wy-第3章能量控制型传感器-2

1、上节主要内容回顾上节主要内容回顾 电位器式传感器电位器式传感器 将将位移（线位移或角位移）位移（线位移或角位移）转换为转换为电阻或电压电阻或电压的输出。线性电位器的输出。线性电位器式传感器：式传感器：maxmaxRxxRxmaxmaxUxxUx例题例题：带负载的线性电位器传感器电路如下图所示。图中，：带负载的线性电位器传感器电路如下图所示。图中， ， ， ，计算电刷位移为，计算电刷位移为 时传感器电阻值时传感器电阻值Rx和空载输出电压和空载输出电压Ux，若负载，若负载 ，则输出电压变为多少？分析负载误，则输出电压变为多少？分析负载误差？差？解解：位移x=30cm 时传感器电阻和空载输出电压分别

2、为：若带负载 ，则输出电压为： V5maxU k5maxRmmx50maxmmx30k 20LRk330505maxmaxxxRRxV330505maxmaxxxUUxk20LRLxLxxLxLxLRRRRRRRRRRUU)(maxmax1V83. 2203203)35(2032035带负载电位器传感器电路图%7 . 5%1003383. 2%10011xxLLUUUr 引起的负载误差（引起的负载误差（空载特性与带负载的特性之间的偏差空载特性与带负载的特性之间的偏差）为：）为：k100LRLxLxxLxLxLRRRRRRRRRRUU)(maxmaxV96. 210031003)35(10031

3、0035若若 ，则，则 引起的负载误差为：引起的负载误差为：%3 . 1%1003396. 2%10022xxLLUUUr由此可见，欲使负载误差小于由此可见，欲使负载误差小于1.0%，必须保证负载电阻，必须保证负载电阻 。max20RRL3.2应变片式电阻传感器应变片式电阻传感器 3.2.1电阻应变片的电阻应变片的工作原理工作原理 电阻应变片的工作原理电阻应变片的工作原理基于电阻应变效应基于电阻应变效应（在导体产生机械变形时，它在导体产生机械变形时，它的电阻发生相应的变化的电阻发生相应的变化）。）。 电阻丝电阻丝未受力时未受力时，原始电阻原始电阻为为 R = 式中，式中，-电阻丝的电阻率；电阻

4、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。 电阻丝电阻丝在外力在外力F作用下作用下，将引起，将引起电阻变化电阻变化R ，且有，且有slSSllRR式中，式中， -电阻丝的电阻率变化；电阻丝的电阻率变化； l-电阻丝的长度变化；电阻丝的长度变化； S-电阻丝的截面积变化。电阻丝的截面积变化。 电阻丝的电阻丝的轴向应变轴向应变 径向应变（或横向应变）径向应变（或横向应变） 由材料力学可知，由材料力学可知，ll)21 (SSllRRrrrr 定义：定义：单位应变所引起的电阻相对变化单位应变所引起的电阻相对变化-电阻的灵敏系数电阻的灵敏系数k0/)21 (/0

5、RRk 电阻丝的灵敏度电阻丝的灵敏度k0由两部分组成：由两部分组成：（1）（）（1+2）-受力后，由材料的几何尺寸变化引起的；受力后，由材料的几何尺寸变化引起的；（2） -由材料电阻率变化所引起的。对于金属材料，（由材料电阻率变化所引起的。对于金属材料，（2）比（）比（1）小很多，可以忽略。小很多，可以忽略。/21)21 (0RRkR3.2.2金属电阻应变片主要特性 1.金属电阻应变片结构及材料 金属电阻应变片分为金属丝式和金属箔式两种。 （1）金属丝式电阻应变片 由敏感栅、基底、盖层、粘结剂和引线等组成。 敏感栅是最重要的部分，栅丝直径一般为0.0150.05mm，根据用途不同，栅长可为0.

6、2200mm。 基底和盖层用来保持敏感栅、引线的几何形状和相对位置。基底做得很薄（0.020.4mm），可将被测件上的应变迅速、准确地传送到敏感栅上。若用专门的薄纸制成，称为纸基。若用各种粘结剂和有机树脂膜制成的，称为胶基。现在多采用胶基。a)应变片的基本结构 b)箔式应变片敏感栅的基本结构1-基底2-敏感栅3-盖层4-引线L-栅长b-基宽图3-9金属丝式电阻应变片的基本结构1 12 2a) 箔式单向应变片 b)箔式转矩应变片 c)箔式压力应变片 d)箔式花状应变片图3-10 各种箔式应变片（2）金属）金属箔式箔式应变片应变片与金属丝应变片相比，有如下优点：与金属丝应变片相比，有如下优点：1)

7、用用光刻技术光刻技术能制成各种复杂形状的敏感栅能制成各种复杂形状的敏感栅(应变花，应变花，110um的厚度的厚度)，敏感，敏感多个方向应变。多个方向应变。2)横向效应小横向效应小。3)散热性好散热性好，允许通过较大电流，可提高相匹配的电桥电压，从而提高输出灵，允许通过较大电流，可提高相匹配的电桥电压，从而提高输出灵敏度。敏度。4)疲劳疲劳寿命长、蠕变小寿命长、蠕变小。5)生产效率高生产效率高。箔式应变片的箔式应变片的电阻值的分散性比较大，有的能相差几十欧姆，需要调整阻值电阻值的分散性比较大，有的能相差几十欧姆，需要调整阻值。端部肥大，减少应变片的横向灵敏度 对金属应变片对金属应变片敏感栅材料的

8、敏感栅材料的基本要求基本要求：1) 灵敏系数灵敏系数k0值大值大，并且在较大应变范围内保持，并且在较大应变范围内保持常数常数。2) 电阻温度系数小电阻温度系数小。3) 电阻率大电阻率大。4) 机械机械强度高强度高，且易于拉丝或辗薄。，且易于拉丝或辗薄。5) 与铜丝的焊接性好，与其他金属的与铜丝的焊接性好，与其他金属的接触热电动势小接触热电动势小。 敏感栅常用的材料有敏感栅常用的材料有：康铜、镍铬合金、镍铬铝合金、铁：康铜、镍铬合金、镍铬铝合金、铁铬铝合金、铂和铂钨合金等（见表铬铝合金、铂和铂钨合金等（见表3-1，P23P24）。）。 2.电阻应变片电阻应变片主要特性主要特性 （1）灵敏系数灵敏

9、系数k 应变片的灵敏系数一般由应变片的灵敏系数一般由实验方法实验方法求得。因为应变片粘贴求得。因为应变片粘贴到试件上就不能取下再用，所以不能对每一个应变片的灵敏度到试件上就不能取下再用，所以不能对每一个应变片的灵敏度系数进行标定，只能在每一批产品中系数进行标定，只能在每一批产品中抽取抽取一定百分比的产品进一定百分比的产品进行标定，然后取平均值作为这一批产品的灵敏系数。行标定，然后取平均值作为这一批产品的灵敏系数。 实验证明，应变片的灵敏系数在很大范围内能实验证明，应变片的灵敏系数在很大范围内能保持常数保持常数。 2.电阻应变片电阻应变片主要特性（续）主要特性（续） （2）横向效应横向效应 沿应

10、变片轴向的应变沿应变片轴向的应变纵向应变纵向应变应变片电阻变化应变片电阻变化 沿垂直与应变片轴向的应变沿垂直与应变片轴向的应变横向应变横向应变电阻变化电阻变化 横向应变的产生和影响与应变片的结构有关，比如敏感栅的丝绕应变横向应变的产生和影响与应变片的结构有关，比如敏感栅的丝绕应变片片内横向效应比较严重，而箔式应变片，横向效应较小。片片内横向效应比较严重，而箔式应变片，横向效应较小。 （3）机械滞后、零漂及蠕变）机械滞后、零漂及蠕变 1）机械滞后机械滞后 应变片安装在试件上后，在一定温度下，应变片应变片安装在试件上后，在一定温度下，应变片电阻相对变化电阻相对变化i（R/R）与机械应变与机械应变R

11、之间的加载（正行程）和卸载（反行程）的特性曲线，之间的加载（正行程）和卸载（反行程）的特性曲线，如图所示。如图所示。 若正、反行程曲线若正、反行程曲线不重合不重合，称为，称为机械滞后。机械滞后。两曲线之间的两曲线之间的最大差值最大差值m称为称为应变片的滞后值。应变片的滞后值。机械应变机械应变指示应变（或电阻相对变化）指示应变（或电阻相对变化） 2）零漂）零漂 已粘贴的应变片，在温度保持恒定、试件上已粘贴的应变片，在温度保持恒定、试件上没有应变没有应变的情况下，应变的情况下，应变片的片的指示应变指示应变会会随时间的增长而逐渐变化随时间的增长而逐渐变化，这种现象称为零漂（应变片的，这种现象称为零漂

12、（应变片的零点漂移）。零点漂移）。 3）蠕变）蠕变 已粘贴的应变片，已粘贴的应变片，在温度保持恒定，试件在温度保持恒定，试件长时间承受某一恒定的机械长时间承受某一恒定的机械应变应变，应变片的指示应变会随着时间而变化，这种现象称为蠕变。，应变片的指示应变会随着时间而变化，这种现象称为蠕变。 应变片工作时，零漂和蠕变是同时存在的，在蠕变之中包含着同一时应变片工作时，零漂和蠕变是同时存在的，在蠕变之中包含着同一时间内的零漂值。零漂和蠕变是用来衡量间内的零漂值。零漂和蠕变是用来衡量应变片特性对时间的稳定性应变片特性对时间的稳定性，这两，这两项指标需要长时间的测量。项指标需要长时间的测量。 （4）温度效

13、应）温度效应 粘贴在试件上的电阻应变片：粘贴在试件上的电阻应变片： 感受机械应变感受机械应变电阻相对变化电阻相对变化 环境温度变化环境温度变化电阻相对变化（电阻相对变化（虚假应变，称为温度效应虚假应变，称为温度效应） 温度温度对电阻应变片的对电阻应变片的两种主要影响两种主要影响： 1）敏感栅的电阻温度系数敏感栅的电阻温度系数t电阻变化电阻变化 2）敏感材料和试件材料的）敏感材料和试件材料的膨胀系数不同膨胀系数不同电阻变化电阻变化 （5）绝缘电阻和最大工作电流）绝缘电阻和最大工作电流 应变片的绝缘电阻应变片的绝缘电阻Rm：已粘贴的应变片的引线与被测试件之间的电阻：已粘贴的应变片的引线与被测试件之

14、间的电阻值。值。 应变片的最大工作电流应变片的最大工作电流Im：对已安装的应变片，允许通过敏感栅而不：对已安装的应变片，允许通过敏感栅而不影响其工作特性的最大电流。影响其工作特性的最大电流。 3.2.3 温度误差及其补偿温度误差及其补偿 环境温度发生变化时，由于敏感栅温度系数、栅丝与试件膨胀系数不环境温度发生变化时，由于敏感栅温度系数、栅丝与试件膨胀系数不同而产生的虚假应变，有时会与真实应变同数量级，因此，必须采取温度同而产生的虚假应变，有时会与真实应变同数量级，因此，必须采取温度补偿。以补偿。以线路补偿法线路补偿法为例。为例。 在分析线路补偿法之前，先来理解电桥平衡，以直流电桥为例分析。在分

15、析线路补偿法之前，先来理解电桥平衡，以直流电桥为例分析。 URRRRRRRRUo)(43214231供桥电压输出电压+-+-要使输出电压为零，应满足：要使输出电压为零，应满足：04231RRRR34214231RRRRRRRR或或电桥平衡电桥平衡的条件：的条件：相对桥臂乘积相等或相邻桥臂电阻的比值相等相对桥臂乘积相等或相邻桥臂电阻的比值相等（2）单臂电桥）单臂电桥 将电阻应变片接入将电阻应变片接入R1，而而R2、R3、R4为固为固定电阻定电阻。初始电桥平衡，即。初始电桥平衡，即 。 应变片工作时：应变片工作时：R1+R，此时输出电压，此时输出电压为为URRRRRRRRURRRRRRRRRRUR

16、RRRRRRURRRRRRRRRRUo)1)(1 () 1)(1 ()()()(43124314312143143213432142314231RRRR124312)n1 (nRRnUURRRRO，则设桥臂比1uRRUkO若定义电桥灵敏度143211241n)n1 (RRUURRRRRRnUUOO，则，即若单臂电桥的输出电压为4uUk 单臂电桥灵敏度为结论结论：（1）电桥灵敏度）电桥灵敏度kU正比于供桥电压正比于供桥电压U，供桥，供桥电压越高，灵敏度越高。但实际上，电桥电电压越高，灵敏度越高。但实际上，电桥电压压U不能无限提高，它受应变片最大允许功不能无限提高，它受应变片最大允许功耗限制。耗限

17、制。（2）通过适当的选择桥臂电阻比）通过适当的选择桥臂电阻比n，可提高，可提高电桥灵敏度。当电桥灵敏度。当n=1时时kUmax=U/4。 结论（续）结论（续）：（3）单臂电桥输出电压的）单臂电桥输出电压的非线性误差分析非线性误差分析：理论上的理论上的输出电压输出电压UO （近似处，（近似处，U与与R/R成线性）：成线性）：实际上的实际上的输出电压输出电压UO1（U与与R/R非线性）：非线性）：非线性误差非线性误差：当当 时，时， URRnnUO112)1 (URRnnRRnUo11111)1)(1 (%1001%1001%100111111RRnRRUUUUUrOoOoOL1n%1002%10

18、02111111RRRRRRrL作业 P48 复习思考题10全桥全桥 四个桥臂电阻都是电阻应变片，且四个桥臂电阻都是电阻应变片，且RRRRR4321，则，则URRRRRUO44321结论结论：（1）若）若相邻两桥臂相邻两桥臂同向同向变化，即变化，即 ，则输出电压为，则输出电压为0。由各应变片产生的电压互相抵消。由各应变片产生的电压互相抵消。（2）若相邻两桥臂）若相邻两桥臂反向反向变化，即变化，即 ，则各应变片，则各应变片产生的输出电压迭加。若产生的输出电压迭加。若 （差动电桥），（差动电桥），则则 ，电桥电压的灵敏度，电桥电压的灵敏度kU=U，是单臂电桥的，是单臂电桥的4倍。倍。4321RRR

19、R，4321RRRR，RRRRR4321URRUO 以以线路补偿法线路补偿法为例，如图为例，如图3-12所示。工作应变片所示。工作应变片R1安装在被测试件上，安装在被测试件上，另选一个另选一个与与R1特性相同特性相同的补偿片的补偿片RB，将其，将其安装在与试件材料相同的某补偿安装在与试件材料相同的某补偿块块上，且该补偿块上的上，且该补偿块上的温度与试件相同温度与试件相同，但，但不承受应变不承受应变，显然，由温度造，显然，由温度造成的变化量成的变化量 R1和和 RB相同。相同。 R1和和RB接入相邻桥臂上，根据接入相邻桥臂上，根据电桥理论电桥理论所知，相邻桥臂同向变化所知，相邻桥臂同向变化相互相

20、互抵消抵消，对输出，对输出UO没有影响，也就是说，没有影响，也就是说， UO与温度的变化无关。与温度的变化无关。图3-12 应当指出，若要达到应当指出，若要达到完全补偿，需满足下列三个条件完全补偿，需满足下列三个条件：1)R1和和RB应属于应属于同一批号制造同一批号制造，即它们的电阻温度系数，即它们的电阻温度系数、线膨胀系数、线膨胀系数和和应变灵敏系数应变灵敏系数k都相同，两片的初始电阻值也要求一样。都相同，两片的初始电阻值也要求一样。2)粘贴补偿片和粘贴工作片的粘贴补偿片和粘贴工作片的构件材料构件材料必须一样，即要求两者的必须一样，即要求两者的线膨胀系线膨胀系数一样数一样。3)两应变片两应变

21、片R1和和RB处于同一温度场处于同一温度场。 上面三个条件并不容易满足，尤其是第三个条件。在某些条件下，可上面三个条件并不容易满足，尤其是第三个条件。在某些条件下，可通过巧妙安装应变片而不需温度补偿，同时提高灵敏度。通过巧妙安装应变片而不需温度补偿，同时提高灵敏度。 如图如图3-13a所示，在测量梁弯曲应变时，将所示，在测量梁弯曲应变时，将R1和和RB这这2个应变片分别贴于梁的上下个应变片分别贴于梁的上下两面对称位置，当梁的两面对称位置，当梁的上下面温度相同时上下面温度相同时， R1和和RB可起温度补偿作用，上下对称的可起温度补偿作用，上下对称的位置使位置使R1和和RB两电阻的两电阻的变化值相

22、同，符号相反变化值相同，符号相反（前提：（前提：R1和和RB特性相同）。特性相同）。 将将R1和和RB两电阻应变片，按图两电阻应变片，按图3-12接入电桥，可提高灵敏度（接入电桥，可提高灵敏度（从电桥理论可知，从电桥理论可知，相邻桥臂反向变化，输出电压叠加相邻桥臂反向变化，输出电压叠加）。）。 图图3-13b）应变片不对称粘贴，其中两电阻应变量大小不同，但同样能实现温度）应变片不对称粘贴，其中两电阻应变量大小不同，但同样能实现温度补偿和提高灵敏度。补偿和提高灵敏度。图3-12图3-13 应变片对称粘贴示意图 应变片不对称粘贴示意图 3.2.5应变片式电阻传感器的应变片式电阻传感器的应用举例应用

23、举例 1.应变式测力传感器应变式测力传感器荷重和拉压力传感器的弹性元件可以做成柱形、筒形、环荷重和拉压力传感器的弹性元件可以做成柱形、筒形、环形和梁形等。形和梁形等。 （1）圆柱式圆柱式力传感器力传感器-如图如图3.15a）、）、b）所示。应变片粘贴在外壁的中间部分）所示。应变片粘贴在外壁的中间部分（应力分布均匀），多片对称粘贴，圆柱面的开展图如图（应力分布均匀），多片对称粘贴，圆柱面的开展图如图3-15c）所示，电桥连接如图）所示，电桥连接如图3-15d）所示（考虑尽量减小载荷偏心和弯矩的影响）。）所示（考虑尽量减小载荷偏心和弯矩的影响）。图3-15荷重传感器弹性元件的形式a) 柱形b) 筒

24、形c) 圆柱面展开图d)桥路连接图荷重传感器原理演示荷重传感器原理演示 荷重传感器上的应变片在重力作用下荷重传感器上的应变片在重力作用下产生变形。轴向变短，径向变长。产生变形。轴向变短，径向变长。汽车衡汽车衡 可测拉力或压力的量程上限可达可测拉力或压力的量程上限可达107N。在小荷（在小荷（103105N）时，可用空心筒式结）时，可用空心筒式结构。当力与轴向一致时，应变片感受的纵构。当力与轴向一致时，应变片感受的纵向应变，沿圆周方向粘贴的应变片感受横向应变，沿圆周方向粘贴的应变片感受横向应变。向应变。汽车衡汽车衡称重系统称重系统图图3-16 梁式力传感器梁式力传感器l悬臂梁的长度悬臂梁的长度

25、l0 应变片中心到工作段的距离应变片中心到工作段的距离 b悬臂梁顶端宽度悬臂梁顶端宽度 h悬臂梁的厚度悬臂梁的厚度b0 悬臂梁根部宽度悬臂梁根部宽度 p压力压力 +M正向转矩正向转矩 M负向转矩负向转矩 (2)梁式梁式力传感器力传感器：梁有多种形式，如图：梁有多种形式，如图3-16所示。所示。等截面梁等截面梁等强度梁等强度梁双孔梁双孔梁“S”形弹性梁形弹性梁应变片在悬臂梁上的粘贴及变形应变片在悬臂梁上的粘贴及变形吊钩秤吊钩秤 人体秤人体秤 超市打印秤超市打印秤磅秤磅秤 2.应变式应变式转矩传感器转矩传感器测量转矩可以直接将应变片粘贴在被测轴上，测量转矩可以直接将应变片粘贴在被测轴上，或采用专门设计的转矩传感器，其原理如图或采用专门设计的转矩传感器，其原理如图3-17a所示。所示。图3-17测量转矩a)应变片粘贴图b)桥路连接图应变式数显扭矩扳手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，用于汽车、摩托车、飞机、内燃机、机械制造和家用电器等领域，准准确控制紧固螺纹的装配确控制紧固螺纹的装配扭矩。扭矩。3. 应变式加速度传感器基本原理如图应变式加速度传感器基本原理如图3-18所示。所示。图3-18应变式加速度传感器1-质量块2-弹性元件3-壳体及基座4-应变片 由质量块由质量块m、弹