应变式传感器原理及应用

1、 第二章第二章 传感检测技术的基本知识传感检测技术的基本知识航天航天交通交通摄象头摄象头:CCD传感器传感器指纹传感器指纹传感器传感检测技术传感检测技术传感检测系统的组成传感检测系统的组成 一个完整的检测系统或检测装置通常由一个完整的检测系统或检测装置通常由传感器传感器、测量电路、显示记录装置测量电路、显示记录装置和和数据处理装置与执行数据处理装置与执行机构机构等部分组成，分别等部分组成，分别完成信息获取、转换、显完成信息获取、转换、显示和处理等到功能。示和处理等到功能。被测对象被测对象传感器传感器中间变换装置显示装置显示装置记录装置记录装置数据处数据处理装置理装置 物理量电量电量/数字量信息

2、转换信息转换信息提取信息提取一、传感器一、传感器1、定义：、定义：n传感器：以一定精确度把被测量转换为与传感器：以一定精确度把被测量转换为与之有确定对应关系的，便于应用的某种物之有确定对应关系的，便于应用的某种物理量的测量装置。理量的测量装置。n定义含义：定义含义：传感器是测量装置传感器是测量装置传感器的输入量是某一被测量传感器的输入量是某一被测量传感器的输出量应是便于转换的物理量传感器的输出量应是便于转换的物理量传感器的输入与输出之间有一定精确程度传感器的输入与输出之间有一定精确程度的对应关系的对应关系传感器名称：发送器、传送器、变送器、检测器、传感器名称：发送器、传送器、变送器、检测器、

3、探头探头 传感器的功用是一感二传，传感器的功用是一感二传，即感受被测信息，并传送出去即感受被测信息，并传送出去被测量被测量电量电量敏感元件、转换元件、基本转换电路敏感元件、转换元件、基本转换电路被测量被测量输出量输出量 敏感元件：它是直接感受被测量，并输出与被测量成确敏感元件：它是直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。定关系的某一物理量的元件。 转换元件：敏感元件的输出转换元件：敏感元件的输出 就是它的输入，它把输入就是它的输入，它把输入的被测量抟换成电的被测量抟换成电 路参量。路参量。 基本转换电路：上述电路参基本转换电路：上述电路参 量输入基本转换电路（简量输入基本转

4、换电路（简称转换电路），便可转换成电量输出。称转换电路），便可转换成电量输出。辅助电源辅助电源敏感元件敏感元件转换元件转换元件基本转换电路基本转换电路2、传感器组成、传感器组成 传感器是知识密集、技术密集的行业，它与许多学科有关，它的种类十分繁多。传感器是知识密集、技术密集的行业，它与许多学科有关，它的种类十分繁多。为了很好地掌握它、应用它，需要有一个科学的分类方法。为了很好地掌握它、应用它，需要有一个科学的分类方法。3、传感器分类、传感器分类1)1)按被测物理量分类按被测物理量分类机械量机械量: :长度长度, ,厚度厚度, ,位移位移, ,速度速度, ,加速度加速度, , 旋转角旋转角, ,

5、转数转数, ,质量质量, ,重量重量, ,力力, , 压力压力, ,真空度真空度, ,力矩力矩, ,风速风速, ,流速流速, , 流量流量; ;声声: : 声压声压, ,噪声噪声. .磁磁: : 磁通磁通, ,磁场磁场. .温度温度: : 温度温度, ,热量热量, ,比热比热. .光光： 亮度，色彩亮度，色彩常见的被测物理量常见的被测物理量能量转换型和能量控制型能量转换型和能量控制型. .3)3)按信号变换特征按信号变换特征: :能量转换型能量转换型: :直接由被测对象输入能量使其工作直接由被测对象输入能量使其工作. . 例如例如: :热电偶温度计热电偶温度计, ,压电式加速度计压电式加速度计

6、. .能量控制型能量控制型: :从外部供给能量并由被测量控制外部从外部供给能量并由被测量控制外部 供给能量的变化供给能量的变化. .例如例如: :电阻应变片电阻应变片. . 例如位移传感器、压力传感器、振动传例如位移传感器、压力传感器、振动传感器、温度传感器等。感器、温度传感器等。 模拟传感器、数字传感器模拟传感器、数字传感器。 双向传感器、单向传感器等。双向传感器、单向传感器等。 按照传感器的用途按照传感器的用途来分类来分类 根据传感器输出是模拟信号还是数字信号根据传感器输出是模拟信号还是数字信号根据转换过程可逆与否根据转换过程可逆与否各种电子秤各种电子秤广泛应用于广泛应用于高高精精度度电电

7、子子汽汽车车衡衡 动态电子秤动态电子秤电子天平电子天平机械秤包装机机械秤包装机吊秤吊秤 LRSL2r LRS典型的电阻应变片结构示意图典型的电阻应变片结构示意图 2341bl栅长栅长栅宽栅宽 2341 2341 2341 2341金属应变计金属应变计 R2R4R1R3E电桥线路原理图RgACDIgB R2R4R1R3E电桥线路原理图RgACDIgB2143432143213241RRRRRRRRRRRRRRRRREIgg14231234123434121ggggE R RR RUI RRRRRR RRRR RRRR14231234123434121ggggE R RR RUI RRRRRR R

8、RRR RRRR14231234gR RR RUERRRR43213241RRRRRRRRRREUg 4433221133224411RRRRRRRRRRRRRRRREUg 4433221133224411RRRRRRRRRRRRRRRREUg1 1、等臂电桥、等臂电桥当R1=R2=R3=R4=R时，称为等臂电桥。此时电桥输出可写为 43213241432122RRRRRRRRRRRRRRREUg3124123444gRRRREEKURRRRRKR一般情况下，一般情况下，Ri（i=1，2，3，4）很小，即）很小，即RRi，略去上式中的高阶微量，并利用略去上式中的高阶微量，并利用 式得到式得到:

9、 3124123444gRRRREEKURRRRKERREUg443124123444gRRRREEKURRRR112114211424KKERRRRERRREUg3281412114KKKKEUg32328141214814121144KKKKEKKKKEKE1/2K例：例：设设K=2，要求非线性误差，要求非线性误差1%，试求允许测量的，试求允许测量的最大应变值最大应变值max。01.021maxK1000001. 0201. 0201. 02maxK结论：如果被测应变大于10000，采用等臂电桥时的非线性误差大于1%。2 2、第一对称电桥、第一对称电桥若电桥桥臂两两相等，即R1=R2=R，

10、R3=R4=R，则称它为第一对称电桥，如图，实质上它是半等臂电桥。设R1有一增量R，电桥的输出电压为:RRRERRRRRRRREUg2422RRRRE21114UgEBACD4EUgKRRRRRRRRRREUgRRkkkkRREUg111121RRkUgR2=RR4=RR1=RR3=RE第二对称电桥BACDRRkk1KkkERRkkEUg1212kk12411KERREUg44KRRKRRbl2cos2121rrrrrrddll2001LnlrrnL212rrnrnnlLLL2121221敏感栅栅丝的总长为敏感栅栅丝的总长为L L，敏感栅的灵敏系数为，敏感栅的灵敏系数为K KS S，则，则电阻

11、相对变化为：电阻相对变化为：rSSSKLrnKLrnnlLLKRR2) 1(2) 1(2SxKLrnnlK2) 1(2SyKLrnK2) 1( xyrRKKRrrnrnnlLLL2121221当当r r=0=0时，可得时，可得RRKxryRRKrnnlrnKKHxy121当当=0=0时，可得时，可得：lim真实应变z指示应变i10%1|100%ziz0llxtx0llxtx002sinsin 212xtx（）ttx2sin0vf0llxtxllxxdxltxxmltltsin2sin2sin10022平均应变m与中点应变t相对误差为：si 2n1311 tmmttll（）0llxtx平均应变m

12、与中点应变t相对误差为：sin1tmtll下表给出了下表给出了l/为为1/101/10和和1/201/20时时 的数值：的数值：误差误差的计算结果的计算结果 l / 1 tRtRK应变片灵敏系数; e试件材料线膨胀系数；g敏感栅材料线膨胀系数。2 egRKtR12 218tegtRRRtKtRRR （）ttegtRKttRK ttegttK ttegttK 0getK tgeK由两种不同电阻温度系数（一种为由两种不同电阻温度系数（一种为正值正值，一种为，一种为负值负值）的材料）的材料串联串联组成敏感组成敏感栅，以达到一定温度范围内在一定材料的试件上实现温度补偿栅，以达到一定温度范围内在一定材料

13、的试件上实现温度补偿. .(Ra) t = (Rb) t焊点焊点RaRb把把R R1 1与与R R2 2接入电桥相邻臂上，接入电桥相邻臂上，当被测试件不承受应变时，当被测试件不承受应变时，R R1 1和和R R2 2处于同一温度处于同一温度场，调整电桥参数，可使电桥输出电压为零，即：场，调整电桥参数，可使电桥输出电压为零，即：032410RRRRAU 选择选择R R1 1= =R R2 2= =R R及及R R3 3= =R R4 4= =r r。 当温度升高或降低当温度升高或降低 t t 时，若时，若 R R1t1t=R R2t2t，即两个应，即两个应变片的热输出相等，则电桥的输出电压为：变

14、片的热输出相等，则电桥的输出电压为：01142231212120ttttttttUARRRRRRARRrRRrA RrrRRrrRArRR ArRKRAr RRRRRRRAUtt132241110构件受弯构件受弯曲应力曲应力构件受单向应力构件受单向应力构件受弯曲应力梁受弯曲应变时，应变片梁受弯曲应变时，应变片R R1 1和和R R2 2的变形方向相反，的变形方向相反，上面受拉，下面受压，应变绝对值相等，符号相上面受拉，下面受压，应变绝对值相等，符号相反，将它们接入电桥的相邻臂后，可使输出电压反，将它们接入电桥的相邻臂后，可使输出电压增加一倍。当温度变化时，应变片增加一倍。当温度变化时，应变片R

15、 R1 1和和R R2 2阻值变阻值变化的符号相同，大小相等，电桥不产生输出，达化的符号相同，大小相等，电桥不产生输出，达到了补偿的目的。到了补偿的目的。构件受单向应力0121UAR R K 图图2-14 2-14 柱式力传感器柱式力传感器FF面积面积S-1+2-2+1截面积截面积SF(a)(a)实心圆柱实心圆柱(b)(b)空心圆柱空心圆柱FF-2+1截面积截面积SF(a)(a)实心圆柱实心圆柱1lFlESE21FSEF-2+1截面积截面积SFU0R1R3R5R7R6R8R2R4R6R7R8R2R3R4R5R1一端固定，一端自由，厚度为一端固定，一端自由，厚度为h,长度长度l，固定端宽度，固定

16、端宽度为为b0,力力F 作用在三角形顶点。其表面应作用在三角形顶点。其表面应变为变为 ：206 FlEb h E4 4只应变片只应变片0b206 FlEb h E4 4只应变片只应变片0b Ug12344gUKU1423206 gFlUUKUKbh E4 4只应变片只应变片224 Flbh E4 4只应变片只应变片23 Flbh E悬臂梁是一端固定、一端自由的弹性敏感元件。它的特点是灵敏度比较高。悬臂梁是一端固定、一端自由的弹性敏感元件。它的特点是灵敏度比较高。所以多用于较小力的测量。例如，民用电子称中就多采用悬臂梁。当力所以多用于较小力的测量。例如，民用电子称中就多采用悬臂梁。当力F F（例如苹果的重力）以垂直方向作用于电子秤中的铝质悬臂梁的末端时，梁（例如苹果的重力）以垂直方向作用于电子秤中的铝质悬臂梁的末端时，梁的上表面产生拉应变，下表面产生压应变，上下表面的应变大小相等符号相的上表面产生拉应变，下表面产生压应变，上下表面的应变大小相等符号