第二章温度补偿

.,非电量电测技术,第二章应变式传感器,二、交流电桥,直流电桥优点：电源稳定、平衡电路简单，仍是主要测量电路；缺点：直流放大器较复杂，存在零漂和工频干扰。交流电桥优点：放大电路简单无零漂，不受干扰，为特定传感器带来方便；缺点：需专用测量仪器或电路，不易取得高精度。交流电桥由于引线分布参数的影响以及平衡调节、后续放大的影响与直流电桥有明显的差别。,.,非电量电测技术,第二章应变式传感器,二、交流电桥,交流电桥由单频交流电源供电，交流电桥各臂的电阻要考虑分布电容的影响，这时桥臂不再是纯电阻了，可将桥臂视为复阻阻抗，分别为电源电压、输出电压分别用复数表示交流电桥输出特征方程为,交流电桥,.,非电量电测技术,第二章应变式传感器,二、交流电桥,式中：x电抗、r电阻、Z复数的模、幅角用指数形式代入得到交流电桥平衡条件，需满足两个方程式：对臂复数的模积相等，幅角之和相等。,交流电桥平衡条件：,设各桥臂阻抗:,.,非电量电测技术,第二章应变式传感器,二、交流电桥,已知,忽略分母项,交流半桥输出：,交流单桥输出：,其中,Z1=R1/XC1,交流电桥输出：,.,非电量电测技术,第二章应变式传感器,二、交流电桥,若半桥Z3、Z4为固定电阻，Z1、Z2为两个应变片阻值为R1、R2，分布电容为C1、C2，电桥平衡时实部、虚部分别相等。交流电桥除满足电阻平衡条件外,还必须要满足电容平衡条件：,交流电桥输出用以上参数代入（半桥）,当应变引起阻抗变化时,有（增、减）阻抗变化,.,非电量电测技术,第二章应变式传感器,二、交流电桥,讨论：输出电压U0有两个分量：前一个分量的相位与输入电源电压U同相，叫同相分量；后一个分量的相位与电源U的相位相差900，叫正交分量。两个分量均是R的调幅波，若采用普通二极管检波电路无法检测出调制信号R，必须采用相敏检波电路。相敏检波器只检出同相分量和反相的调制信号，对正交分量不起检波作用，只起到滤除作用。,.,非电量电测技术,第二章应变式传感器,二、交流电桥,实际应用时，一般情况分布电容会很小，满足RC1例：电源频率f=1000Hz，R=120，C=1000pFRC7.510-4,ZR，ZR,即信号频率不高时，分布电容C很小时，交流应变电桥仍可看成纯电阻性电桥,所以输出电压在输出输入同频同相时可写为,.,非电量电测技术,第二章应变式传感器,二、交流电桥,电容平衡电路调节交流高次谐波,电阻平衡电路调节直流基波成分,平衡电路：事实上交流电桥很难处于平衡状态，只能使零输出尽量小，所以会产生零输出，因此须设置平衡电路。,R5R6组成电阻平衡调节电路，改变R6使R1R2R5电阻值变化,C、R组成电容平衡调节电路，改变R使Z1Z2阻抗变化,.,非电量电测技术,第二章应变式传感器,二、交流电桥,平衡电路：,.,非电量电测技术,第二章应变式传感器,应变片安装在自由膨胀的试件上，如果环境温度变化，应变片的电阻也会变化，这种变化叠加在测量结果中称应变片温度误差。应变片温度误差来源有两个主要因素：,电阻丝阻值与温度关系：,三应变片温度误差及补偿,环境温度变化t时，电阻丝的电阻变化为,1.应变片温度误差,式中：R0是温度为t0时的金属丝电阻值；t是应变片电阻温度系数。,.,电阻丝材料与测试材料的线膨胀系数不同。,第二章应变式传感器,非电量电测技术,由于敏感栅材料和被测构件材料两者线膨胀系数不同，当t存在时，引起应变片的附加应变，设,则电阻丝产生的附加形变,则电阻丝产生的附加应变为：,.,第二章应变式传感器,因试件使应变片电阻产生附加形变造成的电阻变化,温度变化t时引起总的电阻变化Rt,式中：k为应变片灵敏度;t电阻温度系数;s电阻丝膨胀系数;g试件膨胀系数.,非电量电测技术,.,第二章应变式传感器,电阻丝阻值与温度关系：,因环境温度改变引起的附加电阻变化与以下内容有关:环境温度变化t；应变片本身的性能参数_应变片灵敏度k;电阻丝温度系数t、膨胀系数s；试件参数g。,折合成应变量（温度变化引起）,非电量电测技术,.,第二章应变式传感器,温度补偿方法有：线路补偿、自补偿、辅助测量补偿、热敏电阻补偿、计算机补偿等。,自补偿法，具有温度补偿作用的应变片RB称为补偿片,用特制的温度补偿片进行补偿。当温度变化时产生的附加应变相互抵消，补偿片制作的原理是使t=0。,被测材料g给定，制作中改变栅丝的合金成分，控制温度系数t，使s、g抵消。,2.应变片温度补偿,非电量电测技术,.,双丝组合式自补偿应变片是由两种不同电阻温度系数（一种为正值，一种为负值）的材料串联组成敏感栅，以达到一定的温度范围内在一定材料的试件上实现温度补偿的，如图。这种应变片的自补偿条件要求粘贴在某种试件上的两段敏感栅，随温度变化而产生的电阻增量大小相等，符号相反，即(Ra)t=(Rb)t,.,第二章应变式传感器,如果R1R4=R2R3，电桥平衡时输出为零；若R1、RB温度系数相同，当无应变而温度变化时R1=R2，电桥平衡；当有应变时，R1有增量R1，R1=R1k0，补偿片无变化，R2=0；此时电桥的输出电压与温度无关,测量应变时，使用两个应变片，一片贴在被测试件的表面，图中R1称为工作应变片。另一片贴在与被测试件材料相同的补偿块上，图中R2，称为补偿应变片,非电量电测技术,桥路补偿法,.,非电量电测技术,第二章应变式传感器,2.4应变式传感器的应用（1）电阻应变仪,电阻式应变传感器的应用主要分为两大类：1.与弹性元件组合使用，测量力、压力、位移、速度、加速度等物理量（如电子秤）。2.应变片直接粘贴在被测试件上测量构件的应力、应变、形变（一次性使用）；通过电阻应变仪实现应变测量.,电阻应变仪是直接测量应变的专用仪器，在科研和工业生产中常常要对构件或组件的应变进行测量。如:测量高压容器的变形时压力高压气瓶、高压锅炉、高压锅;机械设备的构件形变研究火炮炮管、汽车底盘、飞机机翼。,.,非电量电测技术,第二章应变式传感器,2.4应变式传感器的应用（1）电阻应变仪,按测量应变力的频率可分为静态应变仪,动态应变仪又可细分为：静态5Hz；静动态几百Hz；动态5KHz；超动态几十KHz。不同应变频率范围的应变仪，数据采集与数据处理电路有较大差别。,.,非电量电测技术,第二章应变式传感器,2.4应变式传感器的应用（1）电阻应变仪,应变仪电路主要包括:电桥、振荡器、放大器、相敏检波器、滤波器、转换和显示,.,非电量电测技术,第二章应变式传感器,2.4应变式传感器的应用（1）电阻应变仪,音频振荡器、电桥、差动放大器、相敏检波器、移相器、滤波器、显示,应变仪实验电路,.,非电量电测技术,第二章应变式传感器,2.4应变式传感器的应用（1）电阻应变仪,交流电桥，测20-200Hz应变力，输出调幅调制波；振荡器，产生400-2000Hz等幅正弦波提供电桥电压和相敏检波器参考电压；差动放大器，将电桥输出信号放大,调幅波的负应变信号反向输出;相敏检波器，如果应变有拉和压应变，可通过相敏检波电路区分双向信号；低通滤波器去掉高频保留低频应变信号,还原被检测的信号。相移器，相敏检波器的参考信号与被测信号有严格的相位关系,相敏检波电路要求相位可调，由相移电路完成。,.,非电量电测技术,第二章应变式传感器,2.4应变式传感器的应用,桥梁固有频率测量,悬臂梁固有频率测量,.,非电量电测技术,第二章应变式传感器,2.4应变式传感器的应用,桥梁固有频率测量电路,频率计,.,非电量电测技术,第二章应变式传感器,2.4应变式传感器的应用,力传感器的弹性元件有：柱式、梁式、环式、轮辐式等柱式力传感器有空心（筒形）、实心（柱形）两种,在圆筒（柱）上按一定方式粘贴应变片，圆筒（柱）在外力F作用下产生形变，对实心圆柱作用产生的应变为：,式中：L为弹性元件的长度；E为弹性模量；S为弹性元件的横截面积；应力=F/S；可见应变与力成正比关系，要提高变换灵敏度必须减小横截面积S，但S小抗弯能力差易产生横向干扰。为解决这一矛盾多采用空心圆筒，空心圆筒在同样横截面积情况下横向刚度大。,（2）力传感器（测力与秤重）,.,非电量电测技术,第二章应变式传感器,2.4应变式传感器的应用,实心圆柱H2D+L空心圆柱HDd+L,试验研究结果建议选用以下公式：,H柱高,D外径,d空心内径,L应变片基长柱式力传感器量程在0.1100吨之间，国产有BLR-1型测拉力、BHR型测荷重传感器,火箭发动机实验台架都采用空心圆柱结构。,（2）力传感器,.,非电量电测技术,第二章应变式传感器,2.4应变式传感器的应用,圆柱面展开的应变片粘贴图,（2）力传感器,.,非电量电测技术,第二章应变式传感器,2.4应变式传感器的应用,应变片均匀贴在圆柱表面中间部分，R1R3、R2R4串联摆放在两对臂内，当有偏心应力时，一方受拉另一方受压产生相反变化，可减小弯矩的影响。横向粘贴应变片为温度补偿片有提高灵敏度的作用。,桥路连接图,灵敏度按半桥计算，电桥输出为,R=R1=R2=R3=R4，受力方向相同,（2）力传感器,.,非电量电测技术,第二章应变式传感器,2.4应变式传感器的应用,荷重传感器弹性元件形式,（2）力传感器,柱式力传感器,.,非电量电测技术,第二章应变式传感器,2.4应变式传感器的应用,等截面梁悬臂梁的横截面积处处相等，所以称等截面梁。当外力F作用在梁的自由端时，固定端产生的应变最大，粘贴在应变片处的应变为：,式中：是梁上应变片至自由端距离，b、h分别为梁的宽度和梁的厚度。,悬臂梁式力传感器等截面梁、等强度梁两种形式，弹性元件一端固定,力作用在自由端,（2）力传感器,.,非电量电测技术,第二章应变式传感器,2.4应变式传感器的应用,等截面梁因为应变片的应变大小与力作用的距离有关，所以应变片应贴在距固定端较近的表面，顺梁的方向贴上下各贴两只。四个应变片组成全桥，上面两个受压时下面两个受拉。保证对臂同极性、邻臂反极性连接。这种传感器适用于测量500Kg以下荷重。,（2）力传感器,.,非电量电测技术,第二章应变式传感器,2.4应变式传感器的应用,等强度梁：悬臂梁长度方向的截面积按一定规律变化，是一种特殊形式的悬臂梁。当力作用在自由端时，距作用点任何截面积上应力相等，应变片的应变大小为：,为梁的长度,当力作用在自由端时，梁表面产生应变相等，对应变片粘贴位置要求不严，使用更为方便。,（2）力传感器,.,非电量电测技术,第二章应变式传感器,2.4应变式传感器的应用,各种形式梁,（2）力传感器,.,非电量电测技术,第二章应变式传感器,2.4应变式传感器的应用,各种平行双孔梁,各种形式的应变梁,（2）力传感器,S型拉力梁,称重测力传感器剪切梁式,测扭矩力,.,非电量电测技术,第二章应变式传感器,2.4应变式传感器的应用,轮辐式传感器结构主要由五个部分组成：轮轱、轮圈、轮辐条、受拉和受压应变片,通过测量轮辐条对角线方向(450)的线应变测力。8个应变片分别粘贴在四个轮辐条的正反两面组成全桥.扁平外型有大的抗载能力，可承受大的偏心度和侧向力，埋在地下用于测量行走中的拖车、卡车，可根据输出对超载车辆报警。,轮辐式测力传感器（剪切力）,（2）力传感器,侧视,俯视,.,非电量电测技术,第二章应变式传感器,2.4应变式传感器的应用,轮辐式测力传感器（剪切力）,（2）力传感器,汽车衡器,电子台秤,.,非电量电测技术,第二章应变式传感器,2.4应变式传感器的应用,膜片式传感器的弹性敏感元件是一个圆形的金属膜片，应变片粘贴在膜片上。金属元件的膜片周边被固定;当膜片一面受压力P作用时，膜片的另一面有径向应变r和切向应变t。应变值分别为：,式中：r膜片半径h膜片厚度E膜片弹性模量膜片泊松比x任意点离圆心距离,膜片式压力传感器,（2）力传感器,P,.,非电量电测技术,第二章应变式传感器,2.4应变式传感器的应用,膜片中心处，x=0，r与t都达到正的最大值，这时切向应变和径向应变为：膜片边缘处x=r,切向应变t=0,径向应变r达到负的最大值。径向应变r=0处的位置，在距圆心的圆环附近。,膜片式压力传感器,（2）力传感器,.,非电量电测技术,第二章应变式传感器,根据应力分布粘贴四个应变片，R2、R3粘贴在正的最大区域,R1、R4粘贴在负的最大区域,即是粘贴在r=0.58的内外两侧。R1、R4测量径向应变r（负），R2、R3测量切向应变t（正），四个应变片组成全桥，即可增大传感器的灵敏度又起到温度补偿作用。传感器一般可测量105106Pa的压力。,2.4应变式传感器的应用,膜片式压力传感器,（2）力传感器,.,非电量电测技术,第二章应变式传感器,2.4应变式传感器的应用,基本结构由悬臂梁、应变片、质量块、机座外壳组成。悬臂梁（等强度梁）自由端固定质量块，壳体内充满硅油，产生必要的阻尼。,应变式加速度传感器,（2）力传感器,当壳体与被测物体一起作加速度运动时，悬臂梁在质量块的惯性作用下作反方向运动，使梁体发生形变，粘贴在梁上的应变片阻值发生变化。通过测量阻值的变化求出待测物体的加速度。,.,非电量电测技术,第二章应变式传感器,2.4应变式传感器的应用,应变式加速度传感器,（2）力传感器,应变片式加速度传感器不适于测较高频率的振动冲击,常用于低频振动测量,范围在1060Hz.,.,非电量电测技术,第二章应变式传感器,2.4应变式传感器的应用,电子秤应用电路,（2）力传感器,集成器件MC14433为A/D转换集成块，4511为LED显示驱动，1413为位选，1403提供主集成电路稳定比较电压，7650为斩波稳零单片集成运算放大器，放大传感器输出的电压信号。传感器用BLR型拉压式传感器，图中RA、RB、RC、RD为传感器中应变电阻。稳压电路7805向整个电路提供5V电压，7805的输人电压在815V时正常工作。也可用交流220V降压、整流、滤波后，提供给仪器使用。,.,电子秤应用电路,.,非电量电测技术,第二章应变式传感器,2.4应变式传感器的应用,电子皮带秤原理,（2）力传感器,测量皮带运输机上传送固体物料的瞬时值和输出总量；系统需要通过测力和测速两套测试装置实现；若单位皮带长度的物料重p，皮带的运行速度是，输送物料的瞬时量Q=p之积（单位时间重量）,将该量对输送时间t积分可得出输出总量。,.,非电量电测技术,第二章应变式传感器,2.4应变式传感器的应用,电子皮带秤原理,（2）力传感器,电桥输出：U=UiR/R放大检波输出：U0R/RUi瞬时显示：Q=p输出总量=Qdt,.,