电阻式传感器.ppt

第2章电阻式传感器 2 1工作原理 2 2电阻应变片的测量电路2 3电阻应变片的温度误差及补偿 2 4电阻式传感器的应用 2 1工作原理 应变弹性应变弹性元件应变效应 一根金属电阻丝 在其未受力时 原始电阻值为 dA 2 rdr 电阻丝的灵敏系数 金属电阻应变片 半导体应变片 E 2 2测量电路 2 2 1直流电桥 1 直流电桥平衡条件 图直流电桥 Uo 0 R1R4 R2R3 或 2 电压灵敏度 n R2 R1 由于 R1 R1 R2 R1 R4 R2 电桥电压灵敏度 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 当R1 R2 R2 R4时 电桥电压灵敏度最高 有 2 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 对于一般应变片 所受应变 通常在5000 以下 若取KU 2 R1 R1 计算得非线性误差为 若KU 120 1000 时 R1 R1 则得到非线性误差为 故当非线性误差不能满足测量要求时 必须予以消除 图2 6差动电桥 减小和消除非线性误差的方法 半桥差动 若 R1 R2 R1 R2 R2 R4 则得 全桥差动 若 R1 R2 R2 R4 且R1 R2 R2 R4 则 2 3应变片的温度误差及补偿 2 3 1应变片的温度误差由于测量现场环境温度的改变而给测量带来的附加误差 称为应变片的温度误差 产生应变片温度误差的主要因素有下述两个方面 1 电阻温度系数的影响 敏感栅的电阻丝阻值随温度变化的关系可用下式表示 Rt R0 1 0 t 式中 Rt 温度为t时的电阻值 R0 温度为t0时的电阻值 0 温度为t0时金属丝的电阻温度系数 t 温度变化值 t t t0 当温度变化 t时 电阻丝电阻的变化值为 R Rt R0 R0 0 t 2 试件材料和电阻丝材料的线膨胀系数的影响当试件与电阻丝材料的线膨胀系数相同时 环境温度变化不会产生附加变形 当试件与电阻丝材料的线膨胀系数不同时 环境温度变化 电阻丝会产生附加变形 从而产生附加电阻变化 设电阻丝和试件在温度为0 时的长度均为l0 它们的线膨胀系数分别为 s和 g 若两者不粘贴 则它们的长度分别为 ls l0 1 s t lg l0 1 g t 当两者粘贴在一起时 电阻丝产生的附加变形 l 附加应变 和附加电阻变化 R 分别为 由于温度变化而引起的应变片总电阻相对变化量为 结论 因环境温度变化而引起的附加电阻的相对变化量 除了与环境温度有关外 还与应变片自身的性能参数 K0 0 s 以及被测试件线膨胀系数 g有关 2 2 2电阻应变片的温度补偿方法电阻应变片的温度补偿方法通常有线路补偿和应变片自补偿两大类 电桥补偿是最常用且效果较好的电阻片温度误差补偿方法 电桥补偿法 电路分析 g为由桥臂电阻和电源电压决定的常数 由上式可知 当R2和R4为常数时 R1和R2对电桥输出电压Uo的作用方向相反 利用这一基本关系可实现对温度的补偿 测量方法 当被测试件不承受应变时 R1和R2又处于同一环境温度为t的温度场中 调整电桥参数使之达到平衡 此时有 工程上 一般按R1 R2 R2 R4选取桥臂电阻 温度补偿的实现 当温度升高或降低 t t t0时 两个应变片因温度而引起的电阻变化量相等 电桥仍处于平衡状态 即 应变的测量 被测试件有应变 的作用 则工作应变片电阻R1又有新的增量 R 1 R1K 而补偿片因不承受应变 故不产生新的增量 此时电桥输出电压为 可见 电桥的输出电压Uo仅与被测试件的应变 有关 而与环境温度无关 注意补偿条件 在应变片工作过程中 保证R2 R4 R1和R2两个应变片应具有相同的电阻温度系数 线膨胀系数 应变灵敏度系数K和初始电阻值R0 粘贴补偿片的补偿块材料和粘贴工作片的被测试件材料必须一样 两者线膨胀系数相同 两应变片应处于同一温度场 2 4应变式传感器的应用 应变片能将应变直接转换成电阻的变化其他物理量 力 压力 加速度等 需先将这些量转换成应变 弹性元件应变式传感器的组成 弹性元件 应变片 附件 补偿元件 保护罩等 2 4 1应变式力传感器被测物理量 荷重或力 主要用途 作为各种电子称与材料试验机的测力元件 发动机的推力测试 水坝坝体承载状况监测等 力传感器的弹性元件 柱式 筒式 环式 悬臂式等 图2 9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 1 柱 筒 式力传感器 2 环式力传感器 对R h 5的小曲率圆环 A B两点的应变 这样 测出A B处的应变 即可得到载荷F 内贴取 一 内贴取 式中 h 圆环厚度 b 圆环宽度 E 材料弹性模量 2 4 2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 应变片压力传感器大多采用膜片式或筒式弹性元件 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 应变变化曲线的特点 当x 0时 rmax tmax 当x R时 t 0 r 2 rmax 特点的应用 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 避开位置 图2 12应变片液体重量传感器 2 4 2应变式容器内液体重量传感器 感压膜感受上面液体的压力 当容