CH2应变电阻式传感器.ppt

1、第2章，应变电阻传感器，2020年7月21日，2，2020年7月21日，3。学习要求：1 .掌握应变电阻传感器的工作原理；2.了解应变电阻传感器的结构和分类；3.掌握应变电阻传感器的基本特性和检测电路；4.了解应变电阻传感器的应用。电阻式传感器的基本原理是将被测物理量的变化转化为电阻值的变化，然后通过相应的测量电路和装置显示或记录被测值的变化。它可以用来测量力、位移、加速度等。第二章应变电阻传感器，2020/7/21，4，2.1应变片式电阻传感器，2.1.1电阻应变片的工作原理应变电阻的工作原理是基于电阻应变效应，即当导体发生机械变形时，其电阻值也随之变化。有一根电阻丝，它不受压时的原始电阻值

2、是：其中：电阻丝的电阻率；电阻丝的长度；电阻丝的面积；在外力f的作用下，电阻丝的l和S(r)发生变化，从而引起相应的电阻变化r，而相对变化是：2020/7/21，6、2.1.1电阻应变片的工作原理，2020/7/21，7，对于金属应变电阻，/非常对于半导体的应变电阻，/非常大，这时，1 2u可以忽略不计，所以KS=/()。半导体应变计的优点是灵敏度高，比金属丝型高5080倍，体积小，横向效应小，动态响应小，易于在生产线上加工。缺点是温度系数大，应变非线性严重。敏感系数：单位长度应变引起的电阻变化率；电阻应变片的灵敏度系数，2020/7/21、8、2.1.2、1中金属电阻应变片的主要特性。结构和

3、材料金属电阻应变计分为线型、箔型和薄膜型。线电阻应变仪的典型结构见图。它主要由粘合层1和3、基底2、覆盖片4、敏感格栅5和引出线6组成。2020/7/21，9，金属箔应变仪的敏感栅采用栅金属箔代替栅金属线。金属箔栅采用光刻技术制造，适合大规模生产。金属箔应变片具有线条均匀、尺寸准确、电阻一致性好、试件应变传递性能好的优点。因此，目前使用最多的是金属箔应变计，其结构如下图所示。金属箔应变计，2020/7/21，10，各种金属应变计，2020/7/21，11，应变计应用，2020/7/21，12，金属电阻应变计对敏感栅材料的基本要求，灵敏度系数大，在大应变范围内保持恒定。低温电阻系数。电阻率很高。

4、机械强度高，易于拉伸或卷薄。与铜线的良好焊接性以及与其他金属接触时的低热电势。2020/7/21，13，2金属电阻应变计的主要特性，灵敏度系数灵敏度系数是应变计的相对电阻变化率与试样主应力方向上的应变之比。也就是说，Ks=(R/R)/。横向效应引起电阻沿应变仪轴向应变x的相对变化，而垂直于应变仪轴向应变的横向应变y也引起电阻的相对变化。这种现象被称为横向效应。敏感栅末端带有半圆形横向栅的线绕应变计横向效应严重。为了减小横向效应引起的测量误差，目前普遍采用箔式应变片。由于弧形部分的截面积远大于栅线的截面积，电阻值越小，电阻变化越小。2020/7/21/14，机械滞后，零漂移和蠕变机械滞后：不同的

5、加载和卸载特性；在相同的机械应变下，卸载高于加载。零漂移：当所附应变片的温度保持不变且试件上没有应变(无应力)时，应变片的指示应变会随着时间的增加而逐渐变化，这就是应变片的零漂移，即工作特性长期不同；蠕变：当温度不变，应力不变时，atta的输出特性，2金属电阻应变片的主要特性，2020/7/21，15，2金属电阻应变片的主要特性，温度效应：温度变化引起的电阻变化A:当环境温度变化t时，相对电阻变化是由敏感栅材料电阻温度系数t的存在引起的。应变仪产生额外的伸长(或压缩)，导致电阻的相对变化。2020/7/21，16，k应变计敏感系数，g试样膨胀系数，s应变计敏感网格材料膨胀系数，对应的假应变：因

6、温度变化引起的应变计总电阻变化为：电阻应变计的温度效应，2020/7/21，17，安装应变仪后，其绝缘电阻的降低将降低测量系统的灵敏度，并导致应变仪指示应变的误差。最大工作电流Imax:在不影响其工作特性的情况下，允许通过敏感栅极的最大电流。显然，工作电流大，应变仪的输出信号也大，灵敏度高。然而，过大的工作电流会使应变仪本身过热，改变灵敏度系数，增加零点漂移和蠕变，甚至烧毁应变仪。2020/7/21，18，1。自补偿(1)单丝的自补偿从前面的假应变公式可以看出，对于给定的试样材料和选用的康铜和镍铬铝合金栅线，有必要适当控制、选择和调整栅线的温度系数。从实验中可以看出，随着退火温度的升高，电阻的

7、温度系数变化很大，从负值变为正值，在一定温度下变为零。自补偿应变片易于加工，成本低，但只适用于特定材料，补偿温度范围窄。2.1.3温度误差与补偿，2020/7/21，19，(2)组合自补偿法(双线网格法)，将两个不同符号的电阻温度系数串联，调整R1和R2的比值，使：2020/7/21，220两者的电阻温度系数、线膨胀系数、应变敏感系数和初始电阻相同。当R3和R4不变时，R1和Rb对电桥的输出电压U0有相反的影响。2020/7/21，21，2.1.4电桥平衡条件和电压灵敏度，电桥平衡为U0=0，此时：相邻臂的电阻比相等或相对臂的电阻积相等。2020/7/21，22，那么，当2.1.4电桥平衡条件

8、和电压灵敏度，2020/7/21，23，这样分母被省略，那么电压灵敏度与电桥电源电压成正比，并与电桥臂比有关。电压的选择受到应变仪功耗的限制。2.1.4电桥平衡条件和电压灵敏度，2020/7/21，24，当U确定时，K U由n确定。要获得最高KU，此时电压灵敏度最高。当n=1，2020/7/21，25，2.1.5时，非线性误差忽略分母中的项，这是一个理想值。因此，非线性误差是：=增大R1可以减小非线性误差，并且在2020年7月21日，26日，非线性误差可以减小或消除。采用差动电桥：根据被测件的应变情况，将两个工作应变片连接在电桥的两个相邻臂上，一个受拉，一个受压。差动电桥。如图所示，电桥的输出

9、电压U0为0: 2020/7/21，27。考虑到R1=R2、R1=R2、R3=R4和电桥平衡条件，可以看出U0与R1/R1成线性关系，表明差动电桥没有非线性误差，其电压灵敏度为Ku=U/2，比单个应变计高1。没有温度补偿。2020/7/21，28，全桥差动特性，根据该图，四个应变计连接成全桥差动形式，并且连接到每个相对臂的应变计形成一组，使得一组处于压力下，另一组处于张力下。因为R1=R2=R3=R4，R1=R2=R3=R4(等臂电桥)，相应的输出电压是单个应变仪的四倍。即2020/7/21，29，2020/7/21，30全桥差动应变计的示意图、平面图和俯视图。结果表明，全桥差动电压的灵敏度是

10、单应变片的4倍从以上介绍可以看出，单臂电桥、半桥和全桥的输出电压比也是1: 2: 4。在非电测量技术中，尽量采用半桥差动或全桥差动。2020/7/21，31，2.1.7电阻调节平衡电路，测量开始前，电桥处于初始平衡状态，输出电压应为零。然而，实际电桥的每个臂的电阻可能有微小的差异，因此有必要建立一个电阻调节平衡电路，使输出电压为零。如右图所示：2020/7/21，32，DC电桥的优点：高稳定性DC电源容易获得，电桥调整和平衡电路简单，传感器到测量仪器的连接线分布参数影响小。DC电桥的缺点：未来将使用直流放大器，这很容易导致零点漂移和复杂的电路。应变桥现在主要是交流桥。使用交流电源时，其平衡条件

11、、导线分布参数的影响、平衡调整以及后续的信号放大电路与DC电桥明显不同。2.1.8交流电桥，2020/7/21，33，交流电桥，其中电桥平衡条件表达式可以改写为阻抗的形式，平衡条件表达式可以写成：使两边的实部和虚部相等，可以看出交流电桥必须满足电容和电阻平衡的要求。2020/7/21、34、2.2应变传感器、电阻应变线和板的应用，不仅用于直接测量试件的应变和应力，还广泛用作传感元件，以开发各种应变传感器，用于测量其他物理量，如力、压力、扭矩和加速度。应变传感器的基本结构通常可分为两部分，弹性传感器和应变计(线)。在被测物理量的作用下，弹性传感器产生与其成比例的应变，然后用应变计(线)作为转换元

12、件将应变转换成电阻变化。与其他类型的传感器相比，应变传感器具有以下特点：2020/7/21，35，(1)测量范围宽，精度高。力传感器可测量10-2107牛顿的力，精度在0.05%飞秒以上；压力传感器可以测量10-1107帕的压力，精确度为0.1%。(2)性能稳定可靠，使用寿命长。就称重而言，机械杠杆意味着由于杠杆、刀刃和其他部件之间的摩擦造成的损耗和变形，很难长时间保持其精度。电子秤、汽车衡、轨道衡等。采用电阻应变式称重传感器，只要传感器设计合理，应变片选用得当，粘贴、防潮、密封可靠，性能可长期保持稳定可靠。应变式压力传感器也是如此。2.2.1应变传感器特性，2020/7/21，36，(3)频

13、率响应特性较好。电阻应变片的响应时间一般在10-7 s左右，半导体应变片的响应时间可达10-11 s。如果对弹性元件采取措施，由它们组成的应变传感器可以测量几十千赫兹甚至几百千赫兹的动态过程。(4)能够在恶劣的环境条件下工作。只要结构设计合理，材料选择得当，应变传感器可以在高(低)温、高速、高压、强振动、强磁场、核辐射和化学腐蚀等恶劣环境条件下正常工作。(5)易于实现小型化和集成化。随着大规模集成电路技术的发展，电路甚至模数转换都可以与传感器集成，传感器可以直接连接到计算机进行数据处理。2.2.1应变传感器的特性，2020/7/21/37，应变力传感器由弹性体、应变计和外壳组成。弹性体是力传感

14、器的基础，应变仪是传感器的核心。根据弹性体的不同结构形式，可分为：柱式、轮辐式、梁式、环式等。1.列传感器列传感器是称重(或负载测量)传感器的一种流行形式。它可以分为两种类型：圆柱形和圆柱形。它的结构是一个应变仪以某种方式附着在一个圆柱体上。2.2.2应变式称重传感器，2020/7/21/电阻应变片电阻的变化幅度相等，符号相反，从而减小了弯矩的影响。横向粘贴应变片作为温度补偿片。2020/7/21，40，输出特性，2020/7/21，41，横向附加应变计不仅可以补偿温度，还可以提高灵敏度。柱的不足是截面面积随荷载变化而引起的非线性，但可以补偿。圆筒结构可以将分散在端面的载荷集中在圆筒表面，改善

15、应力线的分布；缸壁开孔可形成许多应力线，与端面载荷分布无关，可减小偏心载荷和非均匀载荷的影响，使误差较小。2020/7/21，42，桶形传感器弹性体的不同截面，2020/7/21，43，辐条传感器是一种剪切力传感器。结构示意图如图所示，由车轴1、轮辋2、辐条3、轴承应变片4和拉伸应变片5组成。辐条成对连接在轮辋和轮轴之间，可以是四个或八个(图中为四个)。采用钢球传递重力，因为球形压头具有自动定心功能。当外力F作用在轮轴的上端面和轮辋的下端面时，矩形轮辐变形为平行四边形。2.辐条传感器，2020/7/21/44，辐条传感器结构示意图(一)；(b)形状，2020/7/21，45，矩形轮辐产生平行四

16、边形变形，在传感器中实际测量的不是剪切应变V，而是在剪切力作用下轮辐对角线方向的线性应变。此时，应变仪沿与轮辐水平中心轴成45角的方向安装。八个应变仪安装在四根辐条的前后两侧，形成一个全桥电路来检测线的应变。2020/7/21/46，八个应变计的连接方法如图所示。当受到外力作用时，粘贴在轮辐对角线方向上的应变片C被压缩，粘贴在对角线方向上的应变片T被拉伸。每对辐条的拉片和拉片串联连接以形成臂，并且压力件和压力件串联连接以形成相邻的臂。这有助于消除负载偏心对输出的影响。如果一个辐条被施加在轮轴和轮辋上的侧向力拉动，则另一个辐条被挤压。由于两根辐条的横截面相等，其上的应变片电阻变化大小相等，方向相反，每个臂的总电阻没有变化，对输出没有影响。2020/7/21，47，轮辐式传感器测量桥，2020/7/21，48，悬臂梁传感器是一种低变形、高精度、抗变形和抗侧向性能优良的称重传感器。弹性梁和电阻应变片被用作灵敏的转换元件以形成全桥电路。当垂直正压力或张力作用在弹性梁上时，电阻应变片随金属弹性梁变形，其应变改变电阻应变片的电阻，因此应变桥输出与张力(或压力