电阻应变式传感器

模块三传感器原理及测试培训，电阻应变传感器徐文，浙江经济职业技术学院，3.1电阻应变传感器，返回首页，电阻应变传感器由电阻应变仪和测量电路组成。其敏感元件的电阻随着机械变形(伸长或缩短)而变化。它广泛用于测量力和一些与力相关的非电气参数(如压力、载荷、扭矩、加速度等)。)。电阻应变传感器具有精度高、测量范围宽的特点。结构简单，性能稳定可靠，使用寿命长；良好的频率特性，能在高温、高压、强振动和强磁场等恶劣环境条件下工作。3.1.1应变计的工作原理3.1.2电阻应变传感器的测量电路3.1.3电阻应变传感器的温度误差及其补偿3.1.4应用电阻应变传感器3.1.5电阻应变传感器培训，返回首页，3.1电阻应变传感器，3.1.1应变计的工作原理，返回首页，图3-1-4显示了电阻应变计的基本结构。金属导体的电阻随机械外力引起的变形而变化的现象称为金属电阻的应变效应。这是电阻应变仪工作的物理基础。图3-1-4电阻应变片的基本结构，图3-1-3电阻应变片的基本形状，金属导体的应变效应当金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随其所受的机械变形(伸长或缩短)而变化。根据电阻：的定义，如果金属导体在外力作用下产生变化d，dl，dA，其电阻变化dR为：3.1.1应变仪的工作原理，返回首页，3.1.1应变仪的工作原理，返回首页，根据偏导数的定义将，a设为常数，那么，同理，所以常用的表达式有：(3-1-6)，3.1.1应变仪的工作原理， 回到主页，前面的公式，然后，在上面的公式中，它被称为轴向线性应变，单位是“微应变”。 从材料力学可知，翘曲收缩与轴向伸长之间的关系是：这叫做泊松比法则，3.1.1应变仪的工作原理回到首页。以下两种情况分为导体和半导体讨论上述公式：金属电阻应变仪(按结构形式划分)金属箔型半导体应变仪型半导体应变仪薄膜型半导体应变仪扩散型半导体应变仪，图3-1-5电阻应变仪型，3.1.1应变仪工作原理，返回首页，应变电阻效应，(1)金属材料的应变电阻效应，(2)半导体材料的应变电阻效应， 金属材料的相对电阻变化应与线成正比，半导体材料的相对电阻变化应与线成正比，导线材料的应变敏感系数，半导体材料的应变敏感系数、3.1.1应变片工作原理，返回首页，应变敏感系数，金属、半导体、几何尺寸变化、电阻率变化，金属导线材料的应变电阻效应以结构尺寸变化为主，Km=1.84.8，几何尺寸变化，压阻效应， 半导体材料的应变电阻效应主要是基于压阻效应，3.1.1应变仪的工作原理，回到首页，金属电阻应变仪，介于大多数金属材料之间，所以介于1.62.0之间。 金属电阻应变片分辨率高，非线性误差小。温度漂移系数小；测量范围大，从弹性变形到塑性变形(1% 2%)，过载可达20%；它可以测量静态应变和动态应变。它具有价格低廉、品种多样、选择方便、使用量大的优点，因此被广泛应用于各行各业。3.1.1应变仪的工作原理，返回首页，半导体应变仪、半导体应变仪突出的优点是灵敏度系数高，可测量微应变(一般在600微应变以下)；机械滞后小；良好的动态特性；横向效应很小；小号。其主要缺点是：电阻温度系数大；属测量电路的任务是将微弱的电阻变化转化为电压或电流的变化，因此通常采用DC电桥和交流电桥作为测量电路。目前，大多数应变片桥采用交流电桥，但由于DC电桥相对简单，交流电桥的原理与之相似，所以采用DC电桥进行分析，如图3-T1所示。图3-T1电桥测量电路。电桥测量电路如图3-T1所示，其中四个桥臂电阻分别用作电桥电源电压和电桥输出电压。当电桥的负载电阻为无穷大时，电桥的输出电压为：为了使测量前的输出为零，满足上述公式的条件称为电桥平衡条件。此时，当每个桥臂的电阻变化远小于其自身值，即(1，2，3，4)且负载电阻为无穷大时，输出电压可以近似为：3.1.2电阻应变传感器的测量电路返回主页，桥测量电路的分析，3.1.2电阻应变传感器的测量电路返回主页，1)单臂桥的桥臂电阻中只有一个电阻是应变仪，其余为固定电阻。2)对称电桥对称于电源的左右两侧，例如，产生纵向应变和横向应变，并且是固定电阻器。因此，如果总和是一个产生纵向应变的应变计，并且总和是一个固定的电阻，则该桥称为半桥。(电桥电压灵敏度)，3.1.2电阻应变传感器的测量电路，返回主页，3)不对称电桥，如果总和是产生不同应变的应变计，并且总和是固定电阻，则可以看到上述公式，当时，电压灵敏度最高，而对称电桥是不对称电桥的一种特殊情况。不对称电桥的优点是非线性误差小。3.1.2电阻应变传感器的测量电路返回首页。4)全等电桥是一个应变仪，它设置并产生纵向应变，并产生横向应变。那么，这种情况称为全桥，它的电压灵敏度最高，所以它是最常用的桥。3.1.2电阻应变传感器测量电路，返回主页，进行总结，可以得出以下结论：1)产生相同的应变计不能连接到相邻的桥臂，否则桥输出电压等于零。2)提高电桥电压的灵敏度除了上述电桥电源电压的提高和高值应变片的选择外，同样应变的应变片可以分别串联在电桥臂上，如图3-T2所示。根据全桥的情况：3)在半桥和全桥测量电路中，粘贴在试件上的应变片的特性相同或相似，并且它们也感受到相同的温度，因此它们可以起到温度补偿的作用并减少额外的温度误差。图3-多个应变片的T2串联，3.1.2电阻应变传感器的测量电路，4)实际上，电桥电路的输出电压和应变是非线性的。小，非线性误差很小，可以忽略。用半导体应变仪测量大应变时，非线性误差大，必须进行补偿。补偿方法包括：高桥臂比例对称桥；(2)采用全桥测量电路；(3)采用恒流源电桥；(4)单臂电桥具有严重的非线性，因此可以使用有源电桥，如图3-T3所示。图3-T2有源电桥，3.1.2电阻应变传感器的测量电路，返回主页，5)上述讨论假设负载电阻实际上是不可能的。当它是一个有限值时，输出电压由于桥式电路的内部电阻而降低。在这种情况下，桥式电路的开路电压和短路内阻可以用戴维南定理计算，等效电路如图3-T4所示。从图中可以看出，当负载两端的电压为时，等效电路为：图3-T4负载，3.1.2电阻应变传感器的测量电路返回首页。额定负载为4t的圆柱形电阻应变传感器的开发如图3-T5所示。无负载时，四个应变仪的电阻值为120，允许功耗为208.35mW，传感器电压灵敏度和应变仪灵敏度系数。1)画一条桥接电路接线因此，3)负载4t下的输出电压传感器是线性的，因此负载2t下的输出电压是：图3-T5电桥测量电路，3.1.2电阻应变传感器测量电路，返回首页，4)从图3-T5可以看出，它是拉力，产生纵向应变，并产生横向应变。然后，电阻应变传感器的测量电路返回首页，调整电桥的零位。由于制造工艺的原因，当应变传感器未加载时，其输出电压不为零，因此在使用前必须将其调整为零。(1) DC电桥调零DC电桥调零只需要电阻平衡，有串联调零和并联调零两种类型，如图3-T6所示。图a将变阻器RP与臂串联连接。调整RP可以平衡桥梁。图b是并行的调零。通过改变反相中心抽头的位置可以实现平衡。调零能力取决于更小、更强。一般来说，RP的大小可以与相同，值为几千欧姆。图3-T6 DC电桥调零电路a)串联调零b)并联调零，3.1.2电阻应变传感器测量电路，返回主页，(2)交流电桥调零图3-T7的电桥测量电路使用交流电桥电源电压来分别替换图中具有复阻抗的那些，即变成交流电桥。交流电桥的分析类似于DC电桥的分析。直流电桥只需要电阻平衡，而交流电桥除了电阻平衡外，还必须满足相位平衡，即阻抗平衡：因此，为了达到零平衡，交流电桥必须有电阻和电容调零装置，如图3-T7所示。图3-T7交流电桥调零，3.1.3电阻应变传感器的温度误差及其补偿，返回首页，温度变化引起的电阻应变计电阻值的变化与测量引起的电阻值变化几乎是同一个数量级。如果不采取适当的补偿措施，电阻应变传感器将无法工作。引起温度误差的主要因素是：应变仪电阻随温度的变化引起误差。这种温度误差可以通过半桥或全桥测量电路来补偿。温度误差是由应变片材料的线膨胀系数和基体材料的线膨胀系数之差引起的。为了消除这种温度误差，主要采用应变仪自补偿的方法，在制作传感器时已经考虑到了这一点。对于用户来说，最好的补偿方法是使用半桥或全桥测量电路。图3-T8弹性模量的温度补偿，3.1.3电阻应变传感器的温度误差及其补偿，因此，传感器电桥的输出电压随着温度的增加而增加，从而引起附加的温度误差。这种误差是半桥或全桥测量电路无法克服的，必须采取适当的补偿措施。试件弹性模量随温度变化引起的误差。电阻应变仪制作完成后，用胶粘剂粘贴在试件上，形成电阻应变传感器。在测试件上的测量作用下，应变仪与测试件一起产生机械变形，从而形成电阻应变仪电阻值的变化。由于试件的弹性模量随着温度的升高而降低，应变仪在测量值不变的情况下会产生应变的增加。电阻应变传感器的电阻应变计不仅直接用于测量试件的应力和应变，还广泛用于制作各种应变传感器，用于测量力、压力、扭矩、位移、振动和加速度等物理量。1)称重传感器的结构原理。图3-T9a为柱结构，可测量大的拉力或压力，上限可达107牛顿。对于小载荷(103 105牛顿)，可采用空心圆柱结构。当力与轴向一致时，应变片感受到的纵向应变为：沿圆周方向粘贴的应变片感受到的应变为：其中测得的力(n)；应力区(m2)；是材料的弹性模量(N/m2)。3.1.4电阻应变传感器及其应用，返回主页，图b是一个环形结构，用于测试大于500牛顿的载荷。当用环形测量拉伸(压缩)力时，它实际上是在测量图c为单端悬臂梁式，灵敏度高，测量范围小，约为1 103 n。梁上下同一位置的应变绝对值相等，符号相反，可由下式计算：式中应力点到应变仪中心的距离(m)。3.1.4电阻应变传感器及其应用，返回主页，悬臂梁称重传感器，如GX-1悬臂梁称重传感器。结构轮廓和尺寸如图所示。GX-1悬臂梁称重传感器、GX-1悬