传感器原理—_电阻应变式传感器.ppt

已知导体（一根圆截面的金属丝）的电阻：,电阻应变效应：金属导体（电阻丝）的电阻值会随其变形（伸长或缩短）而发生变化。,d,l,F,金属丝受到拉力F作用时，,未受力时，其原始电阻值可以表示为R：,导体或半导体材料在外界力的作用下，会产生机械变形，其电阻值也将随着发生变化，这种现象称为应变效应。,一、应变效应,电阻应变式传感器,电阻应变式传感器是一种电阻传感器，它主要由弹性敏感元件、电阻应变片测量转换电路组成。利用电阻应变式传感器可以测量力、位移、形变、加速度等参数。,图2-3电子秤中的应变式电阻传感器,一、弹性敏感元件,弹性敏感元件是一种在力的作用下产生变形，当力消失后能恢复成原来状态的元件，是电阻式传感器的敏感元件。它通过与被测物件接触，能直接感受到被测的量的变化。因而在传感器中占有非常重要的地位，其质量的优劣直接影响应变式电阻传感器的性能和测量精度。,1力敏感元件力弹性敏感元件大都采用等截面柱式、等截面薄板、悬臂梁及轴状等结构。图所示为几种常见的力敏感元件。,图几种常见的力敏感元件,2压力敏感元件常见的压力弹性敏感元件有弹簧管、波纹管、膜盒、薄壁半球和薄壁圆管等。压力敏感元件可以把液体或气体产生的压力转换为位移量输出。下图所示为几种常见的压力弹性敏感元件。,认识几个弹性敏感元件,金属波纹管,金属丝受拉时，l变长、r变小，导致R变大。,二、电阻应变式传感器-应变片,电阻应变片工作原理是基于金属导体的应变效应，即金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着所受机械变形(伸长或缩短)的变化而发生变化的现象。,1.电阻应变片的结构,图2-4电阻应变片的结构,应变片用于测量力F的计算公式：,当沿金属丝的长度方向施加均匀力时，上式中、r、l都将发生变化，导致电阻值发生变化。实验证明，电阻应变片的电阻应变R=R/R与电阻应变片的纵向应变x的关系在很大范围内是线性的，即,对于不同的金属材料，K略微不同，一般为2左右。而对半导体材料而言，由于其感受到应变时，电阻率会产生很大的变化，所以灵敏度比金属材料大几十倍。在材料力学中，x称为电阻丝的轴向应变，也称纵向应变，是量纲为1的数。x通常很小，常用10-6表示之。例如，当x为0.000001时，在工程中常表示为110-6或m/m。在应变测量中，也常将之称为微应变()。对金属材料而言，当它受力之后所产生的轴向应变最好不要大于110-3，即1000m/m，否则有可能超过材料的极限强度而导致断裂。,2、结构类型与粘贴,金属应变片,半导体应变片,1）结构类型,l称应变片的标距或工作基长b称应变片的工作宽度b*l称应变片的规格,（1）金属丝式,金属丝式应变片的内部结构,（2）箔式通过光刻、腐蚀而成，散热条件好，电流密度高，灵敏度高，可制成任意形状。,箔式应变片的外形,（3）薄膜式真空蒸镀技术制成，特点同上。,（4）半导体应变片,半导体应变片外形,应变片主要性能指标举例,应变片粘贴演示,2）应变片的粘贴,应变片的检查与选择试件的表面处理底层处理贴片固化粘贴质量检查引线焊接与组桥连线,步骤：,三、应变式电阻传感器的测量电路,1电源接入方式惠斯登电桥电路按照所提供电源的不同分为直流电桥和交流电桥两种形式，其接入方式如图所示。,电源接入方式,2应变片接入方式,图：应变片的三种接入方式,图：应变式电阻传感器的实际电路,a.电桥输出电压与应变成线性关系。,b.若相邻两桥臂的应变极性一致，即同为拉应变或压应变时，输出电压为两者之差；若相邻两桥臂的极性不一致时，则输出电压为两者之和。,c.若相对桥臂的应变极性一致，输出电压为两者之和；反之为两者之差。,讨论,(一)电桥的主要特性,上述三种工作方中:全桥四臂灵敏度最高，双臂半桥灵敏度次之，单臂半桥灵敏度最低。采用全桥（或双臂半桥）还能实现温度自补偿。,四、温度补偿,1、补偿块补偿法,R1试件受力后应变片R1产生的电阻增量；R1t、R2t由温度变化引起的R1、R2的电阻增量。,补偿块温度补偿示意图,1试件2补偿块,当环境温度升高时，桥臂上的应变片温度同时升高，温度引起的电阻值漂移数值一致，可以相互抵消，所以全桥的温漂较小；半桥也同样能克服温漂。,2、桥路自补偿,应变效应的应用十分广泛。它可以测量应变应力、弯矩、扭矩、加速度、位移等物理量。电阻应变片的应用可分为两大类：第一类是将应变片粘贴于某些弹性体上，并将其接到测量转换电路，这样就构成测量各种物理量的专用应变式传感器。应变式传感器中，敏感元件一般为各种弹性体，传感元件就是应变片，测量转换电路一般为桥路；第二类是将应变片贴于被测试件上，然后将其接到应变仪上就可直接从应变仪上读取被测试件的应变量。,五、应用,材料应变的测量,案例：桥梁固有频率测量,测力演示动画,1、力和扭矩,称重计,应变式力传感器,F,F,F,F,各种悬臂梁,各种悬臂梁,F,F,固定点,固定点,电缆,应变式荷重传感器的外形及应变片的粘贴位置,F,汽车衡,汽车衡（以下参考北京远亚兴业商贸有限公司资料）,汽车衡称重系统,电子秤,磅秤,超市打印秤,远距离显示,电子天平,电子天平的精度可达十万分之一,人体秤,吊钩秤,便携式,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。量程2500N.m，耗电量10mA，有单位转换、峰值保持、自动断电等功能。,压力测量演示,2、压力,案例：冲床生产记数和生产过程监测,案例：冲床生产记数和生产过程监测,案例：机器人握力测量,小型压阻式固态压力传感器,高压进气口,低压进气口,绝对压力传感器,小型压阻式固态压力传感器,呼吸、透析和注射泵设备中用的压力传感器,p1进气管,p2进气管,固态压力传感器,小型压阻式固态压力传感器,表压压力传感器,p1进气管,投入式液位计,压阻式固态压力传感器用于投入式液位计：p1的进气孔用