wy-能量控制型传感器PPT课件

1 例题 带负载的线性电位器传感器电路如下图所示 图中 计算电刷位移为时传感器电阻值Rx和空载输出电压Ux 若负载 则输出电压变为多少 分析负载误差 解 位移x 30cm时传感器电阻和空载输出电压分别为 若带负载 则输出电压为 带负载电位器传感器电路图 2 引起的负载误差 空载特性与带负载的特性之间的偏差 为 若 则 引起的负载误差为 由此可见 欲使负载误差小于1 0 必须保证负载电阻 3 3 2应变片式电阻传感器 3 2 1电阻应变片的工作原理电阻应变片的工作原理基于电阻应变效应 在导体产生机械变形时 它的电阻发生相应的变化 电阻丝未受力时 原始电阻为R 式中 电阻丝的电阻率 l 电阻丝的长度 S 电阻丝的截面积 电阻丝在外力F作用下 将引起电阻变化 R 且有 式中 电阻丝的电阻率变化 l 电阻丝的长度变化 S 电阻丝的截面积变化 4 电阻丝的轴向应变径向应变 或横向应变 由材料力学可知 定义 单位应变所引起的电阻相对变化 电阻的灵敏系数k0 电阻丝的灵敏度k0由两部分组成 1 1 2 受力后 由材料的几何尺寸变化引起的 2 由材料电阻率变化所引起的 对于金属材料 2 比 1 小很多 可以忽略 5 3 2 2金属电阻应变片主要特性 1 金属电阻应变片结构及材料金属电阻应变片分为金属丝式和金属箔式两种 1 金属丝式电阻应变片由敏感栅 基底 盖层 粘结剂和引线等组成 敏感栅是最重要的部分 栅丝直径一般为0 015 0 05mm 根据用途不同 栅长可为0 2 200mm 基底和盖层用来保持敏感栅 引线的几何形状和相对位置 基底做得很薄 0 02 0 4mm 可将被测件上的应变迅速 准确地传送到敏感栅上 若用专门的薄纸制成 称为纸基 若用各种粘结剂和有机树脂膜制成的 称为胶基 现在多采用胶基 a 应变片的基本结构b 箔式应变片敏感栅的基本结构1 基底2 敏感栅3 盖层4 引线L 栅长b 基宽图3 9金属丝式电阻应变片的基本结构 6 a 箔式单向应变片b 箔式转矩应变片c 箔式压力应变片d 箔式花状应变片图3 10各种箔式应变片 2 金属箔式应变片与金属丝应变片相比 有如下优点 1 用光刻技术能制成各种复杂形状的敏感栅 应变花 1 10um的厚度 敏感多个方向应变 2 横向效应小 3 散热性好 允许通过较大电流 可提高相匹配的电桥电压 从而提高输出灵敏度 4 疲劳寿命长 蠕变小 5 生产效率高 箔式应变片的电阻值的分散性比较大 有的能相差几十欧姆 需要调整阻值 端部肥大 减少应变片的横向灵敏度 7 对金属应变片敏感栅材料的基本要求 1 灵敏系数k0值大 并且在较大应变范围内保持常数 2 电阻温度系数小 3 电阻率大 4 机械强度高 且易于拉丝或辗薄 5 与铜丝的焊接性好 与其他金属的接触热电动势小 敏感栅常用的材料有 康铜 镍铬合金 镍铬铝合金 铁铬铝合金 铂和铂钨合金等 见表3 1 P23 P24 8 2 电阻应变片主要特性 1 灵敏系数k应变片的灵敏系数一般由实验方法求得 因为应变片粘贴到试件上就不能取下再用 所以不能对每一个应变片的灵敏度系数进行标定 只能在每一批产品中抽取一定百分比的产品进行标定 然后取平均值作为这一批产品的灵敏系数 实验证明 应变片的灵敏系数在很大范围内能保持常数 9 2 电阻应变片主要特性 续 2 横向效应沿应变片轴向的应变 纵向应变 应变片电阻变化沿垂直与应变片轴向的应变 横向应变 电阻变化横向应变的产生和影响与应变片的结构有关 比如敏感栅的丝绕应变片片内横向效应比较严重 而箔式应变片 横向效应较小 3 机械滞后 零漂及蠕变1 机械滞后应变片安装在试件上后 在一定温度下 应变片电阻相对变化 i R R 与机械应变 R之间的加载 正行程 和卸载 反行程 的特性曲线 如图所示 若正 反行程曲线不重合 称为机械滞后 两曲线之间的最大差值 m称为应变片的滞后值 机械应变 指示应变 或电阻相对变化 10 2 零漂已粘贴的应变片 在温度保持恒定 试件上没有应变的情况下 应变片的指示应变会随时间的增长而逐渐变化 这种现象称为零漂 应变片的零点漂移 3 蠕变已粘贴的应变片 在温度保持恒定 试件长时间承受某一恒定的机械应变 应变片的指示应变会随着时间而变化 这种现象称为蠕变 应变片工作时 零漂和蠕变是同时存在的 在蠕变之中包含着同一时间内的零漂值 零漂和蠕变是用来衡量应变片特性对时间的稳定性 这两项指标需要长时间的测量 11 4 温度效应粘贴在试件上的电阻应变片 感受机械应变 电阻相对变化环境温度变化 电阻相对变化 虚假应变 称为温度效应 温度对电阻应变片的两种主要影响 1 敏感栅的电阻温度系数 t 电阻变化2 敏感材料和试件材料的膨胀系数不同 电阻变化 5 绝缘电阻和最大工作电流应变片的绝缘电阻Rm 已粘贴的应变片的引线与被测试件之间的电阻值 应变片的最大工作电流Im 对已安装的应变片 允许通过敏感栅而不影响其工作特性的最大电流 12 3 2 3温度误差及其补偿环境温度发生变化时 由于敏感栅温度系数 栅丝与试件膨胀系数不同而产生的虚假应变 有时会与真实应变同数量级 因此 必须采取温度补偿 以线路补偿法为例 在分析线路补偿法之前 先来理解电桥平衡 以直流电桥为例分析 供桥电压 输出电压 要使输出电压为零 应满足 电桥平衡的条件 相对桥臂乘积相等或相邻桥臂电阻的比值相等 13 2 单臂电桥 将电阻应变片接入R1 而R2 R3 R4为固定电阻 初始电桥平衡 即 应变片工作时 R1 R 此时输出电压为 14 结论 1 电桥灵敏度kU正比于供桥电压U 供桥电压越高 灵敏度越高 但实际上 电桥电压U不能无限提高 它受应变片最大允许功耗限制 2 通过适当的选择桥臂电阻比n 可提高电桥灵敏度 当n 1时kUmax U 4 15 结论 续 3 单臂电桥输出电压的非线性误差分析 理论上的输出电压UO 近似处 U与 R R成线性 实际上的输出电压UO1 U与 R R非线性 非线性误差 当时 16 作业 P48复习思考题10 17 全桥 四个桥臂电阻都是电阻应变片 且 则 结论 1 若相邻两桥臂同向变化 即 则输出电压为0 由各应变片产生的电压互相抵消 2 若相邻两桥臂反向变化 即 则各应变片产生的输出电压迭加 若 差动电桥 则 电桥电压的灵敏度kU U 是单臂电桥的4倍 18 以线路补偿法为例 如图3 12所示 工作应变片R1安装在被测试件上 另选一个与R1特性相同的补偿片RB 将其安装在与试件材料相同的某补偿块上 且该补偿块上的温度与试件相同 但不承受应变 显然 由温度造成的变化量 R1和 RB相同 R1和RB接入相邻桥臂上 根据电桥理论所知 相邻桥臂同向变化相互抵消 对输出UO没有影响 也就是说 UO与温度的变化无关 图3 12 19 应当指出 若要达到完全补偿 需满足下列三个条件 1 R1和RB应属于同一批号制造 即它们的电阻温度系数 线膨胀系数 和应变灵敏系数k都相同 两片的初始电阻值也要求一样 2 粘贴补偿片和粘贴工作片的构件材料必须一样 即要求两者的线膨胀系数一样 3 两应变片R1和RB处于同一温度场 上面三个条件并不容易满足 尤其是第三个条件 在某些条件下 可通过巧妙安装应变片而不需温度补偿 同时提高灵敏度 20 如图3 13a所示 在测量梁弯曲应变时 将R1和RB这2个应变片分别贴于梁的上下两面对称位置 当梁的上下面温度相同时 R1和RB可起温度补偿作用 上下对称的位置使R1和RB两电阻的变化值相同 符号相反 前提 R1和RB特性相同 将R1和RB两电阻应变片 按图3 12接入电桥 可提高灵敏度 从电桥理论可知 相邻桥臂反向变化 输出电压叠加 图3 13b 应变片不对称粘贴 其中两电阻应变量大小不同 但同样能实现温度补偿和提高灵敏度 图3 12 图3 13 应变片对称粘贴示意图应变片不对称粘贴示意图 21 3 2 5应变片式电阻传感器的应用举例1 应变式测力传感器荷重和拉压力传感器的弹性元件可以做成柱形 筒形 环形和梁形等 1 圆柱式力传感器 如图3 15a b 所示 应变片粘贴在外壁的中间部分 应力分布均匀 多片对称粘贴 圆柱面的开展图如图3 15c 所示 电桥连接如图3 15d 所示 考虑尽量减小载荷偏心和弯矩的影响 图3 15荷重传感器弹性元件的形式a 柱形b 筒形c 圆柱面展开图d 桥路连接图 荷重传感器原理演示 荷重传感器上的应变片在重力作用下产生变形 轴向变短 径向变长 22 汽车衡 可测拉力或压力的量程上限可达107N 在小荷 103 105N 时 可用空心筒式结构 当力与轴向一致时 应变片感受的纵向应变 沿圆周方向粘贴的应变片感受横向应变 23 汽车衡称重系统 24 图3 16梁式力传感器l 悬臂梁的长度l0 应变片中心到工作段的距离b 悬臂梁顶端宽度h 悬臂梁的厚度b0 悬臂梁根部宽度p 压力 M 正向转矩 M 负向转矩 2 梁式力传感器 梁有多种形式 如图3 16所示 等截面梁 等强度梁 双孔梁 S 形弹性梁 应变片在悬臂梁上的粘贴及变形 25 吊钩秤 人体秤 超市打印秤 磅秤 26 2 应变式转矩传感器测量转矩可以直接将应变片粘贴在被测轴上 或采用专门设计的转矩传感器 其原理如图3 17a所示 图3 17测量转矩a 应变片粘贴图b 桥路连接图 应变式数显扭矩扳手 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 27 3 应变式加速度传感器基本原理如图3 18所示 图3 18应变式加速度传感器1 质量块2 弹性