应变式传感器的应用 （3）加速度传感器,基本结构由悬臂梁、应变片、质量块、机座外壳组成。悬臂梁（等强度梁）自

16、由端固定质量块，壳体内充满硅油，产生必要的阻尼。 当壳体与被测物体一起 作加速度运动时，悬臂梁在 质量块的惯性作用下作反方 向运动，使梁体发生形变， 粘贴在梁上的应变片阻值发 生变化。通过测量阻值的变 化求出待测物体的加速度。,应变式传感器,2.4 应变式传感器的应用 （3）加速度传感器,应变式传感器 2.4 应变式传感器的应用,膜片式压力传感器-P28 固态压阻式传感器-P29 结构特点: 单晶硅, 4片桥路集成; 性能特点: 灵敏度高, 固有频率高.,应变式传感器,本章要点：,基本原理: 应变效应和压阻效应 (横向效应) 应变式传感器的主要性能指标； 应变式传感器的测量电路： 直流单臂、半桥、全桥及比较； 零点补偿及温度补偿方法 如何通过应变式传感器测量 力、压力、位移、应变、加速度等参量；,