4-力传感器原理及其应用.ppt

深圳市鸥鹏科技有限公司主讲人 首家辉 力传感器原理及其应用 2008Open Tech Allrightsreserved 2020 1 27 1 学习情境 力是看不见摸不着的东西 没有形状 无法直接观察和测量 必须借助力传感器将其转换为其他物理量后才能进行测量 力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器 广泛应用于各种工业自控环境 涉及水利水电 铁路交通 智能建筑 生产自控 航空航天 军工 石化 油井 电力 船舶 机床 管道等众多行业 电阻应变式压力传感器 半导体应变式压力传感器 压阻式压力传感器 电感式压力传感器 电容式压力传感器 谐振式压力传感器 力传感器的分类 2008Open Tech Allrightsreserved 2020 1 27 2 传感器的选择 力的传感器种类繁多 该如何有选择性的学习呢 最好的办法是在这众多的力传感器中选择几款最具普遍性的和适用性 并跟生活联系紧密的力传感器进行学习 掌握其特性和应用方法 然后推而广之 达到以点及面的效果 生活中应用最为广泛的是电阻应变片压力传感器 它具有极低的价格 较高的精度及较好的线性特性 市场上大部分称重量具如电子秤都采用电阻应变式压力传感器 最常见的电子秤 2008Open Tech Allrightsreserved 2020 1 27 3 电阻应变式力传感器的原理 电阻式传感器的基本原理是将被测量的变化转换成传感元件电阻值的变化 再经过转换电路变成电信号输出 电阻应变计的基本原理与结构 被测物理量力 力矩或压力作用于弹性元件上使其发生变形 产生应变或位移 然后传递给与之连接的应变片 引起应变片的电阻值变化 通过测量电路变成电量输出 电量大小反映被测量的大小 2008Open Tech Allrightsreserved 2020 1 27 4 电阻应变式力传感器的原理 应变 物体在外部压力或拉力作用下发生形变的现象 弹性应变 当外力去除后 物体能够完全恢复其尺寸和形状的应变 几个概念 指电阻材料的电阻值随机械变形而变化的物理现象 指半导体材料受到载荷作用而产生应力时 其电阻率发生变化的物理现象 电阻应变效应 半导体材料的应变效应称为压阻效应 2008Open Tech Allrightsreserved 2020 1 27 5 电阻应变式力传感器的原理 导电材料的应变电阻效应长为 截面积为A 电阻率为 的固态导体的电阻初始值为 当它受到轴向力F而被拉伸 或压缩 时 其 均发生变化 应变效应 2008Open Tech Allrightsreserved 2020 1 27 6 电阻应变式力传感器的原理 当电阻丝受到拉力F作用时 将伸长 l 横截面积相应减小 A 电阻率因材料晶格发生变形等因素影响而改变了 从而引起电阻值变化量为 电阻相对变化量 式中 dL L 长度相对变化量 用应变 表示为 2008Open Tech Allrightsreserved 2020 1 27 7 电阻应变式力传感器的原理 材料力学 在弹性范围内 金属丝受拉力时 沿轴向伸长 沿径向缩短 轴向应变和径向应变的关系可表示为 其中 为电阻丝材料的泊松比 负号表示应变方向相反 推得 2008Open Tech Allrightsreserved 2020 1 27 8 电阻应变式力传感器的原理 定义 电阻丝的灵敏系数 物理意义 单位应变所引起的电阻相对变化量 其表达式为 1 是应变片受力后材料几何尺寸的变化 即1 2 2 是应变片受力后材料的电阻率发生的变化 即 对金属材料 1 2 对半导体材料 1 2 大量实验证明 在电阻丝拉伸极限内 电阻的相对变化与应变成正比 即K为常数 一般 定义K为灵敏度系数 灵敏度系数一般受如下两个量的影响 2008Open Tech Allrightsreserved 2020 1 27 9 电阻应变式力传感器的原理 对于金属电阻应变片 则有 则 金属电阻应变片结构 2008Open Tech Allrightsreserved 2020 1 27 10 电阻应变式力传感器的原理 对于半导体应变片 则有 则 半导体应变片结构图 2008Open Tech Allrightsreserved 2020 1 27 11 电阻应变式力传感器的原理 分析 当半导体应变片受轴向力作用时半导体应变片的电阻率相对变化量与所受的应变力有关 式中 半导体材料的压阻系数 半导体材料的所受应变力 E 半导体材料的弹性模量 半导体材料的应变 因此 2008Open Tech Allrightsreserved 2020 1 27 12 电阻应变式力传感器的原理 大量实验证明 E比1 2 大上百倍 所以1 2 可以忽略 因而半导体应变片的灵敏系数为 2008Open Tech Allrightsreserved 2020 1 27 13 电阻应变式力传感器的原理 总结 金属应变片和半导体应变片的异同 1 电阻应变效应与压阻效应 2 灵敏系数不同 3 金属应变片温度稳定性好 横向效应稍大 半导体应变片灵敏系数大 横向效应小 机械滞后小 但温度稳定性差 2008Open Tech Allrightsreserved 2020 1 27 14 电阻应变式力传感器的应用 应变式传感器的测量电路 电桥 电桥电路是一种能够实现将电阻 电感 电容等参量的变化转变为电压输出的一种信号变换电路 具有结构简单 精确度和灵敏度高的优点 在测试中应用非常广泛 电桥按供电方式分为直流电桥和交流电桥 2008Open Tech Allrightsreserved 2020 1 27 15 电阻应变式力传感器的应用 电桥的分类 1 按电桥工作状态可分为 不平衡电桥和平衡电桥 不平衡电桥在连续量的自动检测中大量采用 平衡电桥又称为零位法测量 一般用于静态测量 准确性较高 在传感器测量中往往用不平衡电桥 平衡电桥示例 2008Open Tech Allrightsreserved 2020 1 27 16 电阻应变式力传感器的应用 2 按桥臂的组成分为 电阻电桥和阻抗电桥 其中阻抗电桥的四个桥臂可以是电阻 也可以是其他电容 电感等阻抗元件 3 按工作桥臂分 半桥单臂 半桥双臂和全桥 即四臂均为工作臂 2008Open Tech Allrightsreserved 2020 1 27 17 电阻应变式力传感器的应用 一 直流电桥 2008Open Tech Allrightsreserved 2020 1 27 18 电阻应变式力传感器的应用 1 直流电桥的平衡条件 2008Open Tech Allrightsreserved 2020 1 27 19 电阻应变式力传感器的应用 2 电桥的灵敏度 2008Open Tech Allrightsreserved 2020 1 27 20 电阻应变式力传感器的应用 在桥供电电压eo恒定条件下 获得电桥最大灵敏度的条件为 电桥获得最大灵敏度条件 实际中多取R1 R2 R3 R4 R 2008Open Tech Allrightsreserved 2020 1 27 21 电阻应变式力传感器的应用 3 非线性误差 2008Open Tech Allrightsreserved 2020 1 27 22 电阻应变式力传感器的应用 2008Open Tech Allrightsreserved 2020 1 27 23 电阻应变式力传感器的应用 2008Open Tech Allrightsreserved 2020 1 27 24 电阻应变式力传感器的应用 2008Open Tech Allrightsreserved 2020 1 27 25 电阻应变式力传感器的应用 2008Open Tech Allrightsreserved 2020 1 27 26 电阻应变式力传感器的应用 直流电桥平衡的配置方式 2008Open Tech Allrightsreserved 2020 1 27 27 电阻应变式力传感器的应用 电阻应变计的温度效应及其补偿温度效应及其热输出由于温度的变化引起应变计电阻变化的现象 称为应变计的温度效应 它由两部分组成 1 当工作温度变化 t时 敏感栅材料电阻温度系数为 t 则引起的电阻变化为 2 试件材料的线膨胀引起的误差 当温度变化 t时 因试件材料线膨胀系数 s和敏感栅材料线膨胀系数 t不同 应变片将产生附加拉长 或压缩 引起的电阻变化为 2008Open Tech Allrightsreserved 2020 1 27 28 电阻应变式力传感器的应用 3 总的电阻相对变化为 相对应的热输出为 温度的影响以等效应变 t的形式表示 2008Open Tech Allrightsreserved 2020 1 27 29 电阻应变式力传感器的应用 热输出补偿方法热输出补偿就是消除 t对实际被测应变量的干扰 常采用温度自补偿法和桥路补偿法 温度自补偿法这种方法是通过精心选择敏感栅材料与结构参数来实现热输出补偿 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 2008Open Tech Allrightsreserved 2020 1 27 30 电阻应变式力传感器的应用 2 桥路补偿法是利用电桥的和 差原理来达到补偿的目的 桥路补偿法分为两种 1 是双丝半桥法 敏感栅丝由两种同符号温度系数的金属丝串接组成 R1为工作桥臂 R2 Rb 为补偿桥臂 Rb可调整但不感受应变和温度 2008Open Tech Allrightsreserved 2020 1 27 31 电阻应变式力传感器的应用 在温度变化时 只要工作桥臂和补偿桥臂的热输出相等 即电阻相对变化量相同 就能达到温度补偿的目的 该法的优点 是通过调节Rb的值 不仅可以使热补偿达到最佳状态 而且适应于不同线膨胀系数的试件 缺点 是对Rb的精度要求高 且补偿栅起着抵消工作栅有效应变的作用 使输出灵敏度下降 又因 且 由此可得 2008Open Tech Allrightsreserved 2020 1 27 32 电阻应变式力传感器的应用 2 补偿块法 U0 R1 R4 R3 U Rb F F R1 Rb U0 R1 R R4 R3 U Rb R Rb不感受应变 只感受温度 2008Open Tech Allrightsreserved 2020 1 27 33 电阻应变式力传感器的应用 优点 简单 方便 在常温下补偿效果较好 缺点 要求两应变片和两弹性元件的特性完全相同 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 2008Open Tech Allrightsreserved 2020 1 27 34 电阻应变式力传感器的应用 结论 Ri R时 电桥的输出电压与应变近似成线性关系 相邻两桥臂的应变量相减 相对两桥臂应变量相加 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 增大应变片的灵敏系数K 可提高电桥的输出电压 由以上特性就可按试件不同的受力状态 通过合理布片和桥接得到高精度的输出 2008Open Tech Allrightsreserved 2020 1 27 35 电阻应变式力传感器的应用 实际应用情况 应变电桥 阻抗应变电桥如图 当桥臂接入的是应变计时 称为应变电桥 分单臂工作 双臂 半桥 工作 全臂 全桥 工作电桥 测量电桥按如下方法分类 按电源分类有直流电桥 交流电桥 2 按工作方式分 平衡桥式电路 零位测量法 和不平衡桥式电路 偏差测量法 3 按桥臂关系