传感器与检测技术第3章(1.1)

1、1,第三章 力、扭矩和压力传感器,第一节 测力传感器 第二节 扭矩力传感器 第三节 压力传感器,2,第三章 力、扭矩和压力传感器,第一节 测力传感器 用于测量力的传感器多为电气式。电气式测力传感器，根据转换方式不同又分为参量型和发电型两种。 参量型测力传感器有电阻应变式、电容式、电感式等。 发电型测力传感器有压电式、压磁式等。,3,第一节 测力传感器,一、电阻应变式测力传感器 1.电阻应变式测力传感器工作原理,电阻应变式测力传感器是将力作用在弹性元件上，弹性元件在力作用下产生应变。,利用贴在弹性元件上的应变片将应变转换成电阻的变化。,利用电桥将电阻变化转换成电压(或电流)的变化，再送人测量放大

2、电路测量。 利用标定的电压(或电流)和力之间的对应关系，可测出力的大小或经换算得到被测力。,4,第一节 测力传感器,一、电阻应变式测力传感器 1.电阻应变式测力传感器工作原理,5,第一节 测力传感器,一、电阻应变式测力传感器 2. 弹性元件及计算公式 测力传感器的结构虽各式各样，但其弹性元件的形式只有柱型、薄壁环型和梁型三种。,6,第一节 测力传感器,一、电阻应变式测力传感器 2. 弹性元件及计算公式 柱型弹性元件 柱型弹性元件有圆柱形、圆筒形和方柱形等几种。,7,第一节 测力传感器,一、电阻应变式测力传感器 2. 弹性元件及计算公式 柱型弹性元件 柱型弹性元件有圆柱形、圆筒形和方柱形等几种。

3、,当力或荷重沿中心线对其作用时，受力后的应变值为,8,第一节 测力传感器,一、电阻应变式测力传感器 2. 弹性元件及计算公式 薄壁环型弹性元件,9,第三章 力、扭矩和压力传感器,一、电阻应变式测力传感器 2. 弹性元件及计算公式 薄壁环型弹性元件,圆环在拉力作用下，各断面所承受的弯矩为,10,第一节 测力传感器,一、电阻应变式测力传感器 2. 弹性元件及计算公式 薄壁环型弹性元件,最大弯矩在圆环A断面和B断面处，其值为,两处的应变值分别为,11,第一节 测力传感器,一、电阻应变式测力传感器 2. 弹性元件及计算公式 梁型弹性元件 根据其支承情况，常用的有悬臂梁式和两端固定梁式两种,12,第一节

4、 测力传感器,一、电阻应变式测力传感器 2. 弹性元件及计算公式 梁型弹性元件,悬臂梁式，上下表面的应变值为,13,第一节 测力传感器,一、电阻应变式测力传感器 2. 弹性元件及计算公式 梁型弹性元件,两端固定梁式，上下表面的应变值为,14,第一节 测力传感器,一、电阻应变式测力传感器 2. 弹性元件及计算公式 柱型 薄壁环型 悬臂梁 两端固定梁式,15,第一节 测力传感器,一、电阻应变式测力传感器 2. 弹性元件及计算公式 弹性元件的尺寸和材料确定后，弹性元件在外力作用下所产生的应变与外力成正比,16,第一节 测力传感器,一、电阻应变式测力传感器 3. 应变片 应变片是非电量电测中一种常见的

5、转换元件。由于应变片使用简便，测量精度高，体积小，动态响应好，因而得到广泛应用。,17,第一节 测力传感器,一、电阻应变式测力传感器 3. 应变片 (1)工作原理 应变效应 当金属丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值将发生变化，这种现象称为金属的电阻应变效应。,18,第一节 测力传感器,一、电阻应变式测力传感器 3. 应变片 (1)工作原理 设有一根长度为l、截面积为S、电阻率为的金属丝，其电阻R为,19,第一节 测力传感器,一、电阻应变式测力传感器 3. 应变片 (1)工作原理 设有一根长度为l、截面积为S、电阻率为的金属丝，其电阻R为,两边取对数，得,等式两边取微分，得,20,第一节 测

6、力传感器,一、电阻应变式测力传感器 3. 应变片 (1)工作原理,令,21,第一节 测力传感器,一、电阻应变式测力传感器 3. 应变片 (1)工作原理,由材料力学的知识：在弹性范围内，金属丝受拉力时，沿轴向伸长，沿径向缩短，则轴向应变和径向应变的关系为： y=-x 为金属材料的泊松系数。,22,第一节 测力传感器,一、电阻应变式测力传感器 3. 应变片 (1)工作原理,23,第一节 测力传感器,一、电阻应变式测力传感器 3. 应变片 (1)工作原理 为电阻丝电阻率的相对变化，根据压阻效应可得,24,第一节 测力传感器,一、电阻应变式测力传感器 3. 应变片 (1)工作原理,25,第一节 测力传

7、感器,一、电阻应变式测力传感器 3. 应变片,电阻应变片的分类,金属电阻应变片,半导体电阻应变片,26,第一节 测力传感器,一、电阻应变式测力传感器 3. 应变片 金属电阻应变片:丝式、箔式、薄膜式,金属丝式应变片,K金属电阻丝灵敏系数,27,第一节 测力传感器,一、电阻应变式测力传感器 3. 应变片 金属电阻应变片:丝式、箔式、薄膜式,金属丝式应变片 将金属电阻丝（一般是合金，电阻率较高，直径约0.02mm）粘贴在绝缘基片上，上面覆盖一层薄膜，使它们变成一个整体。,28,金属箔式应变片 利用光刻、腐蚀等工艺制成一种很薄的金属箔栅，厚度一般在0.0030.010mm，粘贴在基片上，上面再覆盖一

8、层薄膜而制成。其优点是表面积和截面积之比大，散热条件好，允许通过的电流较大，可制成各种需要的形状，便于批量生产。,第一节 测力传感器,一、电阻应变式测力传感器 3. 应变片 金属电阻应变片:丝式、箔式、薄膜式,29,第一节 测力传感器,一、电阻应变式测力传感器 3. 应变片 金属电阻应变片:丝式、箔式、薄膜式,金属箔式应变片,30,第一节 测力传感器,一、电阻应变式测力传感器 3. 应变片 半导体应变片 半导体应变片的工作原理是基于压阻效应。 压阻效应是指固体受到应力作用时，其电阻率发生变化，这种现象称为压阻效应。,31,第一节 测力传感器,一、电阻应变式测力传感器 3. 应变片 半导体应变片

9、,K半导体应变片的应变灵敏系数,32,第一节 测力传感器,一、电阻应变式测力传感器 3. 应变片 半导体应变片 半导体应变片的应变灵敏系数比电阻应变片大(5030倍)，因而适用于需要大信号输出的场合。 半导体应变片横向效应小，其横向灵敏度几乎为零；机械滞后小，可制成小型和超小型片子，这对测量局部应变很有用。,33,第一节 测力传感器,一、电阻应变式测力传感器 3. 应变片 半导体应变片 半导体应变片的缺点是应变灵敏系数的离散性大，机械强度低，非线性误差大，温度系数大。,34,第一节 测力传感器,一、电阻应变式测力传感器 4.应变片的布置和接桥方式 (1) 应变仪中所用电桥的特性,平衡条件 当R

10、L时，电桥输出电压:,直流电桥,35,第一节 测力传感器,一、电阻应变式测力传感器 4.应变片的布置和接桥方式 (1) 应变仪中所用电桥的特性,直流电桥,当电桥平衡时,U0=0，所以:R1 R4 = R2 R3 或 R1/R2 =R3/R4,36,第一节 测力传感器,一、电阻应变式测力传感器 4.应变片的布置和接桥方式 (1) 应变仪中所用电桥的特性,若R1由应变片替代，当电桥开路时，不平衡电桥输出的电压为:,37,设桥臂比n=R2/R1,由于R1R1 ,可得:,电桥的灵敏度SV 正比于供桥电压Ui 电桥的灵敏度SV 是桥臂比的函数。,第一节 测力传感器,38,当供桥电压Ui确定后，由,求得n

11、 =1时，SV 为最大。即：在当供桥电压E 确定后，当R1= R2、R3= R4 时，电桥的灵敏度最高。,第一节 测力传感器,39,结论：当供桥电压和电阻相对变化一定时，电桥的输出电压及其灵敏度也是定值，且与各桥臂阻值大小无关。,第一节 测力传感器,40,非线性误差 实际的非线性特性曲线与理想的线性特性曲线的偏差称为绝对非线性误差； 绝对非线性误差与理想的线性特性曲线的比称为相对非线性误差，用r 表示。,第一节 测力传感器,41,42,提高桥臂比 提高桥臂比n可使非线性误差减小；但电桥电压灵敏度SV 将降低。为了不降低SV ，必须适当提高供桥电压。,减小或消除非线性误差的方法,第一节 测力传感

12、器,43,采用差动电桥,如果桥臂电阻R1和邻边桥臂电阻R2都由应变片替代，且使一个应变片受拉，另一个受压，这种接法称为半桥差动工作电路。,第一节 测力传感器,a.半桥差动,44,结论：U0 与R1/R1 成线性关系，差动电桥无非线性误差；电压灵敏度SV=U0/2 ，比使用单只应变片提高了一倍。,当电桥开路时，不平衡电桥输出的电压为：,若 ， 则：,第一节 测力传感器,45,b. 全桥差动 若满足 R1=R2=R3=R4 则输出电压为：,可见：全桥差动电桥也无非线性误差；电压敏度SV=Ui 是使用单只应变片的4倍，比半桥差动提高了一倍。,第一节 测力传感器,46,交流电桥,交流电桥平衡条件,交流

13、电桥输出电压为：,所以桥路平衡条件为：,第一节 测力传感器,47,交流电桥的不平衡状态, 单臂交流电桥, 半桥差动电路, 全桥差动电路,第一节 测力传感器,48,第一节 测力传感器,一、电阻应变式测力传感器 4.应变片的布置和接桥方式 (1) 应变仪中所用电桥的特性,49,第一节 测力传感器,一、电阻应变式测力传感器 4.应变片的布置和接桥方式 (2)应变片的布置和接桥方式 应变片的布置和电桥连接应根据测量目的、对载荷分布的估计以及在复合载荷下测量应变时应能消除相互影响等情况而定。 从表中可以看到，不同的布置和接桥方法对灵敏度、温度补偿情况和消除弯矩的影响亦不同，一般应优先选用输出信号大，能实

14、现温度补偿，粘贴方便，并便于分析的方案。,50,第一节 测力传感器,一、电阻应变式测力传感器 5.应变式测力传感器举例 应变式拉(压)力传感器的定型产品BLR-1型已经形成系列，图是这类产品的结构图。,51,第一节 测力传感器,一、电阻应变式测力传感器 5.应变式测力传感器举例 应变式拉(压)力传感器的定型产品BLR-1型已经形成系列，图是这类产品的结构图。 弹性元件圆筒1，筒的两端有螺纹，以便传递外力。筒的中间贴有应变片2，通过壳体3上的接线座4将信号引出。为了防止灰尘和水蒸气进入，两端与壳体连接的地方放置密封圈5，一端利用内压环6压在简体上，并通过压盖7压紧在外壳上。另一端直接压在外壳上。

15、,52,第一节 测力传感器,一、电阻应变式测力传感器 5.应变式测力传感器举例 荷重传感器已经形成系列的有BHR-4型和BHR-7型。,53,第一节 测力传感器,一、电阻应变式测力传感器 5.应变式测力传感器举例 荷重传感器已经形成系列的有BHR-4型和BHR-7型。 弹性元件圆筒1，通过底座上的螺孔用螺钉固定在测量系统中。外力通过压头9传给圆筒，筒体上贴应变片4，通过壳体2上的接线座3将信号引出。为了防止有害气体和灰尘侵蚀应变片，筒体与壳体之间装有防尘圈8和密封垫5，利用压环6和压盖7分别压在筒体和壳体上。,54,第一节 测力传感器,采用阻值R =120、灵敏度系数K =2.0的金属电阻应变

16、片与阻值R=120的固定电阻组成电桥，供桥电压为10V。当应变片应变为1000时，若要使输出电压大于10mV，则可采用何种工作方式（设输出阻抗为无穷大）？,55,第一节 测力传感器,采用阻值R =120、灵敏度系数K =2.0的金属电阻应变片与阻值R=120的固定电阻组成电桥，供桥电压为10V。当应变片应变为1000时，若要使输出电压大于10mV，则可采用何种工作方式（设输出阻抗为无穷大）？,56,第一节 测力传感器,为了测某悬臂梁的振动，将应变片贴于梁的上下对称位置，如图所示。无应变时，Ra=Rb=R0=120（R0为固定电阻），应变片的应变灵敏度系数K=2。有振动时，应变幅值m100010-6 (1)将应变片正确入桥路中，绘出接线图； (2)用E4V的直流电压作为电桥电源，求电桥的输出电压幅值U0。,57,第一节 测力传感器,为了测某悬臂梁的振动，将应变片贴于梁的上下对称位置，如图所示。无应变时，Ra=Rb=R0=120（R0为固定电阻），应变片的应变灵敏度系数K=2。有振动时，应变幅值m100010-6 (1)将应变片正确入桥路中，绘出接线图； (2)用E4V的直流电压作为电桥电源，求电桥的输出电压幅值U0。,U0 EKm,0.542100010-6410-3V