第二章电阻应变式传感器.ppt

第二章应变式传感器 本章内容及要求 电阻应变式传感器传感器的工作原理 测量电路 用途和特点 一 工作原理 原理 把被测量的变化转换为电阻值的变化 常用于测量物体的受力和机械变形 特点 结构简单 性能稳定 使用方便 分辨力低 噪声大 测量直线位移的电位计 测量应变的电阻应变片 应变式流体压力传感器 1 应变效应 导体的电阻率 mm2 m l 电阻丝的长度 m F 电阻丝的横截面面积 mm2 设一根电阻丝 未受力时的原始电阻值 当受到外力F作用 其R的变化 电阻的相对变化为 电阻的相对变化为 2 金属电阻应变片 工作原理 a 丝式 b 箔式 通过光刻 腐蚀等工艺制成 c 金属薄膜式 采用真空蒸镀或溅射式阴极扩散等方法 在薄的基底材料上制成一层金属电阻材料薄膜以形成应变片 这种应变片有较高的灵敏度系数 允许电流密度大 工作温度范围较广 3 半导体电阻应变片 工作原理 压阻效应 单晶半导体材料在沿某一轴向受到外力作用时 其电阻率发生变化的现象 结构 a 体型半导体应变片 将半导体材料硅或锗晶体按一定方向切割成的片状小条 经腐蚀压焊粘贴在基片上而成的应变片 b 薄膜型半导体应变片 利用真空沉积技术将半导体材料沉积在带有绝缘层的试件上而制成 c 扩散型半导体应变片 将P型杂质扩散到N型硅单晶基底上 形成一层极薄的P型导电层 再通过超声波和热压焊法接上引出线就形成了扩散型半导体应变片 金属应变片材料 灵敏度系数 灵敏度系数实测获得 实测条件 试件材料为泊松比 0 285的钢材 试件单向受力 应变片轴向与主应力方向一致 二 电阻应变片的主要特性1 主要特性参数 横向效应 横向变形引起的电阻值的减小量对于轴向力引起的电阻值的增加量的影响 绝缘电阻和最大工作电流绝缘电阻 引线与试件之间的电阻 50 100M最大工作电流 允许通过敏感栅而不影响工作特性的最大电流 静态测量25mA 动态测量75 100mA 机械滞后 在一定温度下 在增加和减小机械应变过程中同一机械应变量下 指示应变的最大差值 温度效应 由温度引起的虚假应变 2 应变片的温度误差及其补偿 1 由温度引起的虚假应变 应变片本身电阻随温度的变化引起 R T 因温度变化而引起的电阻变化数值 f 应变合金的电阻温度系数 T 温度的变化度数 应变丝与基底线胀系数不一致引起 应变丝由于温度变化引起的相对伸长为 基底由于温度变化引起的相对伸长为 g b分别为电阻丝与基底的线胀系数 即单位温度变化引起的相对长度变化 引起一附加应变 2 补偿方法 温度修正法 预先作温度 应变变化曲线 使用时在特定温度下查找变化值作相应修正 参数补偿法 局部补偿 应变丝由两种正负不同温度系数的材料组成 相互补偿法使引起温度误差的两项值总的效果达到抵消 使所选各部分参数满足 电路补偿法 三 电阻应变片的测量电路 直流电桥 交流电桥 不平衡电桥 平衡电桥 一 直流电桥1 直流电桥平衡条件 图2 1直流电桥 电桥的平衡条件为 2 非平衡电桥 1 单臂工作电桥 设R2 R3 R4 R0 R1 R0 R 输出电压 若 R R0 则 单臂电桥灵敏度 在电桥电路中灵敏度定义 2 双臂工作电桥 半桥 两个邻边桥臂有相同的微电阻变化 输出电压 双臂电桥灵敏度 3 四臂工作电桥 全桥 四臂电桥 输出电压 四臂电桥灵敏度 1 柱 筒 式力传感器柱式弹性元件分为实心柱和空心柱两种 实心柱可以承载较大的负荷 空心柱主要用于小集中力测量 在弹性范围之内 应力和应变成正比关系 1 应变式力传感器 式中 F为作用力 S为圆柱的横截面积 E为材料的弹性模量 四 电阻应变式传感器的应用 下图 a b 分别为柱式 筒式力传感器 应变片粘贴在弹性体外壁应力分布均匀的中间部分 对称地粘贴多片 电桥连线时考虑尽量减小载荷偏心和弯矩影响 贴片在圆柱面上的展开位置及其在桥路中的连接如图 c d 所示 R1和R3串接 R2和R4串接 并置于桥路对臂上 以减小弯矩影响 横向贴片R5和R7串接 R6和R8串接 作温度补偿用 接于另两个桥臂上 圆柱 筒 式力传感器 a 柱式 b 筒式 c 圆柱面展开图 d 桥路连线图 2 环式力传感器如图 a 所示为环式力传感器结构图 与柱式相比 应力分布变化较大 且有正有负 环式力传感器 a 环式传感器结构图 b 应力分布 对R h 5的小曲率圆环 可用下面的式 1 及式 2 计算出A B两点的应变 式中 h 圆环厚度 b 圆环宽度 E 材料弹性模量 这样 测出A B处的应变 即可得到载荷F 1 2 3 梁式力传感器 梁式弹性元件有悬臂梁 包括等截面梁和等强度梁 和两端固定梁 a 等截面梁 b 等强度梁 对等截面梁 作用力F与某一位置处的应变关系为 式中 x为距固定梁x端处的应变 S为梁的横截面积 E为梁材料的弹性模量 等强度梁在自由端加上作用力时 在梁上各处产生的应变大小相等 它的灵敏度结构系数与长度方向的坐标无关 为了保证等应变性 作用力F必须加在梁的两斜边的交汇点T处 等强度梁各点的应变值为 两端固定梁 中间加载荷 中心处的应变为 2 应变式压力传感器应变式压力传感器主要用来测量流动介质的动态或静态压力 如动力管道设备的进出口气体或液体的压力 发动机内部的压力 枪管及炮管内部的压力 内燃机管道的压力等 应变片压力传感器大多采用膜片式或筒式弹性元件 下图为膜片式压力传感器 应变片贴在膜片内壁 在压力p作用下 膜片产生径向应变 r和切向应变 t 表达式分别为 膜片式压力传感器 a 应变变化图 b 应变片粘贴 根据以上特点 一般在平膜片圆心处切向粘贴R1 R4两个应变片 在边缘处沿径向粘贴R2 R3两个应变片 然后接成全桥测量电路 式中 p 膜片上均匀分布的压力 R h 膜片的半径和厚度 x 离圆心的径向距离 由应力分布图可知 膜片弹性元件承受压力p时 其应变变化曲线的特点为 当x 0时 rmax tmax 当x R时 t 0 r 2 rmax 例 如图所示 悬臂梁受弯矩M的作用 计算出U0 假定输入电压为US 并分析温度的影响 应变片贴在应变极性相同处 不能进行温度补偿 应变片贴在应变极性相反处 可以进行温度补偿 电桥的和差特性 相邻桥臂的应变若极性相同时 电桥的输出电压与两应变之差有关 相邻桥臂的