《应变式传感器》PPT课件

第3章应变式传感器,主要内容1.电阻应变片原理2.金属应变片的主要特性3.应变片测量电路4.应变式传感器的应用,传感器原理及应用,第3章应变式传感器,概述,电阻式应变传感器作为测力的主要传感器，测力范围小到肌肉纤维，大到登月火箭，精确度可到0.010.1%。有拉压式（柱、筒、环元件）、弯曲式、剪切式。应变式传感器特征：不同材料类型；金属应变片、半导体应变片应用范围；应变力、压力、转矩、位移、加速度；主要优点；使用简单、精度高、范围大体积小。,传感器原理及应用,第3章应变式传感器,概述,各种电子秤,广泛应用于,传感器原理及应用,第3章应变式传感器,3.1电阻应变片原理（1）应变效应,金属应变片结构：网状敏感栅高阻金属丝、金属箔基片绝缘材料盖片保护层,传感器原理及应用,第3章应变式传感器,3.1电阻应变片原理（1）应变效应,箔式应变片结构,导体或半导体在受到外界力的作用时，产生机械变形，机械变形导致其阻值变化，这种因形变而使阻值发生变化的现象称为应变效应。,第3章应变式传感器,3.1电阻应变片原理（1）应变效应,对于一长为L、横截面积为A、电阻率为的金属丝，其电阻值R为：,如果对电阻丝长度作用均匀应力，则、L、A的变化(d、dL、dA)将引起电阻R变化dR，dR可通过对上式的全微分求得：,电阻相对变化量为：,若电阻丝是圆形的，则A=r,对r微分得dA=2rdr，则：,由材料力学的知识：在弹性范围内，金属丝受拉力时，沿轴向伸长，沿径向缩短，则轴向应变和径向应变的关系为：y=-x为金属材料的泊松系数。,将（2-4）式、（2-5）代入（2-3）式得：,KS称为金属丝的灵敏系数，表示单位应变所引起的电阻的相对变化。,对于确定的材料，(1+2)项是常数，其数值约在12之间，对金属材料来说，电阻丝灵敏度要比d/x大的多，可以忽略。,上式表示金属丝的电阻相对变化与轴向应变成正比关系。,根据应力和应变的关系:应力=E，即，而dR，所以dR.,传感器原理及应用,第3章应变式传感器,3.1电阻应变片原理（1）应变效应,对于金属电阻丝=0.250.5(钢=0.285)k01+2k01.52金属应变片灵敏系数k0由材料的几何尺寸决定的应力=E可见应变R/R应力R/R通过弹性元件可将位移、压力、振动等物理量将应力转换为应变进行测量，这是应变式传感器测量应变的基本原理。,传感器原理及应用,第3章应变式传感器,3.1电阻应变片原理（2）压阻效应和压阻式传感器,半导体应变片又称压阻式传感器优点：灵敏度高、耗电少、有正负两种应力效应。缺点：受温度影响较大。,半导体材料的d/x项的值比(1+2)大的多，其灵敏度系数主要由压阻效应引起的电阻率的变化；灵敏系数远大于金属应变片的灵敏系数。,对半导体,已知固体受力引起的电阻变化为：,传感器原理及应用,第3章应变式传感器,3.1电阻应变片原理（3）应变片种类,按材料分：金属式：体型:丝式、箔式、薄膜型半导体式体式：体型、薄膜型、扩散型、外延型、PN结型按结构分：单片、双片、特殊形状按使用环境：高温、低温、高压、磁场、水下,传感器原理及应用,第3章应变式传感器,3.1电阻应变片原理（3）应变片种类,各种金属箔式应变片,体型半导体电阻应变片,金属应变计,传感器原理及应用,第3章应变式传感器,3.2金属应变片的主要特性（1）应变片的灵敏系数,金属丝做成应变片后电阻应变特性与单根金属丝不同；实验证明，应变片灵敏系数KK0电阻丝灵敏系数，产品的灵敏系数称“标称灵敏系数”。,传感器原理及应用,第3章应变式传感器,直线电阻丝绕成敏感栅后，虽然长度相同，但应变不同，园弧部分使灵敏系数K下降，这种现象称为横向效应。,3.2金属应变片的主要特性（2）横向效应,传感器原理及应用,第3章应变式传感器,3.2金属应变片的主要特性（3）应变片温度误差及补偿,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：t误差应变片本身电阻温度系数影响；g试件材料的线膨胀系数影响因环境温度改变引起的附加电阻变化与环境温度变化t有关；应变片本身的性能参数K、t、s；试件参数g有关。,传感器原理及应用,第3章应变式传感器,3.2金属应变片的主要特性（3）应变片温度误差及补偿,电阻丝阻值与温度关系：,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时电阻丝的电阻变化,传感器原理及应用,第3章应变式传感器,3.2金属应变片的主要特性（3）应变片温度误差及补偿,温度补偿方法有：电桥线路补偿、自补偿、双金属片辅助、热敏电阻补偿、计算机补偿等。线路补偿：工作应变片粘贴在被测试件表面上，补偿就变片粘贴在与被测试件材料完全相同的补偿块上，且仅工作应变片承受应变。,传感器原理及应用,第3章应变式传感器,3.2金属应变片的主要特性（3）应变片温度误差及补偿,自补偿方法,利用自身具有温度补偿作用的应变片来补偿,要实现温度补偿必须有满足以下条件：,传感器原理及应用,第3章应变式传感器,3.2金属应变片的主要特性（3）应变片温度误差及补偿,电桥补偿方法,传感器原理及应用,第3章应变式传感器,3.3电阻应变片测量电路（1）直流电桥,直流电桥的平衡条件负载RL（开路）,电桥平衡时I0=0U0=0对比积相等邻臂比相等,传感器原理及应用,第3章应变式传感器,3.3电阻应变片测量电路（1）直流电桥,设R1-R1+R1，R2-R2+R2，R3-R3+R1,R4-R4+R4这时电桥失衡，不平衡输出电压为：,电压灵敏度,一般情况下R很小，即RR，故上式分母中R项和分子中R的高次项可略去，同时考虑电桥初始是平衡的，即R1R4=R2R3，故有,传感器原理及应用,第3章应变式传感器,3.3电阻应变片测量电路（1）直流电桥,电压灵敏度,上式表明，电桥输出电压与电桥电源电压成正比，在RR的条件下，电桥输出电压也与桥臂电阻的变化率R/R成正比。所以电桥输出电压可反映被测量引起电阻变化量。,传感器原理及应用,第3章应变式传感器,讨论：电桥电压灵敏度Ku越大，应变变化相同情况输出电压越大；Ku与电桥电源E成正比KuE，但供电受应变片允许功耗限制；,3.3电阻应变片测量电路（1）直流电桥,电压灵敏度,传感器原理及应用,第3章应变式传感器,讨论：设均为全等臂电桥，即初始时R1=R2=R3=R4=R，下面分析这三种连接方式方式的电压输出。1、半桥单臂,3.3电阻应变片测量电路（1）直流电桥,单臂工作片电压灵敏度：,桥路输出电压：,电压灵敏度,传感器原理及应用,第3章应变式传感器,3.3电阻应变片测量电路（1）直流电桥,单臂工作片电压灵敏度：,桥路输出电压：,电压灵敏度,2、半桥双臂工作中电桥的两个桥臂阻值随被测物理量而变化,3、全桥工作中电桥的四个桥臂阻值随被测物理量而变化,桥路输出电压：,单臂工作片电压灵敏度：,电压灵敏度,第3章应变式传感器,传感器原理及应用,电压灵敏度,传感器原理及应用,第3章应变式传感器,3.3电阻应变片测量电路（1）直流电桥,电压灵敏度,传感器原理及应用,第3章应变式传感器,3.3电阻应变片测量电路（1）直流电桥,非线性误差补偿,非线性误差：,：为理想值,式中,U。：为真实值,单臂桥的非线性误差：,传感器原理及应用,第3章应变式传感器,可见非线性误差与R1/R1成正比为减小非线性误差常采用差动电桥差动电桥：在试件上安装两个工作片，一个受拉、一个受压接在电桥的相邻两个臂，电桥输出为：,3.3电阻应变片测量电路（1）直流电桥,非线性误差补偿,传感器原理及应用,第3章应变式传感器,3.3电阻应变片测量电路（1）直流电桥非线性误差补偿,半桥电压灵敏度为：,讨论：输出电压U0与R1/R1呈线性关系，无非线性误差；电压灵敏度是单桥的两倍；具有温度补偿作用。,电桥输出：,传感器原理及应用,第3章应变式传感器,3.3电阻应变片测量电路（1）直流电桥非线性误差补偿,全桥：将四臂按对臂同性接四个工作片称全桥。若R1=R2=R3=R4,全桥电压输出：,全桥电压灵敏度为：,传感器原理及应用,第3章应变式传感器,3.3电阻应变片测量电路（2）交流电桥,直流电桥优点：所需要的高稳定直流电源较易获得；连接导线要求低，不会引起分布参数，在实现预调平衡时电路简单，仅需对纯电阻加以调节。缺点：容易受到工频干扰，产生零点漂移。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。,传感器原理及应用,第3章应变式传感器,3.3电阻应变片测量电路（2）交流电桥,交流电桥输出特征方程：,电桥平衡条件：,传感器原理及应用,第3章应变式传感器,3.3电阻应变片测量电路（2）交流电桥,交流电桥,传感器原理及应用,第3章应变式传感器,3.3电阻应变片测量电路（2）交流电桥,交流电桥需满足对臂复数的模积相等，幅角之和相等。,传感器原理及应用,第3章应变式传感器,3.3电阻应变片测量电路（2）交流电桥,其中：,传感器原理及应用,第3章应变式传感器,3.3电阻应变片测量电路（2）交流电桥,交流电桥输出除满足电阻平衡条件，还要满足电容平衡条件：,交流电桥输出用复数表示：,传感器原理及应用,第3章应变式传感器,3.3电阻应变片测量电路（2）交流电桥平衡电路：,电容平衡电路,电阻平衡电路,传感器原理及应用,第3章应变式传感器,3.4应变式传感器的应用,在检测技术中，除了直接用应变片来测定试件的应变和应力外，还可以利用它制成各种应变式传感器来测定各种物理量，如力矩、压力、加速度等。基本构成通常可分两部分：弹性敏感元件及应变片弹性元件在被测物理量的作用下产生一个与物理量成正比的应变，然后用应变片作为传感元件将应变转换为电阻变化。,传感器原理及应用,第3章应变式传感器,3.4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和动态应变仪，按应变力频率又可细分为：静态5Hz；静动态几百Hz；动态5KHz；超动态几十KHz；交流电桥电阻应变仪主要由电桥、振荡器、放大器、相敏检波器、滤波器、转换和显示电路组成。,传感器原理及应用,第3章应变式传感器,3.4应变式传感器的应用（1）电阻应变仪,传感器原理及应用,第3章应变式传感器,3.4应变式传感器的应用（1）电阻应变仪,电桥测20-200Hz应变力输出调幅调制波；放大器将电桥输出的调幅波放大；振荡器产生等幅正弦波提供电桥电压和相敏检波器参考电压；相敏检波器如果应变有拉应变和压应变，可通过相敏检波电路区分双相信号；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；滤波器为了还原被检测的信号用低通滤波器去掉高频保留低频应变信号。,传感器原理及应用,第3章应变式传感器,3.4应变式传感器的应用（1）电阻应变仪,传感器原理及应用,第3章应变式传感器,3.4应变式传感器的应用（2）柱式力传感器,传感器原理及应用,第3章应变式传感器,3.4应变式传感器的应用,一般应变片均匀贴在圆柱表面中间部分，R1和R3，R2和R4串接，并置于桥路两对臂上，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R5和R7串接，R6和R8串接，作为温度补偿片，接于另两个桥臂上。,桥路连接图,灵敏度按半桥计算电桥输出为：,电桥输出：,传感器原理及应用,第3章应变式传感器,3.4应变式传感器的应用,圆柱面展开图,桥式连接图,传感器原理及应用,第3章应变式传感器,3.4应变式传感器的应用,荷重传感器弹性元件形式,传感器原理及应用,第3章应变式传感器,3.4应变式传感器的应用（3）悬臂梁式力传感器,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。,传感器原理及应用,第3章应变式传感器,3.4应变式传感器的应用（2）力传感器,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。这种传感器适用于测量500Kg以下荷重。,传感器原理及应用,第3章应变式传感器,3.4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，力距作用点任何截面积上应力相等，应变片的应变大小为：,传感器原理及应用,第3章应变式传感器,3.4应变式传感器的应用,各种平行双孔梁,传感器原理及应用,第3章应变式传感器,3.4应变式传感器的应用,各种形式梁,传感器原理及应用,第3章应变式传感器,3.4应变式传感器的应用,梁的形式较多，如平行双孔梁、工字梁、S型拉力,（a）双孔梁（b）S形,传感器原理及应用,第3章应变式传感器,3.4应变式传感器的应用（4）轮辐式测力传感器（剪切力）,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。,传感器原理及应用,第3章应变式传感器,3.4应变式传感器的应用（5）膜片式压力传感器,膜片式传感器的弹性敏感元件是一个圆形的金属膜片，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,传感器原理及应用,第3章应变式传感器,3.4应变式传感器的应用,一般在圆膜片中心处沿切向巾两片，在边缘处沿径向贴两片。,传感器原理及应用,第3章应变式传感器,3.4应变式传感器的应用（2）力传感器膜片式压力传感器,膜片式压力传感器应力分布,传感器原理及应用,第3章应变式传感器,3.4应变式传感器的应用（2）力传感器膜片式压力传感器,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，径向应变处位置，应在距圆心的圆环附近。,传感器原理及应用,第3章应变式传感器,3.4应变式传感器的应用（2）力传感器膜片式压力传感器,根据应力分布粘贴四个应变片，两个贴在正的最大区域（R2、R3）两个贴在负的最大区域（R1、R4），就是粘贴在的内外两侧。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