单元二 应变式传感器

1、CompanyLOGO单元二单元二 应变式传感器应变式传感器 应变式传感器测力任务一任务一 应变式传感器的工作原理应变式传感器的工作原理一一任务导入任务导入电阻应变片是利用应变效应的原理制成的，应用最为广泛的是电阻式传感器，主要用于机械量的检测，如力、炮管的压力、弹性元件变形、流量、商业计价秤、邮包秤、人体秤和加速度等量的检测。 一根金属电阻丝一根金属电阻丝, 在其未受力时在其未受力时, 原始电阻值为原始电阻值为 R=式中式中: 电阻丝的电阻率电阻丝的电阻率; L电阻丝的长度电阻丝的长度; S 电阻丝的截面积。电阻丝的截面积。 应变效应应变效应:导体或半导体材料沿一定方向受力时导体或半导体材料

2、沿一定方向受力时,其阻值其阻值将发生变化将发生变化,这种现象称为应变效应。这种现象称为应变效应。SL.工作原理分析工作原理分析 二二任务一任务一 应变式传感器的工作原理应变式传感器的工作原理 当电阻丝受到拉力当电阻丝受到拉力F作用时作用时, 将伸长将伸长L, 横截面积相应减横截面积相应减小小S, 电阻率将因晶格发生变形等因素而改变电阻率将因晶格发生变形等因素而改变, 故引起电阻故引起电阻值相对变化量为值相对变化量为 SSLLRR式中式中L/L是长度相对变化量是长度相对变化量, 用应变用应变表示表示 LL任务一任务一 应变式传感器的工作原理应变式传感器的工作原理 dAdAldlRdR有：有：金属

3、丝：金属丝：2rAdrdrldlRdR2金属丝体积不变：金属丝体积不变：ldlrdr任务一任务一 应变式传感器的工作原理应变式传感器的工作原理 有：有：dRdR2对金属材料，导电率不变：对金属材料，导电率不变：)21(RdR金属丝应变片：金属丝应变片：任务一任务一 应变式传感器的工作原理应变式传感器的工作原理 半导体应变计半导体应变计drdrldlRdR2简化为：简化为：dRdRE 优点：灵敏度大优点：灵敏度大; ;体积小体积小; ; 缺点：温度稳定性和可重复性不如金属应变片。缺点：温度稳定性和可重复性不如金属应变片。任务一任务一 应变式传感器的工作原理应变式传感器的工作原理 通常把单位应变能

4、引起的电阻值变化称为电阻丝的灵敏度系数。通常把单位应变能引起的电阻值变化称为电阻丝的灵敏度系数。21K 灵敏度系数受两个因素影响灵敏度系数受两个因素影响: 受力后材料几何尺寸的受力后材料几何尺寸的变化变化, 即（即（1+2）; 受力后材料的电阻率发生的变化受力后材料的电阻率发生的变化, 即即（/）/。 对金属材料电阻丝来说对金属材料电阻丝来说, 灵敏度系数表达式中灵敏度系数表达式中（1+2）的值要比（）的值要比（/）/）大得多）大得多, 而半导体材料的而半导体材料的（/）/）项的值比（）项的值比（1+2）大得多。）大得多。 大量实验证明大量实验证明, 在电阻丝拉伸极限内在电阻丝拉伸极限内, 电

5、阻的相对变化与应变成正比电阻的相对变化与应变成正比, 即即K为为常数。常数。 任务一任务一 应变式传感器的工作原理应变式传感器的工作原理 用应变片测量应变或应力时用应变片测量应变或应力时, 根据上述特点根据上述特点, 在外力作用下在外力作用下, 被测对象产生微小机械变形被测对象产生微小机械变形, 应变片随着发生相同的变化应变片随着发生相同的变化, 同时同时应变片电阻值也发生相应变化。当测得应变片电阻值变化量应变片电阻值也发生相应变化。当测得应变片电阻值变化量R时时, 便可得到被测对象的应变值。根据应力与应变的关系便可得到被测对象的应变值。根据应力与应变的关系, 得到应力值得到应力值为为 =E

6、由此可知由此可知, 应力值应力值正比于应变正比于应变, 而试件应变而试件应变正比正比于电阻值的变化于电阻值的变化, 所以应力所以应力正比于电阻值的变化正比于电阻值的变化, 这这就是利用应变片测量应变的基本原理。就是利用应变片测量应变的基本原理。 任务一任务一 应变式传感器的工作原理应变式传感器的工作原理 应变片的种类、材料及粘贴应变片的种类、材料及粘贴 电阻应变片的种类电阻应变片的种类金属应变片组成金属应变片组成：金属电阻应变片金属电阻应变片半导体电阻应变片半导体电阻应变片敏感栅、敏感栅、 基片、基片、 覆盖层和引线等部分覆盖层和引线等部分敏感栅是应变片的核心部分敏感栅是应变片的核心部分, 它

7、粘贴在绝缘的基片上它粘贴在绝缘的基片上, 其上其上再粘贴起保护作用的覆盖层再粘贴起保护作用的覆盖层, 两端焊接引出导线。金属电阻两端焊接引出导线。金属电阻应变片的敏感栅有丝式、应变片的敏感栅有丝式、 箔式箔式和薄膜式三种。和薄膜式三种。任务一任务一 应变式传感器的工作原理应变式传感器的工作原理 三三金属电阻应变片的材料金属电阻应变片的材料 灵敏系数大，且在相当大的应变范围内保持常灵敏系数大，且在相当大的应变范围内保持常数数 值大，即在同样长度、同样横截面积的电阻丝中值大，即在同样长度、同样横截面积的电阻丝中 具有较大的电阻值。具有较大的电阻值。 电阻温度系数小，否则因环境温度变化也会改变其阻值

8、电阻温度系数小，否则因环境温度变化也会改变其阻值 与铜线的焊接性能好，与其它金属的接触电势小；与铜线的焊接性能好，与其它金属的接触电势小； 机械强度高，具有优良的机械加工性能。机械强度高，具有优良的机械加工性能。任务一任务一 应变式传感器的工作原理应变式传感器的工作原理 应变片的温度误差及补偿应变片的温度误差及补偿应变片的温度误差应变片的温度误差电阻温度系数的影响：电阻温度系数的影响： Rt=R0（1+0t）试件材料和电阻丝材料的线膨胀系数的影响试件材料和电阻丝材料的线膨胀系数的影响电阻应变片的温度补偿方法电阻应变片的温度补偿方法应变片自补偿法应变片自补偿法线路补偿法线路补偿法任务一任务一 应

9、变式传感器的工作原理应变式传感器的工作原理 四四自补偿法自补偿法e若使应变片在温度变化若使应变片在温度变化t时的热输出值为零，必须使时的热输出值为零，必须使每一种材料的被测试件，其线膨胀系数每一种材料的被测试件，其线膨胀系数 都为确定值都为确定值,在选择在选择应变片时，若应变片的敏感栅是用单一的合金丝制成，并使其电应变片时，若应变片的敏感栅是用单一的合金丝制成，并使其电阻温度系数阻温度系数 和线膨胀系数和线膨胀系数 满足上式的条件，即可实现温度满足上式的条件，即可实现温度自补偿。具有这种敏感栅的应变片称为单丝自补偿应变片。自补偿。具有这种敏感栅的应变片称为单丝自补偿应变片。 0getKtg任务

10、一任务一 应变式传感器的工作原理应变式传感器的工作原理 USCER2R4R1R3线路补偿法线路补偿法3241RRRRAUSC 由上式可知，当由上式可知，当R R3 3、R R4 4为常数时，为常数时，R Rl l和和R R2 2对输出电压的作用方向相反。利用这个对输出电压的作用方向相反。利用这个基本特性可实现对温度的补偿，并且补偿基本特性可实现对温度的补偿，并且补偿效果较好，这是最常用的补偿方法之一。效果较好，这是最常用的补偿方法之一。 电桥输出电压与桥臂参数的关系为电桥输出电压与桥臂参数的关系为R R1 1和和R R2 2须属于同一批号的，即它们的电阻温度系数须属于同一批号的，即它们的电阻温

11、度系数、线膨胀系、线膨胀系数数、应变灵敏系数、应变灵敏系数K K都相同，两片的初始电阻值也要求相同。都相同，两片的初始电阻值也要求相同。用于粘贴补偿片的构件和粘贴工作片的试件二者材料必须相用于粘贴补偿片的构件和粘贴工作片的试件二者材料必须相同，即要求两者线膨胀系数相等。同，即要求两者线膨胀系数相等。两应变片处于同一温度环境中。两应变片处于同一温度环境中。任务一任务一 应变式传感器的工作原理应变式传感器的工作原理任务一任务一 应变式传感器的工作原理应变式传感器的工作原理五五任务布置任务布置 查阅应变片的常用材料及粘贴技术。2. 查询应交片的粘贴工艺步骤。任务一任务一 应变式传感器的工作原理应变式

12、传感器的工作原理六六相关习题相关习题1什么叫应变效应?利用应变效应解释金属电阻应变片 的工作原理。2试述应变片温度误差的概念、产生原因和补偿办法。3. 如果试件材质为合金钢，线膨胀系数g = 11 106/，电阻应变片敏感栅材质为康铜，其电阻温度系数 = 15 106/，线膨涨系数s = 14.9 106/。当传感器的环境温度从10变化到50时，所引起的附加电阻相对变化量(R/R )t为多少?折合成附加应变t为多少?任务二任务二 应变式传感器的测量电路应变式传感器的测量电路一一任务导入任务导入由于机械应变一般都很小，要把微小应变引起的微小电阻变化测量出来，同时要把电阻相对变化R / R转换为电

13、压或电流的变化，因此，需要有专用的用于测量应变变化而引起电阻变化的测量电路。工程中通常采用直流电桥和交流电桥。 ACBDR1R2R3R4RLU0+-U0=E（R1R1+R2R3R3+R4）任务二任务二 应变式传感器的测量电路应变式传感器的测量电路二二直流电桥直流电桥R1R4=R2R3当电桥平衡时，当电桥平衡时，U0=0则有：则有：直流电桥平衡条件 电压灵敏度电压灵敏度 ACBDR1R2R3R4RLU0+-当应变片受力时，当应变片受力时，R1变为：变为：R1+R1，其余电阻不变，其余电阻不变，电压灵敏度为：电压灵敏度为：输出电压为：输出电压为：U0=E4R1R1KU=E4 R1为电阻应变片，为电

14、阻应变片，R2、R3、R4为电桥固定电阻，为电桥固定电阻，这就构成了单臂电桥这就构成了单臂电桥 任务二任务二 应变式传感器的测量电路应变式传感器的测量电路ACBDR1R2R3R4RLU0+-输出电压为：输出电压为：U0=E2R1R1电压灵敏度为：电压灵敏度为：KU=E2半桥半桥R1+R1，R2变为：变为： R2R2R1、R2为受力相反的应变片，为受力相反的应变片，其余电阻不变，其余电阻不变，R1变为：变为：非线性误差及其补偿方法任务二任务二 应变式传感器的测量电路应变式传感器的测量电路全桥全桥ACBDR1R2R3R4RLU0+-R1+R1，R1R4+R4R4R2R2R2R3R3R3输出电压为：

15、输出电压为：U0= ER1R1电压灵敏度为：电压灵敏度为：U0= E任务二任务二 应变式传感器的测量电路应变式传感器的测量电路交流电桥交流电桥任务二任务二 应变式传感器的测量电路应变式传感器的测量电路三三任务二任务二 应变式传感器的测量电路应变式传感器的测量电路1423o1234()()Z ZZ ZUUZZZZ1111222233441j1jRZR CRZR CZRZR由交流电路分析可得交流电桥的平衡条件 任务二任务二 应变式传感器的测量电路应变式传感器的测量电路当Uo = 0 时Z1Z4 = Z2Z3 可得 124311221j1jRRRRR CR C整理得34314212jjRRR CR

16、CRR2413RRRR2112RCRC平衡条件为 及任务二任务二 应变式传感器的测量电路应变式传感器的测量电路四四相关习题相关习题1. 什么是直流电桥？若按不同的桥臂工作方式分类，可 分为哪几种？各自的输出电压如何计算？2. 拟在等截面的悬臂梁上粘贴4个完全相同的电阻应变片，并组成差动全桥电路，试问： 4个应变片应怎样粘贴在悬臂梁上？ 画出相应的电桥电路图。一一任务三任务三 应变式传感器的应用应变式传感器的应用任务导入任务导入 在科研和工业生产中常常需要研究机械设备构件或组件承受应变的状况，测量构件形变时应变力，如高压容器（高压气瓶、高压锅炉），生产过程中必须采用应变测量方法检测耐压和变形时压

17、力；火炮生产需了解火炮发射时炮管形变，飞机导弹研制时要在特殊的“风洞”实验场中模拟高空状态下飞行时机身、机翼等各部件的形变情况；汽车制造需测试汽车底盘承压时的形变，而各种形变会借用弹性敏感元件实现力的变换，常用变换力和变换压力的弹性敏感元件. 任务三任务三 应变式传感器的应用应变式传感器的应用 柱（筒）式力传感器柱（筒）式力传感器二二任务三任务三 应变式传感器的应用应变式传感器的应用应变片接线要求：应变片接线要求： 应变片粘贴在弹性体外壁应力分布应变片粘贴在弹性体外壁应力分布均匀的中间部分，对称粘贴多片。均匀的中间部分，对称粘贴多片。应变片粘贴要求：应变片粘贴要求： 采用电桥连接方式，横向粘贴

18、的应变采用电桥连接方式，横向粘贴的应变片起温度补偿的作用。片起温度补偿的作用。柱（筒）式力传感器柱（筒）式力传感器R1R2R3R4R5R6R7R8U0R1R3R5R7R4R2R8R6U柱面展开图柱面展开图电桥连线图电桥连线图任务三任务三 应变式传感器的应用应变式传感器的应用环式力传感器环式力传感器R1R2hABFR环式传感器结构图环式传感器结构图=39.5oMAB应力分布图应力分布图R R2 2应变片所在的位置应力为零，故应变片所在的位置应力为零，故R R2 2应变片起温应变片起温度补偿作用。度补偿作用。XRhPtr应变变化图应变变化图trR1R4R3R2应变片粘贴应变片粘贴应变式压力传感器应

19、变式压力传感器R R1 1R R4 4切向粘贴，切向粘贴， R R2 2R R3 3在边缘处在边缘处径向粘贴构径向粘贴构成全桥电路成全桥电路主要用来测量流动介质的动态和静态压力，如动力管主要用来测量流动介质的动态和静态压力，如动力管道设备的进出口气体或液体的压力、发动机内部的压道设备的进出口气体或液体的压力、发动机内部的压力、枪管及炮管内部的压力、内燃机管道的压力等。力、枪管及炮管内部的压力、内燃机管道的压力等。 三三任务三任务三 应变式传感器的应用应变式传感器的应用应变式容器内液体重量传感器应变式容器内液体重量传感器微压传感器微压传感器电阻应变片电阻应变片传压杆传压杆h感压膜感压膜可以测量容

20、器内储存可以测量容器内储存的溶液重量及液位。的溶液重量及液位。 四四任务三任务三 应变式传感器的应用应变式传感器的应用当容器中溶液增多时，感压膜感受的压力就增大，将当容器中溶液增多时，感压膜感受的压力就增大，将其上两个传感器其上两个传感器Rt的电桥接成正向串接的双电桥电路。的电桥接成正向串接的双电桥电路。输出电压为：输出电压为：U0=UIU2（ K1 K2 ）hg感压膜上面感压膜上面液体的重量液体的重量传感器传传感器传输系数输系数HgQA容器感压膜上容器感压膜上面液体的重量面液体的重量容器的截面积容器的截面积U0（ K1 K2 ）QA任务三任务三 应变式传感器的应用应变式传感器的应用应变式加速

21、度传感器应变式加速度传感器工作原理：工作原理：物体运动的加速度与作用在它上面的力成正物体运动的加速度与作用在它上面的力成正比，与物体的质量成反。比，与物体的质量成反。壳体内充满硅油壳体内充满硅油调节阻尼系数调节阻尼系数五五任务三任务三 应变式传感器的应用应变式传感器的应用测量时，将传感器壳体与被测对象刚性连接，测量时，将传感器壳体与被测对象刚性连接，当被测物体以加速度当被测物体以加速度 a 运动时，质量块受到一运动时，质量块受到一个与加速度方向相反的惯性力作用，使悬臂梁个与加速度方向相反的惯性力作用，使悬臂梁变形，其上应变片发生形变，阻值变化，电桥变形，其上应变片发生形变，阻值变化，电桥不在平

22、衡改变输出电压，即可测出加速度不在平衡改变输出电压，即可测出加速度a。测量原理测量原理不适用于频率较高的振动和冲击场合，频率不适用于频率较高的振动和冲击场合，频率为为1060Hz范围。范围。注意注意事项事项任务三任务三 应变式传感器的应用应变式传感器的应用标准产品标准产品任务三任务三 应变式传感器的应用应变式传感器的应用六六半导体力敏应变片在电子皮带秤上的应用半导体力敏应变片在电子皮带秤上的应用 荷重传感器是皮带秤的关键组成部件，采用半荷重传感器是皮带秤的关键组成部件，采用半导体力敏应变片作为敏感元件，虽然在同样压力下导体力敏应变片作为敏感元件，虽然在同样压力下它的弹性形变较金属箔式应变片小，但其灵敏度却它的弹性形变较金属箔式应变片小，但其灵敏度却要高得多，这种传感器灵敏度可达要高得多，这种传感器灵敏度可达7 710mV/kg10mV/kg，额，