第7章 应变式传感器

measurement&processcontroltechnology,KunmingUniversityofScienceandTechnologyDepartmentofAutomationEngineering,InformationalfacultySpring2010,检测及过程控制技术Measurement&ProcesscontrolTechnology,昆明理工大学信自学院自动化系,measurement&processcontroltechnology,昆明理工大学信自学院,检测及过程控制系统Measurement&ProcesscontrolTechnology第七章应变式传感器,measurement&processcontroltechnology,第7章应变式传感器,本章教学目标通过本章学习，掌握金属应变片式传感器的构成原理及特性，对电阻应变片测量桥路的分析，掌握测量电桥的结构、形式、特点以及相关的测量计算。,measurement&processcontroltechnology,第7章应变式传感器,7.1、应变片17.2、测量电路7.3、应变片传感器,measurement&processcontroltechnology,第7章应变式传感器,第7.1节应变片7.1.1、应变片应变效应7.1.2、应变片的结构、材料7.1.3、主要特性,measurement&processcontroltechnology,第7.1节应变片,7.1.1、应变片应变效应一根金属丝长度为，截面积为，电阻率为其电阻两边取对数、微分：整理得,measurement&processcontroltechnology,第7.1.1节应变片的应变效应,由材料力学可知：且,（轴向应变量）,（径向应变量）,（-金属材料的泊松系数）,（c为常数）,所以整理可得:,measurement&processcontroltechnology,第7.1.1节应变片的应变效应,其中称为金属丝的灵敏系数（一般在1.83.6）用增量形式：,measurement&processcontroltechnology,第7.1.2节应变片的结构、材料,1.结构有丝状应变片和箔状应变片如图所示,但它们均由敏感栅1，基底2，盖片3，引线4和粘结剂1等组成。其中丝状直径0.0150.05mm；箔状厚度,0.0030.010mm电阻应变片的阻值由60、120、200等各种规格，常用120,measurement&processcontroltechnology,第7.1.2节应变片的结构、材料,2.材料,measurement&processcontroltechnology,第7.1.3节应变片的主要特性,1.灵敏系数K和横向效应（1）灵敏系数K金属应变片试验测定（2）横向效应,线性范围宽,（原因在于横向效应）,如图所示：敏感栅两端为半圆弧横栅，在测量时，电阻应变片电阻变化既受轴向应变影响又受横向应变影响，这种现象称之为横向效应,横向效应导致，所以为了克服其影响，一般栅的形状既窄又长，以减少横向效应引起的误差。,measurement&processcontroltechnology,第7.1.3节应变片的主要特性,4.温度误差及其补偿1.温度误差金属应变片测量时，因环境温度变化(t)而引起的电阻阻值的变化主要有两个因素（1）应变片电阻丝温度系数而产生的误差（2）电阻丝膨胀系数与测试试件的膨胀,measurement&processcontroltechnology,第7.1.3节应变片的主要特性,4.温度误差及其补偿1.温度误差系数之间不同而产生误差,其中称为附加应变值,因此,综合以上两个因素，其应变片由温度变化效应而产生的应变形式的热输出误差,measurement&processcontroltechnology,第7.1.3节应变片的主要特性,4.温度误差及其补偿1.温度误差,热输出误差,其中,称为虚假应变,measurement&processcontroltechnology,第7.1.3节应变片的主要特性,4.温度误差及其补偿2.温度补偿（1）自补偿应变片1）单丝自补偿应变片使得在试件确定的情况下，选择相应的应变片，使得应变片敏感栅金属丝的、满足上述关系式。2）双丝组合补偿应变片如图所示由两种不同电阻温度系数,即,measurement&processcontroltechnology,第7.1.3节应变片的主要特性,4.温度误差及其补偿2.温度补偿2）双丝组合补偿应变片如图所示由两种不同电阻温度系数,(一正、一负)的金属丝材料串联组成敏感栅以满足，在一定的温度范围内则热输出变化以上两种方法，均从敏感栅上加以选择处理实现补偿。简单，但是范围窄，有一定的局限性。,measurement&processcontroltechnology,第7.1.3节应变片的主要特性,4.温度误差及其补偿2.温度补偿（2）电路补偿法实际测量中采用电路补偿法，如右图所示桥路。,工作应变片，补偿应变片（不承受力但与处于同环境温度下）,固定电阻,measurement&processcontroltechnology,第7.1.3节应变片的主要特性,（2）电路补偿法初始桥输出,1）当环境温度变化t时，（、处于同一温度场）,measurement&processcontroltechnology,第7.1.3节应变片的主要特性,1）当环境温度变化t时，（、处于同一温度场）温度对于应变片产生的通过桥路输出相互抵消实现温度的自补偿。2）当应变片（工作应变片）受力产生应变输出,（其中）,则,measurement&processcontroltechnology,第7.1.3节应变片的主要特性,2）当应变片（工作应变片）受力产生应变输出其中(应变片的变化输出)应变片（补偿应变片）不受力的作用其中(温度影响引起的变化输出)则由此看出桥输出只与（工作应变片）应变量有关；而与温度引起的误差无关。从而起到了电桥自动补偿效果。,整理后：,measurement&processcontroltechnology,第7.1.3节应变片的主要特性,3）以上电路补偿的条件a)均为同一型号的应变片b)粘贴的工作试件和的构件，两者材料相同c)和两应变片处于同一温度环境中4）采用差动测量，既能实现电路补偿，又能提高桥输出灵敏度。如图所示悬臂梁测试试件。均为工作应变片，在力F的作用下以及环境温度的变化下,measurement&processcontroltechnology,第7.1.3节应变片的主要特性,4）采用差动测量，既能实现电路补偿，又能提高桥输出灵敏度。其中在拉伸力的作用下,产生在挤压力的作用下,产生,measurement&processcontroltechnology,第7.1.3节应变片的主要特性,4）采用差动测量，既能实现电路补偿，又能提高桥输出灵敏度。将接入桥路的相邻臂上则整理后：2倍的原来输出以上我们称为差动测量方法，可以起到两个作用：a)实现应变片温度的自补偿，消除温度引起的误差。b)提高电路输出的灵敏度，是原来单个工作应变片输出的2倍。,measurement&processcontroltechnology,第7章应变式传感器,第7.2节测量电路7.2.1、测量电桥形式特点7.2.2、测量电桥的输出分析7.2.3、电桥输出非线性误差分析,measurement&processcontroltechnology,第7.2节测量电路,7.2.1、测量电桥形式特点测量桥路可以是直流电桥或是交流电桥，在此我们分析直流电桥。桥的作用是将应变片产生的应变而引起的电阻变化量转换成电压变化量或电流变化量输出传送如图所示。根据桥臂电阻（）的不同配制，可以有的几种形式,measurement&processcontroltechnology,第7.2节测量电路,7.2.1、测量电桥形式特点1）按臂电阻不同配制分a）等臂桥b）输出对称桥，又称第一对称桥c)电源对称桥，又称第二对称桥2）按工作应变片分a）为工作应变片，为补偿应变片(续),measurement&processcontroltechnology,第7.2节测量电路,7.2.1、测量电桥形式特点2)按工作应变片分a）为工作应变片，为补偿应变片（为固定电阻）单臂桥b）、为工作应变片，（为固定电阻）双臂桥，当时称双桥形式的差动半桥。c）均为工作应变片全桥，当,measurement&processcontroltechnology,第7.2节测量电路,7.2.1、测量电桥形式特点2)按工作应变片分c）称为全桥形式的差动测量桥，其应变片在悬臂桥试件上的粘贴方式如图所示7.2.2、测量电桥的输出分析,measurement&processcontroltechnology,第7.2节测量电路,7.2.2、测量电桥的输出分析以单个工作应变片组成单臂桥输出为例，当初始平衡平衡条件或,measurement&processcontroltechnology,第7.2节测量电路,7.2.2、测量电桥的输出分析当工作应变片产生一个因为忽略分母中的,（不考虑环境温度的影响）,measurement&processcontroltechnology,第7.2节测量电路,7.2.2、测量电桥的输出分析则下面分别讨论各种形式桥的输出情况（均为单臂工作形式）（1）等臂桥则：,measurement&processcontroltechnology,第7.2节测量电路,7.2.2、测量电桥的输出分析（2）第一对称桥则：（3）第二对称桥则：,其中：,measurement&processcontroltechnology,第7.2节测量电路,7.2.2、测量电桥的输出分析（3）第二对称桥a）b）除此之外，灵敏度下降。而且当时，桥输出灵敏度下降很快。（4）差动形式的半桥和全桥输出（以等臂桥为例）a）差动半桥输出在悬臂梁上粘贴形式如图所示,measurement&processcontroltechnology,第7.2节测量电路,7.2.2、测量电桥的输出分析（4）差动形式的半桥和全桥输出（以等臂桥为例）a）差动半桥输出（是单臂形式的2倍关系）b）差动全桥输出均为工作应变片，粘贴形式如右图,measurement&processcontroltechnology,第7.2节测量电路,7.2.2、测量电桥的输出分析（4）差动形式的半桥和全桥输出（以等臂桥为例）b）差动全桥输出其中所以7.2.3、电桥输出非线性误差分析上述分析电桥输出时，考虑得出上述输出成线性关系，当条件不成立时，则上述输出关系式必存在非线性误差。,（是单臂形式的4倍关系）,measurement&processcontroltechnology,第7.2节测量电路,7.2.3、电桥输出非线性误差分析（1）等臂桥、第一对称单臂工作下误差分析展开式：则,measurement&processcontroltechnology,第7.2节测量电路,7.2.3、电桥输出非线性误差分析（1）等臂桥、第一对称单臂工作下误差分析如果当相对误差时，则也就是应变值时，桥输出相对误差,(忽略高次项),measurement&processcontroltechnology,第7.2节测量电路,7.2.3、电桥输出非线性误差分析（2）第二对称单臂工作下误差分析整理得则相对误差,(忽略高次项),measurement&processcontroltechnology,第7.2节测量电路,7.2.3、电桥输出非线性误差分析（2）第二对称单臂工作下误差分析a）当时等臂桥、第一对称桥大b）当时会降低，但是该桥的灵敏度下降很快,非线性误差将,则,measurement&processcontroltechnology,第7.2节测量电路,7.2.3、电桥输出非线性误差分析（2）第二对称单臂工作下误差分析c）当时（3）差动半桥、差动全桥的误差情况根据对差动形式的电桥分析，我们可以知道在输出表达式中，分母中已经不存在的分量，所以也就不存在非线性误差的因素。我们可以得到：差动测量可以消除非线性误差因素这样一个结论。,则情况等同于等臂或第一对称桥,measurement&processcontroltechnology,第7章应变式传感器,7.1、应变片7.2、测量电路7.3、应变片传感器,measurement&processcontroltechnology,第7章应变式传感器,第7.3应变片传感器7.3.1、组成和形式7.3.2、应变片式传感器的特点,measurement&processcontroltechnology,第7.3节应变片传感器,7.3.1、组成和形式1.作用金属应变片除了测定试件应力，应变外，还可以组成各种应变片传感器来测量力、扭矩、加速度、压力等其他物理量。2.组成一般应变片式传感器包括两个部分a）弹性敏感元件，将被测量（力、扭矩、加速度、压力等）转换成弹性体的应变值。b）应变片元件，称之为转换元件将应变值转化为电阻的变化值,measurement&processcontroltechnology,第7.3节应变片传感器,7.3.1、组成和形式3.形式包括柱式力传感器，梁式力传感器、应变式压力传感器、应变式加速度传感器等等。a）其中柱式如图所示其中,轴向应变值-拉伸圆周方向应变值(横向应变值)：,第7.3节应变片传感器,7.3.1、组成和形式3.形式b)梁式如图所示(悬臂梁式)则等强度两各点应变值其中：梁上面应变片R1受拉伸力产生轴向应变梁下面应变片R2压缩力产生轴向应变,measurement&processcontroltechnology,第7.3节应变片传感器,7.3.2、应变片传感器的特点金属应变片粘贴在测试试件（弹性体）表面上，试件受力变形，应变片敏感栅随同形变引起应变片阻值变化，通过测量电桥转换成电压或电流信号输出。作为目前非电量电测技术中非常重要的检测手段，广泛应用于工程检测，科学实验中，它具有以下特点1）精度高，测量范围广，对力而言可以从零点几个N至几百个KN精度可达0.05%F.S(满量程)2）频率响应好,响应时间S频率可达上百KHz3）结构简单，体积小，易于小型化、固态化，价格低廉4）可在高温、低温、振动、高压、强磁等恶劣条件下工作。,measurement&processcontroltechnology,第7章应变式传感器,7.1、应变片7.2、测量电路7.3、应变片传感器7.4、本章作业练习（或案例）,measurement&processco