《项目二力检测》PPT课件.ppt

项目二力检测 完成本项目的学习后 能够 1 了解弹性敏感元件的特性及要求 2 掌握电阻应变效应及半导体的压阻效应 3 了解电桥电路的作用 4 掌握电阻应变片等力传感器的测量电路 5 掌握压电式传感器的工作原理 理解其特点 6 了解力传感器的应用 7 了解压电式传感器的应用 学习目标 任务1 电子地磅检测重量 任务背景 电子地磅秤 是厂矿 商家等用于大宗货物计量的主要称重设备 相关知识 在二十世纪80年代之前常见的地磅秤一般是利用杠杆原理纯机械构造的机械式地磅秤也称作机械地磅 二十世纪80年代中期 随着高精度称重传感器技术的日趋成熟 机械式地磅逐渐被精度高 稳定性好 操作方便的电子地磅秤所取代 一 测力传感器的弹性敏感元件 弹性敏感元件把力或压力转换成了应变或位移 然后再由传感器将应变或位移转换成电信号 相关知识点 二 弹性敏感元件的特性 物体在外来因素作用下产生的形状和尺寸的改变称为变形 如果变形后的物体在外力去除后又恢复原来形状的变形称为弹性变形 具有弹性变形特性的物体称为弹性敏感元件 刚度 灵敏度 三 弹性敏感元件的基本要求及分类 1 弹性敏感元件的基本要求 良好的机械特性 强度高 抗冲击 韧性好 疲劳强度高等 和良好的机械加工及热处理性能 良好的弹性 弹性极限高 弹性滞后和弹性后效小等 良好的抗氧化性和抗腐蚀性 应保证长期使用和温度变化时的稳定性 2 弹性敏感元件的分类根据弹性敏感元件输入量的不同 可以分为两大类 变换力 力矩 的弹性元件这类弹性敏感元件大都采用等截面柱式 圆环式 等截面薄板 悬臂梁及轴状等结构 变换压力的弹性敏感元件这类弹性敏感元件常见的有弹簧管 波纹管 波纹膜片 膜盒和薄臂圆筒等 它可以把流体产生的压力变换成位移量输出 二 电阻应变式传感器 电阻应变式传感器是利用电阻应变效应原理制成的 主要用于机械量的检测中 如力 压力等物理量的检测 电阻应变效应是指导体或半导体材料在外力作用下产生机械变形时 它的电阻值也相应地发生变化 这一物理现象称为电阻应变效应 1 电阻应变式传感器的特点 电阻应变式传感器具有精度高 性能稳定 测量范围宽 可制成各种机械量传感器 并且结构简单 体积小 重量轻 可在超低温 强振动 强磁场等恶劣环境下工作等特点 2 电阻应变式传感器的外形 3 金属电阻应变式传感器 考虑一段金属导体 l S 如图所示图金属电阻应变效应未受力时 原始电阻为 当受拉力F作用时 将伸长 l 横截面积相应减小 S 电阻率 则因晶格变形等因素的影响而改变 故引起电阻变化 R 将上式全微分 并利用相对变化量表示 则有式中 l l 为金属导体电阻丝的轴向应变由于S d2 4 则 S S 2 d d 其中 d d为横向 纵向 应变 且由材料力学知 d d 式中 为金属材料的泊松比 将前面关系代入上式得 金属电阻应变片的应变灵敏度为对于金属材料 较小 可以略去 且 0 2 0 4 K 1 2 1 4 1 8则 实际测得K 2 0 说明 项对K还是有一定影响 一般情况下 在应变极限内 金属材料电阻的相对变化与应变成正比 R R K 应变片测试原理使用应变片测量应变或应力时 将应变片牢固地粘贴在弹性试件上 当试件受力变形时 应变片电阻变化 R 如果应用测量电路和仪器测出 R 可得弹性试件的应变值 而根据应力 应变关系 E 可以得到被测应力值 其中 E 试件材料弹性模量 试件的应力 试件的应变 力F 应力 应变 E R通过弹性敏感元件的作用 可以将应变片测应变的应用扩展到能引起弹性元件产生应变的各种非电量的测量 从而构成各种电阻应变式传感器 4 电阻应变片的类型及常用材料 根据应变片的质地 主要有金属电阻应变片和半导体应变片两大类 1 金属电阻应变片此类应变片的结构形式有丝式 箔式和薄膜式三种 a 丝式应变片如下图a所示 它是将金属丝按图示形状弯曲后用粘合剂贴在衬底上而成 基底可分为纸基 胶基和纸浸胶基等 电阻丝两端焊有引出线 使用时只要将应变片贴于弹性体上就可构成应变式传感器 它结构简单 价格低 强度高 但允许通过的电流较小 测量精度较低 适用于测量要求不很高的场合使用 b 箔式应变片该类应变片的敏感栅是通过光刻 腐蚀等工艺制成 箔栅厚度一般在0 003 0 01mm之间 它的结构如上图b所示 箔式应变片与丝式应变片比较其面积大 散热性好 允许通过较大的电流 由于它的厚度薄 因此具有较好的可绕性 灵敏度系数较高 箔式应变片还可以根据需要制成任意形状 适合批量生产 C 金属薄膜应变片它是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 总而言之金属电阻式应变片一般是由盖层 敏感栅 基底及引线和粘结剂组成的 敏感栅可由金属丝 金属箔制成 它是转换元件 被粘贴在基底上 基底起绝缘作用 盖层起绝缘保护作用 引线起测量导线之用 5 电阻应变式传感器的测量电路 应变片的测量电路由前可知 应变片的电阻变化值很微弱 用万用表无法测量 同时为了便于显示或控制需将 转换成 所以通常采用电桥作为测量电路 由于应变片的应用非常广泛 其测量电路已有很多种标准形式 称为应变仪 根据供电电源的不同 电桥又可分为直流电桥和交流电桥两种 根据电桥的读数方法不同 又分为两类 平衡电桥 精度高 只适用于测量静态参数不平衡电桥 精度较低 使用方便 可测静 动态参数 电阻应变片的测量电路 直流电桥 1 直流电桥平衡条件 图直流电桥 当RL 时 电桥输出电压为 当电桥平衡时 Uo 0 则有 R1R4 R2R3 或 电桥平衡条件 欲使电桥平衡 其相邻两臂电阻的比值应相等 或相对两臂电阻的乘积应相等 电桥平衡条件 2 电压灵敏度 应变片工作时 电阻值变化很小 电桥相应输出电压也很小 一般需要加入放大器进行放大 由于放大器的输入阻抗比桥路输出阻抗高很多 所以此时仍视电桥为开路情况 当受应变时 若应变片电阻变化为 R 其它桥臂固定不变 电桥输出电压Uo 0 则电桥不平衡 输出电压为 设桥臂比n R2 R1 由于 R1 R1 分母中 R1 R1可忽略 并考虑到平衡条件R2 R1 R4 R3 则上式可写为 电桥电压灵敏度定义为 分析 电桥电压灵敏度正比于电桥供电电压 供电电压越高 电桥电压灵敏度越高 但供电电压的提高受到应变片允许功耗的限制 所以要作适当选择 电桥电压灵敏度是桥臂电阻比值n的函数 恰当地选择桥臂比n的值 保证电桥具有较高的电压灵敏度 当E值确定后 n取何值时才能使KU最高 分析 思路 dKU dn 0求KU的最大值 求得n 1时 KU为最大值 即在供桥电压确定后 当R1 R2 R3 R4时 电桥电压灵敏度最高 此时有 结论 当电源电压E和电阻相对变化量 R1 R1一定时 电桥的输出电压及其灵敏度也是定值 且与各桥臂电阻阻值大小无关 3 非线性误差及其补偿方法 与 R1 R1的关系是非线性的 非线性误差为 理想情况 略去分母中的 R1 R1项 实际情况 保留分母中的 R1 R1项 如果桥臂比n 1 则 例如 对于一般应变片 所受应变 通常在5000 以下 若取KU 2 则 R1 R1 KU 0 01 计算得非线性误差为0 5 若KU 130 1000 时 R1 R1 0 130 则得到非线性误差为6 故当非线性误差不能满足测量要求时 必须予以消除 图差动电桥 减小和消除非线性误差的方法 半桥差动 在试件上安装两个工作应变片 一个受拉应变 一个受压应变 接入电桥相邻桥臂 该电桥输出电压为 若 R1 R2 R1 R2 R3 R4 则得 可知 Uo与 R1 R1成线性关系 无非线性误差 而且电桥电压灵敏度KU E 2 是单臂工作时的两倍 全桥差动 电桥四臂接入四片应变片 即两个受拉应变 两个受压应变 将两个应变符号相同的接入相对桥臂上 若 R1 R2 R3 R4 且R1 R2 R3 R4 则 结论 全桥差动电路不仅没有非线性误差 而且电压灵敏度为单片工作时的4倍 2交流电桥 引入原因 由于应变电桥输出电压很小 一般都要加放大器 而直流放大器易于产生零漂 因此应变电桥多采用交流电桥 由于供桥电源为交流电源 引线分布电容使得二桥臂应变片呈现复阻抗特性 即相当于两只应变片各并联了一个电容 图交流电桥 式中 C1 C2表示应变片引线分布电容 每一桥臂上复阻抗分别为 交流电桥输出 电桥平衡条件 Uo 0 即 Z1Z4 Z2Z3 整理可得 变形为 交流电桥的平衡条件 实部 虚部分别相等 图3 12交流电桥平衡调节 当被测应力变化引起Z1 Z10 Z Z2 Z20 Z变化时 Z10 Z20 Z0 则电桥输出为 课堂练习 如图所示电路是电阻应变仪中所用的不平衡电桥的简化电路 图中R2 R3 R是固定电阻 R1与R4是电阻应变片 工作时R1受拉 R4受压 R 0 桥路处于平衡状态 当应变片受力发生应变时 桥路失去平衡 这时 就用桥路输出电压Ucd表示应变片变后电阻值的变化量 试证明 Ucd E 2 R R 图为一直流应变电桥 图中E 8V R1 R2 R3 R4 120 试求 R1 R2都是应变片 且批号相同 感应应变的极性和大小都相同 其余为外接电阻 电桥输出电压U0 题 中 如果R2与R1感受应变的极性相反 且增量 R1 R2 1 2 电桥输出电压U0 图所示为等截面梁和电阻应变片构成的测力传感器 若选用特性相同的4片电阻应变片R1 R4 它们不受力时阻值均为120欧 灵敏度K 2 在Q点受力为F 1 在测量电路图b中 标出应变片受力情况及其符号 当作用力 时 应变片 若作用力 时 4 8 10 5 为多少 电阻R1 R2 R3 R4r的变化量为多少 若每个电阻应变片阻值的变化为 欧 则输出电压为多少 F R1 R4 R2 R3 3V U0 6 电阻应变式传感器的应用举例 电阻应变式传感器弹性敏感元件 电阻应变片 电阻应变式传感器1 柱 筒 式力传感器下图为柱 筒 式力传感器 弹性敏感元件为实心或空心的柱体 截面积为S 材料弹性模量为E 当柱体轴向受拉 压 力F作用时 在弹性范围内 应力 与应变 成正比关系 E 1 柱 筒 式力传感器特点 结构简单 可承受很大载荷 多种截面形状 实心截面 空心截面 轴向应变 横 周 向应变 y 应变片粘贴在弹性柱体外壁应力分布均匀的中间部分 沿轴向和周向对称地粘贴多片应变片 贴片在柱面上的展开位置及其在桥路中的连接如图 d 和 e 所示 柱式力传感器 上图中作用力F在各应变片上产生的应变分别为 1 t 2 3 4 5 t 6 7 8式中 柱体材料的泊松比 t 温度t所引起的附加应变 柱体在F作用下的轴向应变 F SE 全桥接法的总应变 0为 0 2 1 电桥的输出电压为从而得到被测力F为地磅称一般采用柱式力传感器 汽车衡示意图 液罐秤示意图1 电动比例调节器 2 膨胀节 3 化学原料储液罐A 4 化学原料储液罐B 5 荷重传感器 每罐各4只 6 支撑构件 7 支撑平台 2 悬臂梁式力传感器如图所示 当力F作用在弹性悬臂梁自由端时 悬臂梁产生变形 在梁的上 下表面对称位置上应变大小相等 极性相反 若分别粘贴应变片R1 R4和R2 R3 并接成差动电桥 则电桥输出电压Uo与力F成正比 悬臂粱式力传感器 1 等截面梁 上图 a 1 4 x 2 3 x 则被测力F为 2 等强度梁 图 b 不随应变片粘贴位置变化 3 其它特殊悬臂梁力传感器 图特殊粱式力传感器 a 双孔粱 b 单孔粱 c S型粱 电子称一般采用悬臂梁式力传感器 3 薄壁圆环式力传感器如图所示薄壁圆环式力传感器示意图 4 轮辐式力传感器 轮辐式力传感器示意图 如上图所示 在距离中间加力部位为lx的截面上的弯矩为在lx截面处的上 下表面应变为按上图粘贴应变片并接成全桥差动电路 则电桥输出指示的总应变与外力F的关系为电桥输出电压为 5 轴剪切力传感器 主要用于扭矩测量 轴弹性元件式测力传感器 扭矩传感器 应变片的粘贴方式和测量电桥的连接如上图所示 当弹性轴剪切力作用时 应变片受拉力 受压应力 其应变为 实心轴 空心轴 式中 D 轴外径 mm d 轴内径 mm M 扭矩 N m 轴材料泊松比 E 轴材料弹性模量 电桥输出电压Uo UiK 电阻应变式传感器应用实例的电路1 基本应用 平面膜片式压力传感器图所示为压力应变计原理电路 A1 A2 A3构成仪表放大器 A4作为 电平转移 图2 28压力应变计 2 梁式弹性元件位移传感器 3 手提式数字电子称准S型称重传感器如图所示 准S型称重传感器 手提数字电子称测量电路如图所示手提数字电子称测量电路 a 小数点显示电路 b 手提数字电子称电路图 三 压阻式传感器 压阻式传感器是利用半导体应变片的压阻效应而进行工作的 对一块半导体材料的某一轴向施加一定的载荷而产生应力时 它的电阻率会发生变化 这种物理现象称为半导体的压阻效应 1半导体的压阻效应 半导体材料的压阻效应特别强 压阻式传感器的灵敏系数大 分辨率高 频率响应高 体积小 它主要用于测量压力 加速度和载荷等参数 因为半导体材料对温度很敏感 因此压阻式传感器的温度误差较大 必须要有温度补偿 分析 当半导体应变片受轴向力作用时 其电阻相对变化为 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 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 半导体应变片的灵敏系数比金属丝式高50 80倍 但半导体材料的温度系数大 应变时非线性比较严重 使它的应用范围受到一定的限制 测量原理 在外力作用下 被测对象产生微小机械变形 应变片随着发生相同的变化 同时应变片电阻值也发生相应变化 当测得应变片电阻值变化量为 R时 便可得到被测对象的应变值 根据应力与应变的关系 得到应力值 为 E 压阻式压力传感器的工作过程 压阻式压力传感器硅膜片两边有两个压力腔 一个是与大气相通的低压腔 另一个是与被测压力相连接的高压腔 当膜片两边存在压力差时 膜片产生变形 膜片上各点产生应力 其上的四个电阻在应力作用下 阻值发生变化 电桥失去平衡 输出与膜片两边的压力差成正比的电压值 压阻式传感器的结构 主要优点是灵敏系数比金属电阻应变片的灵敏系数大数十倍横向效应和机械滞后极小温度稳定性和线性度比金属电阻应变片差得多 均由硅膜片 引线与外壳组成 四 正确使用测力传感器 一 传感器的选择要求 技术指标要求 使用环境要求 基本安全要求 可靠性要求 维修及管理要求对于一个具体的传感器 需满足上述部分要求即可 二 选用传感器的原则 根据测量对象与测量环境确定传感器的类型 灵敏度的选择 频率响应特性 线性范围 稳定性 精度 三 使用注意事项 选择称重传感器一定要考虑环境因素 适用范围和精度要求 选用的传感器一般工作在满量程的30 70 之间 传感器使用中最大荷载不能超过满量程的120 传感器和仪表应定期进行标定 确保使用精度 电桥电压要稳定 温漂 时漂要小 否则会引起测量误差 由于传感器的精度高低 性能好坏直接影响到整个自动测试系统的品质和运行状态 一般来说 对传感器的要求是全面的 严格的 它们是选用传感器的依据 任务2 桥墩水下部位缺陷的检测 任务背景 桥墩水下及地表以下部位由于各种原因会产生一些缺陷 它是很难被发现的 但又直接威胁到桥梁的安全 用压电式加速度传感器通过检测桥墩对振动的响应 再进行频谱分析 可判定桥墩的内部缺陷 相关知识 压电式传感器是一种典型的自发电式传感器 它是由压电传感元件和测量转换电路组成 一 压电传感器的外形 技术指标和压电材料的外形 一 压电式传感器的外形 二 压电加速度传感器的技术指标压电加速度传感器的技术指标主要有量程 灵敏度 线性度 分辨力 谐振点和频响等 二 压电式传感器的工作原理 压电式传感器的工作原理是基于某些介质材料的压电效应 是典型的有源传感器 当材料受力作用而变形时 其表面会有电荷产生 从而实现非电量测量 压电式传感器具有体积小 重量轻 工作频带宽等特点 因此在各种动态力 机械冲击与振动的测量 以及声学 医学 力学 宇航等方面都得到了非常广泛的应用 一 压电效应及压电材料 某些电介质 当沿着一定方向对其施力而使它变形时 内部就产生极化现象 同时在它的两个表面上便产生符号相反的电荷 当外力去掉后 又重新恢复到不带电状态 这种现象称压电效应 当作用力方向改变时 电荷的极性也随之改变 有时人们把这种机械能转换为电能的现象 称为 正压电效应 相反 当在电介质极化方向施加电场 这些电介质也会产生几何变形 这种现象称为 逆压电效应 电致伸缩效应 具有压电效应的材料称为压电材料 压电材料能实现机 电能量的相互转换 二 常用压电材料 几种压电材料的外形如图所示 石英晶体的压电特性 居里点573 六角晶系结构 光轴 电轴 机械轴 若从晶体上沿y方向切下一块上图3所示的晶片 当沿电轴方向施加作用力Fx时 在与电轴x垂直的平面上将产生电荷 其大小为 式中 d11为x方向受力的压电系数 若在同一切片上 沿机械轴y方向施加作用力Fy 则仍在与x轴垂直的平面上产生电荷qy 其大小为 式中 d12 y轴方向受力的压电系数 根据石英晶体的对称性 有d12 d11 a b 晶体切片的长度和厚度 电荷qx和qy的符号由受压力还是受拉力决定 石英晶体的上述特性与其内部分子结构有关 下图是一个单元组体中构成石英晶体的硅离子和氧离子 在垂直于z轴的xy平面上的投影 等效为一个正六边形排列 图中 代表硅离子Si4 代表氧离子O2 当石英晶体未受外力作用时 正 负离子正好分布在正六边形的顶角上 形成三个互成120 夹角的电偶极矩P1 P2 P3 如图 a 所示 石英晶体压电模型 a 不受力时 b x轴方向受力 c y轴方向受力 因为P ql q为电荷量 l为正负电荷之间距离 此时正负电荷重心重合 电偶极矩的矢量和等于零 即P1 P2 P3 0 所以晶体表面不产生电荷 即呈中性 当石英晶体受到沿x轴方向的压力作用时 晶体沿x方向将产生压缩变形 正负离子的相对位置也随之变动 如上图 b 所示 此时正负电荷重心不再重合 电偶极矩在x方向上的分量由于P1的减小和P2 P3的增加而不等于零 在x轴的正方向出现负电荷 电偶极矩在y方向上的分量仍为零 不出现电荷 当晶体受到沿y轴方向的压力作用时 晶体的变形如上图c所示 与上图 b 情况相似 P1增大 P2 P3减小 在x轴上出现电荷 它的极性为x轴正向为正电荷 在y轴方向上仍不出现电荷 如果沿z轴方向施加作用力 因为晶体在x方向和y方向所产生的形变完全相同 所以正负电荷重心保持重合 电偶极矩矢量和等于零 这表明沿z轴方向施加作用力 晶体不会产生压电效应 当作用力Fx Fy的方向相反时 电荷的极性也随之改变 x轴方向受力 压力 x轴方向受力 拉力 y轴方向受力 压力 y轴方向受力 拉力 压电陶瓷 压电陶瓷与石英晶体不同 前者是人工制造的多晶体压电材料 而后者是单晶体 压电陶瓷在未进行极化处理时 不具有压电效应 经过极化处理后 它的压电效应非常明显 具有很高的压电系数 为石英晶体的几百倍 压电陶瓷具有与铁磁材料磁畴结构类似的电畴结构 压电陶瓷的压电现象 未极化前 不具压电性 撤销外电场 三 等效电路和测量电路 压电传感器在受外力作用时 在两个电极表面将要聚集电荷 且电荷量相等 极性相反 这时它相当于一个以压电材料为电介质的电容器 其电容量为 0为真空介电常数 r为压电材料的相对介电常数 d为压电元件的厚度 A为压电元件极板面积 1 压电晶片的连接方式 并联接法 串联接法 在上述两种接法中 并联接法输出电荷大 本身电容大 时间常数大 适宜用在测量慢变信号并且以电荷作为输出量的场合 而串联接法输出电压大 本身电容小 适宜用于以电压作输出信号 并且测量电路输入阻抗很高的场合 因此可以把压电式传感器等效成一个与电容相并联的电荷源 也可以等效为一个电压源与电容串联 2 等效电路 电荷等效电路 电压等效电路 3 完整等效电路 压电传感器与测量仪表联接时 还必须考虑电缆电容CC 放大器的输入电阻Ri和输入电容Ci以及传感器的泄漏电阻Ra 压电传感器的实际等效电路 测量电路 压电传感器本身的内阻抗很高 而输出能量较小 因此它的测量电路通常需要接入一个高输入阻抗的前置放大器 其作用 一是把它的高输出阻抗变换为低输出阻抗 二是放大传感器输出的微弱信号 压电传感器的输出可以是电压信号 也可以是电荷信号 因此前置放大器也有两种形式 电压放大器和电荷放大器 1 电压放大器 若压电元件受正弦力F Fmsin t的作用 则其电压为 电阻R RaRi Ra Ri 电容C Cc Ci ua q Ca 送入放大器输入端的电压为 ua Ca 前置放大器的输入电压的幅值 输入电压和作用力之间相位差 理想情况下 传感器的Ra电阻值与前置放大器输入电阻Ri都为无限大 即 Ca C R 1 那么理想情况下输入电压幅值Uim 讨论 0 静态量 时 Uim 0 输入电压为零 原因 由于等效电阻不可能无穷大 存在电荷泄漏 所以不能测量静态量 3 高频情况 Uim Uam 1 实际接近理想输入电压与作用力频率无关 一定 越高 高频响应越好 所以适合测量高频交变力对低频测量情况 一定 偏差越大所以要求 要大 扩大低频响应范围输出电压灵敏度受电缆分布电容影响 2 电荷放大器 为改善压电传感器的低频特性 常采用电荷放大器 电荷放大器由一个反馈电容Cf和高增益运算放大器构成 电荷放大器等效电路 q 灵敏度 与电缆电容无关 由此可见 电荷放大器的输出电压uo只取决于输入电荷与反馈电容Cf 与电缆电容Cc无关 且与q成正比 因此可以采用长电缆进行远距离测量 并且电缆电容变化也不影响灵敏度 这是电荷放大器的最大特点 为了得到必要的测量精度 要求反馈电容Cf的温度和时间稳定性都很好 在实际电路中 考虑到不同的量程等因素 Cf的容量做成可选择的 范围一般为100 104pF 五 压电传感器应用 一 压电式加速度传感器1 结构 压电片用高压电系数的压电陶瓷制成 两个压电片并联 质量块用高比重的金属块 对压电元件施加预载荷 测得加速度传感器输出的电荷便可知加速度的大小 壳体 弹簧 质量块 压电片 F ma F a又q F q a 二 交通监测 将高分子压电电缆埋在公路上 可以获取车型分类信息 包括轴数 轴距 轮距 单双轮胎 车速监测 收费站地磅 闯红灯