《应变式位移传感器》PPT课件.ppt

,2.1 应变式传感器,2.1.1 工作原理 2.1.2 金属应变片的主要特性 2.1.3 测量电路 2.1.4 应变式传感器应用,返 回,2.1.1 工作原理,1.金属的电阻应变效应,电阻应变效应：当金属丝在外力作用下发生机械变形时 其电阻值将发生变化,F l、A 、 R,上一页,返 回,下一页,电阻的灵敏系数,对于半径为r的圆导体，A=r2，A/A=2r/r 又由材料力学可知，在弹性范围内，,上一页,返 回,下一页,为导体的纵向应变，其数值一般很小，常以微应变度量； 为电阻丝材料的泊松比，一般金属=0.30.5； 为压阻系数，与材质有关；为应力值；E为材料的弹性模量；,金属电阻的灵敏系数,材料的几何尺寸变化引起的 材料的电阻率随应变引起的（压阻效应）,金属材料：k0以前者为主，则k01+2=1.73.6 半 导 体：k0值主要是由电阻率相对变化所决定,上一页,返 回,下一页,2. 应变片的基本结构与种类,敏感栅 直径为0.025mm左右的合金电阻丝 丝绕式 基 底 绝缘 覆盖层 保护,位移、力、力矩、加速度、压力,弹性敏 感元件,应变,外力作用 被测对象表面产生微小机械变形 应变片敏感栅随同变形 电阻值发生相应变化,应变片,上一页,返 回,下一页,应变片的类型和材料,金属丝式 金属箔式 金属薄膜式,回线式 短接式,上一页,返 回,下一页,金属丝式应变片,上一页,返 回,下一页,金属电阻丝应变片的基本结构 1-基片；2-电阻丝；3-覆盖层；4-引出线, 电子发烧友 电子技术论坛,金属电阻应变片，材料电阻率随应变产生的变化很小，可忽略,应变片电阻的相对变化与应变片纵向应变成正比， 并且对同一电阻材料， K0=1+2是常数。 其灵敏度系数多在1.73.6之间。,上一页,返 回,下一页,金属箔式应变片,在绝缘基底上，将厚度为0.0030.01mm电阻箔材，利用照相制板或光刻腐蚀的方法，制成适用于各种需要的形状,箔式应变片,上一页,返 回,下一页,优点 ：,（1）尺寸准确，线条均匀，适应不同的测量要求， （2）可制成多种复杂形状尺寸准确的敏感栅 （3）与被测试件接触面积大，粘结性能好。 散热条件好，允许电流大，灵敏度提高。 （4）横向效应可以忽略。 （5）蠕变、机械滞后小，疲劳寿命长。 缺点： 电阻值的分散性大 阻值调整,上一页,返 回,下一页,金属薄膜应变片,采用真空蒸发或真空沉积等方法在薄的绝缘基片上形成厚度在0.1m以下的金属电阻材料薄膜敏感栅，再加上保护层，易实现工业化批量生产 优点：应变灵敏系数大，允许电流密度大，工作范围广，易实现工业化生产 问题：难控制电阻与温度和时间的变化关系,上一页,返 回,下一页,2.1.2 金属应变片的主要特性,（一）灵敏系数 （二）横向效应 （三）温度误差及其补偿,上一页,返 回,下一页,应变片的电阻值 R,应变片在未经安装也不受外力情况下，于室温下测得的电阻值 电阻系列：60、120、200、350、500、1000 可以加大应变片承受电压， 电阻值大 输出信号大， 敏感栅尺寸也增大,上一页,下一页,返 回,（一）灵敏系数,“标称灵敏系数”：受轴向单向力（拉或压），试件材料 为泊松系数=0.285的钢等。一批产品中只能抽样5的 产品来测定，取平均值及允许公差值。,电阻应变片的灵敏系数k 电阻丝的灵敏系数k0,粘结层传递变形失真 还存在有横向效应,原因：,上一页,返 回,下一页,（二）横向效应,敏感栅是由多条直线和圆弧部分组成 直线段：沿轴向拉应变x，电阻 圆弧段：沿轴向压应度y 电阻,K (箔式应变片),上一页,下一页,返 回,l,y,x, 电子发烧友 电子技术论坛,横向效应,应变片的横栅部分将纵向丝栅部分的电阻变化抵消了一部分，从而降低了整个电阻应变片的灵敏度，带来测量误差，其大小与敏感栅的构造及尺寸有关。敏感栅的纵栅愈窄、愈长，而横栅愈宽、愈短，则横向效应的影响愈小。,（三）温度误差及其补偿,上一页,返 回,下一页,1、敏感栅电阻随温度的变化引起的误差。当环境温度变化t 时，敏感栅材料电阻温度系数为，则引起的电阻相对变化为 2、试件材料的线膨胀引起的误差。当温度变化t时，因试件材料和敏感栅材料的线膨胀系数不同，应变片将产生附加拉长（或压缩），引起的电阻相对变化,温度误差, 电子发烧友 电子技术论坛,相应的虚假应变输出,可得由于温度变化而引起的总电阻变化为, 电子发烧友 电子技术论坛,温度补偿,单丝自补偿法 自补偿法 组合式自补偿法 线路补偿法电桥补偿法、热敏电阻,温度补偿,上一页,返 回,下一页, 电子发烧友 电子技术论坛, 电桥补偿法,U0,R1,R4,R3,U,Rb,F,F,R1,Rb,R1 +R,Rb -R,U0,R1R,R4,R3,U,RbR,上一页,返 回,下一页, 电子发烧友 电子技术论坛,电桥补偿法,优点： 简单、方便，在常温下补偿效果较好，缺点： 在温度变化梯度较大的条件下，很难做到工作片与补偿片处于温度完全一致的情况，因而影响补偿效果。, 电子发烧友 电子技术论坛, 应变片的自补偿法,粘贴在被测部位上的是一种特殊应变片，当温度变化时，产生的附加应变为零或相互抵消，这种应变片称为温度自补偿应变片。利用这种应变片来实现温度补偿的方法称为应变片自补偿法。 a. 选择式自补偿应变片 b. 双金属敏感栅自补偿应变片, 电子发烧友 电子技术论坛,a.选择式自补偿应变片,优点：容易加工，成本低， 缺点：只适用特定试件材料，温度补偿范围也较窄。,上一页,返 回,下一页,由式(2.1.16)可知，实现温度补偿的条件为 当被测试件的线膨胀系数g已知时，通过选择敏感栅材料， 使下式成立 (2.1.21) 即可达到温度自补偿的目的。, 电子发烧友 电子技术论坛,组合自补偿法,b. 双金属敏感栅自补偿应变片,敏感栅丝由两种不同温度系数的金属丝串接组成,选用两者具有不同符号的电阻温度系数 调整R1和R2的比例，使温度变化时产生的 电阻变化满足,通过调节两种敏感栅的长度来控制 应变片的温度自补偿， 可达0.45m/的高精度,上一页,返 回,下一页, 电子发烧友 电子技术论坛,热敏电阻补偿,T K,Rt,URt,U = Ui - URt,K,上一页,返 回,下一页,2.1.3 电阻应变片的测量电路,上一页,返 回,下一页,1 直流电桥 2 非线性误差及其补偿, 电子发烧友 电子技术论坛,1. 直流电桥,直流电桥的工作原理,IL=0时电桥平衡 平衡条件 :,R1R4=R2R3 R1/R2=R3/R4,上一页,返 回,下一页, 电子发烧友 电子技术论坛,2不平衡直流电桥的工作原理及灵敏度,当电桥后面接放大器时, 电桥输出端看成开路.电桥的输出式为：,应变片工作时，其电阻变化R,上一页,返 回,下一页, 电子发烧友 电子技术论坛,采用等臂电桥，即R1= R2= R3=R4=R 。此时式(2.1.24)可写为,当Ri R ( i=1,2,3,4) 时，略去上式中的高阶微量，则,上一页,返 回,下一页, 电子发烧友 电子技术论坛,上式表明：, Ri R时，电桥的输出电压与应变成线性关系。 若相邻两桥臂的应变极性一致，即同为拉应变或压应变时，输出电压为两者之差；若相邻两桥臂的应变极性不同，则输出电压为两者之和。 若相对两桥臂应变的极性一致，输出电压为两者之和；反之则为两者之差。 电桥供电电压U越高，输出电压U0越大。但是，当U大时，电阻应变片通过的电流也大，若超过电阻应变片所允许通过的最大工作电流，传感器就会出现蠕变和零漂。 增大电阻应变片的灵敏系数K，可提高电桥的输出电压。,上一页,返 回,下一页, 电子发烧友 电子技术论坛,略去分母中的R1/R1项 ,假设R1/R11,单臂电桥，即R1桥臂变化R，理想的线性关系,实际输出电压,上一页,返 回,下一页,电桥的相对非线性误差为,2.非线性误差及其补偿, 电子发烧友 电子技术论坛,减小非线性误差 采用的措施为：,（1）采用半桥差动电桥,上一页,返 回,下一页, 电子发烧友 电子技术论坛,R1R2R3R4=R，R1R2=R,严格的线性关系 电桥灵敏度比单臂时提高一倍 温度补偿作用,上一页,返 回,下一页, 电子发烧友 电子技术论坛,输出电压为：,上一页,返 回,下一页,全桥差动电路,2.1.4 电阻应变式传感器的应用,1 应变式力传感器 2 应变式压力传感器 3. 应变式液体重量（或液位）传感器 4 应变式加速度传感器,上一页,返 回,下一页, 电子发烧友 电子技术论坛,上一页,返 回,下一页,柱式力传感器,1 应变式力传感器,（a）实心圆柱；（b）空心圆筒；, 电子发烧友 电子技术论坛, 电子发烧友 电子技术论坛,(2)梁式力传感器,上一页,返 回,下一页,等截面梁,结构简单，易加工，灵敏度高 适合于测5000N以下的载荷, 等截面悬臂梁, 电子发烧友 电子技术论坛, 等强度悬臂梁, 电子发烧友 电子技术论坛, 双端固定梁, 电子发烧友 电子技术论坛,薄壁圆环式力传感器,上一页,返 回,下一页,在外力作用下，各点的应力差别较大, 电子发烧友 电子技术论坛,BK-2S称重传感器,产品详细介绍 采用国际流行的双梁式或剪切S梁结构，拉、压输出对称性好、 测量精度高、结构紧凑，安装方便，广泛用于机电结合秤、料斗秤、包装秤等各种测力、称重系统中 供桥电压 12VDC 输入阻抗 38020 输出阻抗 35010 绝缘电阻 2000M 工作温度 -10+50,上一页,返 回,下一页, 电子发烧友 电子技术论坛,BK4轮辐式传感器系列,上一页,返 回,下一页, 电子发烧友 电子技术论坛,2. 应变式压力传感器,上一页,返 回,下一页,t,r,r,t,膜片式压力传感器, 电子发烧友 电子技术论坛,筒式压力传感器 测较大压力,机床液压系统的压力（106107Pa）， 枪炮的膛内压力（108Pa）， 动态特性和灵敏度主要由材料的E值和尺寸决定,上一页,返 回,下一页, 电子发烧友 电子技术论坛,组合式压力传感器,应变片不直接粘贴在压力感受元件上 压力敏感元件为膜片或膜盒、波纹管、弹簧管等,通常用于测量小压力。 其缺点