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文档简介

第一节电阻应变片 第二节基本测量电路 电桥电路 第三节电阻应变片传感器的应用 第四章电阻应变式传感器 学习要求 1 掌握电阻应变片的工作原理 2 掌握电阻应变式传感器的检测方法 3 熟悉不同种类直流电桥的输出特点 4 熟悉电阻应变式传感器的典型应用 5 学习和掌握电阻应变传感器的创新应用 电阻应变式传感器是将被测量的应力 压力 荷重 扭力等 通过所产生的金属弹性形变转换成电阻变化的检测元件 它由电阻应变片和测量线路两部分组成 目前应用最广泛的电阻应变片有两种 电阻丝应变片和半导体应变片 第一节电阻应变片 各种金属应变片花 1 1应变电阻效应 导体产生机械变形时 电阻值发生变化的现象称为 应变电阻效应 金属丝受力拉长 截面积S变小 由知 R将增大 测量相对误差 金属导线在受应力拉长或缩短的时候 不仅长度要变 面积也要发生变化 其电阻的变化如何计算 由材料力学知 横向应变与纵向应变的关系可以用泊松系数来描述 要制成电阻应变片 用单一金属丝难以实现 所以用金属丝绕制 如用直径为0 015 0 05mm的细金属丝绕成栅网状 并粘贴在绝缘的基片上 两侧由引线接出 线栅上再覆盖一层绝缘保护膜 一般线栅面积为3 10mm2 阻值为60 150 对于大多数金属材料 泊松系数所以ks的数值在1 4 4 8之间 一般取ks为2 应变片的灵敏度 左右 利用这种效应制成传感器 即为电阻应变片 结构及材料金属丝电阻应变片的典型结构见图 它主要由粘合层1 3 基底2 盖片4 敏感栅5 引出线6构成 1 2环境温度对测量的影响 造成应变片测量误差的因素很多 测量时要加以考虑 其中环境温度的影响是首要的误差 而当应变金属丝受环境温度影响时 有 RT RT0 1 T T T0 温度系数 T 4 28 10 3 温度变化1 时 RT RT0 1 T 即 R R RT RT0 RT0 2 2140 比较 R R ks l 2 l 假设KS 2 环境温度变化1 相当于引起2140 的应变 必须解决 一般 l应变单位为几百 几千 1 10 6 1 3温度补偿措施 将两个特性相同的应变片 用同样的方法粘贴在同样材质的两个器件上 置于相同的温度中 承受应力的为工作片 不受应力的为补偿片 测量时 如温度变化两个应变片引起的电阻增量不但符号相同 而且数量相同 根据电桥平衡条件R1R4 R2R3 电桥必然保持平衡 应变片R1 测量元件 应变片R2 温度补偿元件 使用特殊的应变片 使其温度变化的电阻增量等于零或相互抵消 从而不产生测量误差 这是利用某些电阻材料的温度系数有正负特性 将这两种不同的电阻丝串联成一个应变片来实现的温度补偿 其条件是这两段电阻丝栅随温度变化而产生的电阻增量大小相等 方向相反 即 或 这种温度补偿方法给应变片的应用带来了方便 但不易达到理想的效果 而且成本较高 将热敏电阻Rt置于应变片相同的温度下 可以进行温度补偿 有下列多种方式 B 2 1电桥概述 1 电桥工作原理 平衡条件 第二节基本测量电路 电桥电路 2 电桥分类 直流电桥 交流电桥 恒压源电桥 恒流源电桥 四个桥臂中只有一个桥臂是敏感元件 其它均为电阻 四个桥臂中有两个敏感元件是相邻桥臂 这两个敏感元件在测量对象中 阻值变化大小相等 方向相反 四个桥臂中两个敏感元件是相对桥臂 变化大小相对 方向相同 四个敏感元件 分成大小相等 方向相反的两对 a 对称电桥 R1 R2 R3 R4 R1 R3 R2 R4 R1 R2 R3 R4 b 不对称电桥 不满足上述条件的电桥 满足R1R4 R2R3 又称 全对称电桥 2 2不平衡单臂电桥的工作特性 单臂R1为敏感元件变化的电桥输出为 对串联对称电桥 由R1 R2 R3 R4 得 由 Q是微小量 可展成泰勒级数 所以得 忽略后一项 2 8 得 理想输出 电桥电压灵敏度 非线性度 可见 输入量变化 越大 非线性误差越大 若要求电桥误差小于0 03 即 f 3 则允许 最大值为0 06 最大的测量范围 其结论同全对称电桥 2 3差动电桥的工作特性 设 且 则 灵敏度 比单臂电桥高一倍 线性度 R1和R2为敏感元件 2 4双差动电桥的工作特性 灵敏度 比差动电桥高一倍 线性度 且 2 4相对臂电桥的工作特性 设 得 灵敏度较高 但非线性误差较大 常用于极性显示 2 5提高不平衡电桥输出线性度的方法 当RL R0 电桥输出电阻 等臂电桥 若 R1为敏感元件 有 由 得 有源电桥的输出在较小范围内为线性 灵敏度较等臂电桥提高一倍 输出信号的极性与无源电桥相反 2 6电桥调零 原被测量的总元件无变化时 输出量应为零 即满足 若不平衡 则须调零 一般有两种调零方式 应用于R1 R2值较大的场合 此时 RW越小 对传感器灵敏度的影响越小 该方式应用于桥臂电阻R2 R4值较小的场合 此时 Rw越大 对桥路影响越小 2 7交流电桥 采用交流电源供电的电桥称为 交流电桥 设Z1 z1ej 1 交流电桥平衡的条件是 Z1Z4 Z2Z3 交流电桥的调零要调两个参数 第三节电阻应变片传感器的应用 1 力及扭矩的测量 在拉力作用下 内环拉长 外环压缩 可构成双差动电桥 灵敏度比差动电桥提高一倍 第三节电阻应变片传感器的应用 几种梁式传感器外形 2 加速度的测量 根据F ma 测得F便可以得到a 3 流体压力的测量 测量原理 应变式荷重传感器的外形及应变片的粘贴位置 应变式荷重传感器外形及受力位置 续 F F 应变式荷重传感器外形及受力位置 续 F F 汽车衡 汽车衡 汽车衡称重系统 电子天平 电子天平的精度可达十万分之一 人体秤 吊钩秤 便携式 应变式数显扭矩扳手 可用于汽车 摩托车 飞机 内燃机 机械制造和家用电器等领域 准确控制紧固螺纹的装配扭矩 量程2 500N m 耗电量 10mA 有公制 英制单位转换 峰值保持 自动断电等功能 材料应变的测量 斜拉桥上的斜拉绳应变测试 动脑筋

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