检测与传感第三章(3)

1、检测与传感技术上节内容复习上节内容复习3. 应变式传感器应变式传感器 2. 应变片的特性应变片的特性（1）应变片电阻值（2）应变片的灵敏系数K（3）横向效应（4）绝缘电阻和最大工作电流（5）应变片的温度误差电阻温度系数的影响试件材料和电阻丝材料的线膨胀系数的影响1. 弹性敏感元件的基本特性弹性敏感元件的基本特性刚度（C） & 灵敏度（S）3. 电阻应变片的温度补偿方法电阻应变片的温度补偿方法 线路补偿应变片自补偿tKtKtRRRRRsgsgt)()(000000上节内容复习上节内容复习4.电阻应变片的测量电路电阻应变片的测量电路4.1 直流电桥直流电桥4411EKRREUUo4321R

2、RRR（1） 平衡条件：平衡条件：（2）不平衡（处于测量状态时）：）不平衡（处于测量状态时）：单臂测量单臂测量半桥差动半桥差动全桥差动全桥差动1122oUREUREK11oURUERKE无非线性误差；电桥电压灵敏度是单臂工作时的两倍；无非线性误差；电压灵敏度为单臂工作时的4倍；有非线性误差 实际中，交流电桥的应用也非常广泛。 3.4.2 交流电桥交流电桥 U为交流电压源， 由于供桥电源为交流电源，引线分布电容使得二桥臂应变片呈现复阻抗特性，即相当于并联一个电容。图 交流电桥 一般形式11112222334411RZj RCRZj R CZRZR式中, C1、C2表示应变片引线分布电容。以半桥为

3、例：以半桥为例：则每一桥臂上复阻抗分别为： 交流电路的电桥平衡条件，仍为Uo=0，则有： Z1Z4=Z2Z3 即 3222411111RCRjRRCRjR24241313CRjRRCRjRR整理后，同除以R1R2：11112222334411RZj RCRZj R CZRZR令上式实部、虚部分别相等，整理得交流电桥的平衡条件：24241313CRjRRCRjRR3412RRRR3241RCRC3124RRRR1221RCRC 由此可知，对交流电容电桥，不仅要满足电阻平衡条件，还必须满足电容平衡条件。因此，在桥路上除设有电阻平衡调节外，还应设有电容平衡调节。 定义：定义：被测物理量为或的应变式传

4、感器，统称为应变式力传感器。3.5.1 应变式力传感器应变式力传感器用途：用途：是作为各种电子称、 桥梁、坝体承载状况监测等。 特点：特点：灵敏度高、稳定性好，受侧向作用力或力的作用点少量变化时，测量仍能保持稳定。 3.5 应变式传感器的应用应变式传感器的应用 图3-13 圆柱（筒）式力传感器（a） 柱式；（b） 筒式；（c） 圆柱面展开图；（d） 桥路连线图 1. 柱（筒）式力传感器柱（筒）式力传感器 应变式力传感器的外形及应变片的粘贴位置FR1R2 R4应变式力传感器原理演示 贴在应变式力传感器表面的应变片在向下力的作用下产生变形。轴向变短，径向变粗。应变式力传感器外形及受力位置FFFFF

5、应变式力传感器外形及受力位置人体秤人体秤 吊钩秤吊钩秤 便携式便携式电子秤电子秤 磅秤超市打印秤电子天平电子天平电子天平的准确度可达十电子天平的准确度可达十万分之一万分之一电子秤中的各类弹性元件应变式力传感器的应用（汽车衡-地磅）用一个桥路激励源来激励圆柱状力传感器的桥路，由A/D转换器将桥路的输出转换为数字量，由单片机进行运算。汽车衡称重系统测量测量装货量装货量或或判断超载判断超载等截面悬臂梁 等强度悬臂梁 一般将应变片贴在距固定端较近的表面，且顺梁的方向上、下各贴两片，上面两应变片受压时，下面两个应变片受拉，四个应变片构成全桥差动电桥，既提高了输出电压灵敏度KU，又可减小非线性误差。2.

6、悬臂梁式力传感器悬臂梁式力传感器应变片在悬臂梁上的粘贴及受力变形演示当力F垂直向下作用于悬臂梁的末端时，梁的上表面产生拉应变，下表面产生压应变。对于任一指定点来说、上下表面的应变大小相等符号相反。各种悬臂梁FF固定点固定点固定点固定点电缆3. S型型应变式力传感器FFFF S型结构，具有良好的拉、压对称性。抗疲劳、抗偏载、抗过载能力强。防尘、防潮、防水性能好，可用于恶劣环境。适用于建筑、水利、化工、港口等行业的工程机械。如搅拌机、搅拌站、打桩机、吊秤等。 （被测物理量为压力）3.5.2 应变式压力传感器应变式压力传感器用途用途：测量流动介质的动态或静态压力, 如动力管道设备的进出口气体或液体的

7、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。 （a） 应变变化图; （b） 应变片粘贴 一般在平膜片圆心处切向粘贴R1、R4两个应变片， 在边缘处沿径向粘贴R2、R3两个应变片，然后接成全桥测量电路。 膜片式压力传感器应变片容器内液体重量传感器 3.5.3 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（投入式液位计投入式液位计）投入式液位计外形传感器传感器 与水位成正与水位成正比的光柱比的光柱 电缆电缆投入式液位传感器 投入式液位传感器必须使用安装支架，适应于深度为 几米 至 几十米，且混有 大 量 污物、杂质的水或其他液体的液位测量。投入式液位计液位的计算投入

8、式液位计液位的计算所以： h=h0+h1 =h0+p1 /(g)例：液位计安装高度为1m，测得压力为98kPa，求：水的深度h。安装高度h0处的水的表压 p1=gh1应变式加速度传感器主要用于物体加速度的测量。3.5.4 应变式加速度传感器应变式加速度传感器基本工作原理是：a=F/m。电阻应变式加速度传感器结构图 特点：特点：不适用于频率较高的振动和冲击场合， 一般适用频率为1060 Hz范围。 3.5.5 3.5.5 应变式数显扭矩扳手应变式数显扭矩扳手数显扳手可用于汽车、摩托车、飞机、内燃机、机械制造和家用电器等领域，准确控制紧固螺栓的装配扭矩。量程2500Nm，耗电量10mA，有公制/英

9、制单位转换、峰值保持、自动断电等功能。应变式数显扭矩扳手应变式数显扭矩扳手3-1 什么是应变效应？什么是压阻效应？利用应变效应和压阻效应解什么是应变效应？什么是压阻效应？利用应变效应和压阻效应解释金属电阻应变片和半导体应变片的工作原理。释金属电阻应变片和半导体应变片的工作原理。第三章第三章 习题习题答：金属材料在受到外力作用时，产生机械变形，导致其阻值发生变化的现象叫金属材料的应变效应；半导体材料在受到应力作用后，其电阻率发生明显变化，这种现象称为压阻效应。 其工作原理都是基于表达式为dR/R=k，式中 ， 为材料的应变灵敏系数。当被测量作用在弹性元件上，弹性元件在在力的作用下发生了形变，使与

10、之相连的应变片的电阻值发生变化，再由测量电路转换为电信号的输出，输出电量的大小反映了被测量的大小。 金属电阻应变片和半导体应变片不同之处在于灵敏系数，金属应变片的灵敏系数主要取决于前两项K=1+2u，半导体主要取决于后一项K= 。dRdRK)21 (d3-5 图为一直流应变电桥，图中图为一直流应变电桥，图中 ， 试求：试求：4EV1234120RRRR1R11R R1120R 800/m m图为等强度梁测力系统。1R2.05K 为电阻应变片，应变片灵敏系数 ,未受应变时 ，当试件受力F时，应变片承受平均应变 。（1）应变片电阻变化量和电阻相对变化量（3）若要减小非线性误差，应采取何种措施？并分析其电桥输出电压及非线 性误差大小。例例3-61R（2）将电阻应变片置于单臂测量电桥，电桥电源电压为直流3V，求电桥输出电压及电桥非线性误差；求：11R RK6112.05 800 101200.2RK E R110.2 1200.17%R R10130.00171.2544