应变式传感器培训课件.ppt

1、,传感器原理及工程应用,第3章 应变式传感器,1.电阻应变片原理 2.金属应变片的主要特性 3.应变片测量电路 4.应变式传感器的应用,第3章：应变式传感器,本章重点：掌握金属应变片式传感器构成原理及特性，通过对电阻应变片测量桥路的分析，掌握测量电路的结构、形式、特点及相关测量计算。,电阻式应变传感器作为测力的主要传感器，测力范围小到肌肉纤维，大到登月火箭，精确度可到 0.010.1%。有拉压式（柱、筒、环元件）、弯曲式、剪切式。,概述：,第3章 应变式传感器 概述：,各种电子秤,广泛应用于,第3章 应变式传感器,概述,第3章 应变式传感器,概述,第3章 应变式传感器,3.1 电阻应变片原理

2、（1）应变效应,导体和半导体材料在受到外界力（拉力或压力）作用时，产生机械变形，机械变形导致其阻值变化，这种因形变而使其阻值发生变化的现象称为“应变效应”.,下面以金属丝应变片为例，介绍它的应变效应。一根金属丝长度为 L，截面积为A ，电阻率为 其电阻R为：,对 式进行全微分可得：电阻的相对变化量：若电阻丝是圆形的则截面积：对 微分：,3.1 电阻应变片原理 （1）应变效应,上式表示：电阻的相对变化量。它是与电阻率的相对变化量、长度的相对变化量、及半径的相对变化量有关的一个量，它是所有参数变化量的代数和。由材料力学知识可得： （金属丝的轴向应变量） （金属丝的径向应变量）在弹性范围内，金属丝受

3、拉力时，沿轴向伸长，沿径向缩短。轴向和径向应变的关系可表示为： ：金属材料的泊松系数,称为金属丝的应变灵敏系数。其物理意义是单位应变所引起的电阻相对变化，灵敏系数受两个因素的影响，一个是受力后材料几何尺寸的变化（ ）；另一个是，受力后材料的电阻率发生的变化( )。对于确定的材料，( )项是常数，其数值在 12 之间，实验证明 也是个常数。,3.1 电阻应变片原理 （1）应变效应,dR/R=K:表示金属电阻丝在产生应变效应时应变与电阻变化率是成线性关系。 1=110-6 ,第3章 应变式传感器,3.1 电阻应变片原理 （2）压阻效应和压阻式传感器,半导体应变片又称压阻式传感器 优点：灵敏度高、耗

4、电少、有正负两种应力效应。 缺点：受温度影响较大。,半导体材料的灵敏系数主要由压阻效应引起的电阻 率的变化；灵敏系数远大于金属应变片的灵敏系数。,对半导体,已知受力引起的电阻变化为：,3.1 电阻应变片原理 （1）应变效应,用应变片测量应变或应力时, 根据上述特点, 在外力作用下, 被测对象产生微小机械变形, 应变片随着发生相同的变化, 当测得应变片电阻值变化量R时, 便可得到被测对象的应变值。根据应力与应变的关系, 得到应力值为 =E 式中 : 试件的应力; 试件的应变; E试件材料的弹性模量。 由此可知, 应力值正比于应变, 而试件应变正比于电阻值的变化, 所以应力正比于电阻值的变化, 这

5、就是利用应变片测量应变的基本原理。,金属应变片结构： 敏感栅高阻金属丝、金属箔 基片绝缘材料 盖片保护层,第3章 应变式传感器3.2 应变片的种类、材料及粘贴,主要有金属电阻应变片和半导体应变片两大类。金属电阻应变片：丝式、箔式两种。 丝式应变片如图所示，它是将金属丝按图示形状弯曲后用粘合剂贴在衬底上而成,电阻丝两端有引出线，使用时只要将应变片贴于弹性体上就可构成应变式传感器。,第3章 应变式传感器3.2 应变片的种类、材料及粘贴,各种金属箔式应变片,第3章 应变式传感器3.2 应变片的种类、材料及粘贴,第3章 应变式传感器3.2 应变片的种类、材料及粘贴,对敏感栅的材料的要求： 应变灵敏系数

6、大，并在所测应变范围内保持为常数； 电阻率高而稳定，以便于制造小栅长的应变片 电阻温度系数要小； 易于焊接，对引线材料的热电势小； 加工性能良好,易于拉制成丝或轧压成箔材；,第3章 应变式传感器3.2 应变片的种类、材料及粘贴,粘贴剂用于将敏感栅固定于基底上，并将盖片与基底粘贴在一起。使用金属应变片时，也需用粘结剂将应变片基底粘贴在构件表面某个方向和位置上。以便将构件受力后的表面应变传递给应变计的基底和敏感栅。 常用的粘结剂分为有机和无机两大类。有机粘结剂用于低温、常温和中温。常用的有聚丙烯酸酯、酚醛树脂、有机硅树脂，聚酰亚胺等。无机粘结剂用于高温，常用的有磷酸盐、硅酸、硼酸盐等。,（1）应变

7、片的灵敏系数,金属丝做成应变片后电阻应变特性与单根金属丝不同；实验证明，应变片灵敏系数K K0电阻丝灵敏系数，产品的灵敏系数称“标称灵敏系数”。,第3章 应变式传感器3.3电阻应变片的特性,直线电阻丝绕成敏感栅后，虽然长度相同，但应变不同，园弧部分使灵敏系数K下降，这种现象称为横向效应。,（2）横向效应.,第3章 应变式传感器3.3电阻应变片的特性,电阻丝阻值与温度关系：,因试件使应变片电阻产生附加形变造成的电阻变化,温度变化t时电阻丝的电阻变化,第3章 应变式传感器3.3电阻应变片的特性,（3）应变片的温度误差及补偿,第3章 应变式传感器3.3电阻应变片的特性,由温度变化而引起应变片电阻的变

8、化为：,（3）应变片的温度误差及补偿,折合成附加应变为：,第3章 应变式传感器3.3电阻应变片的特性,应变片安装在自由膨胀的试件上，如果环境温 度变化，应变片的电阻也会变化，这种变化叠加在测量结果中称应变片温度误差。应变片温度误差来源有下面几个因素： 0 应变片本身电阻温度系数影响； g S试件材料和敏感栅材料的线膨胀系数不同所产生的影响 因环境温度的变化t 应变片本身的性能参数K0,（3）应变片的温度误差及补偿,（3）应变片温度误差及补偿,温度补偿方法有：电桥线路补偿、自补偿、辅助测量补偿、热敏电阻补偿、计算机补偿等。 线路补偿： 被测试件位置上安装一个补偿片处于相同的温度场； 电桥输出U0

9、与桥臂参数的关系为： U0=A（R1R3-RBR2） 当温度变化时 R1=RB，电桥平衡， 当有应变时R1/R1=K， 补偿片RB无变化RB=0,第3章 应变式传感器3.3电阻应变片的特性,若要实现完全补偿，必须满足以下条件： 1）在应变片工作过程中，保证R3=R2 2）R1和RB具有相同的温度系数、线膨胀系和初始电阻值 3）粘贴补偿片的补偿块和被测试 件材料必须一样，线膨胀系数相同 4）两应变片处于同一温度场,第3章 应变式传感器3.3电阻应变片的特性,（3）应变片温度误差及补偿,（3）应变片温度误差及补偿,自补偿方法,第3章 应变式传感器3.3电阻应变片的特性,这种温度补偿法是利用自身具有

10、温度补偿作用的应变片, 称之为温度自补偿应变片。 温度自补偿应变片的工作原理可由t折合成附加应变公式得出, 要实现温度自补偿, 必须满足： 0= -K0（g-s） ,第3章 应变式传感器3.4 电阻应变片的测量电路.,如某传感器弹性元件在额定载荷下产生应变 1000，应变片的电阻值为120，灵敏度 系数K=2，则电阻的相对变化量为 ：,电阻变化率只有0.2%。这样小的电阻变化，用一 般测量电阻的仪表很难直接测出来，必须把电阻的变化转换为电压或电流的变化。完成这个作用的电路称为测量电路，最常用的电路为电桥电路.,1.直流电桥, 直流电桥的平衡条件 负载RL（开路）,电桥平衡时U0=0 相对臂阻值

11、乘积相等 相邻臂阻值比相等,第3章 应变式传感器3.4 电阻应变片的测量电路, 电压灵敏度：,电阻应变片接入电桥电路通常有以下几种接法： 如果电桥一个臂接入应变片，其它三个臂采用固定电 阻，称为单臂工作电桥； 如果电桥两个臂接入应变片称为双臂工作电桥,又称为 半桥形式； 如果四个臂都接入应变片称为全桥形式。 以第一桥臂R1由应变片来代替， 组成的单臂工作电桥为例进行分析。 初始平衡 ： 平衡条件：,第3章 应变式传感器3.4 电阻应变片的测量电路,不考虑环境温度的影响则有:,当工作应变片R 1 产生一个R1 则 ：,第3章 应变式传感器3.4 电阻应变片的测量电路,电压灵敏度：,因为 忽略分母

12、中的 ，设桥臂比 并考虑到起始平衡条件，从上面 U0 公式可得下式 电桥电压灵敏度定义为： .由 来求 的最大值，由此得： 求得n=1时， 最大。,将n=1 代入 公式得： 由上面分析可知：当电源电压和电阻相对变化一定时，电桥的输出电压及灵敏度也是定值，且与各桥臂阻值大小无关。差动形式的半桥和全桥线路的电压灵敏度： 差动半桥电路使一个应变片受拉、一个应变片受压，则应变符号相反；将这两个应变片接入电桥的相邻臂上，作为电桥的工作臂，另两个桥臂为固定电阻。以等臂桥为例，且初始状态和单臂桥相同。,差动半桥输出电压U0 为： 如果： 则： 由上式可知， U0 与 成线性关系，差动电桥无非线性误差。而且电

13、压灵敏度比使用一只应变片提高了一倍，同时可以起到温度补偿的作用。,第3章 应变式传感器3.4 电阻应变片的测量电路,电压灵敏度：,若将电桥四臂接入四片应变片如图所示，两个受拉，两个受压，将两个应变符号相同的接入相对臂上，则构成全桥差动电路。若：则： 电压灵敏度比单臂提高了四倍，比半桥差动电路提高了一倍。,第3章 应变式传感器3.4 电阻应变片的测量电路,电压灵敏度：,非线性误差及其补偿方法,设桥路输出电压为 U,0 ，忽略分母中 项的输出 电压为 ，则： 则非线性误差为（R1=R2=R3=R4）,第3章 应变式传感器3.4 电阻应变片的测量电路,对于一般应变片来说，所受的应变经常在 以下。若取

14、灵敏度系数K=2，则:代入rL式中： rL =0.01/(1+0.01+1)=0.01/2.010.005即rL =0.5% 如半导体应变片 当承受 时，代入到rL公式，则r L=6% (误差过大). 所以对半导体应变片的测量电路要作特殊处理，才能减小非线性误差。,非线性误差及其补偿方法,为了减小或消除非线性误差可采用下列措施 提高桥臂比：n=R2/R1 n增大 rL 误差减小，但是桥路电压灵敏度下降；为了保证桥路电压灵敏度不下降。可以适当提高供桥电源电压。 采用差动测量,第3章 应变式传感器3.4 电阻应变片的测量电路,根据直流电桥分析可知, 由于应变电桥输出电压很小, 一般都要加放大器,

15、而直流放大器易于产生零漂, 因此应变电桥多采用交流电桥。,2.交流电桥,图 为交流电桥, 为交流电压源, 开 路输出电压为 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, 即相当于二只应变片各 并联了一个电容, 则每一桥臂上复阻抗 分别为：,第3章 应变式传感器3.4 电阻应变片的测量电路,2.交流电桥,交流电桥输出特征方程：,第3章 应变式传感器3.4 电阻应变片的测量电路,交流电桥平衡调节,电阻调平桥路： a）串联法 b）并联法 电容调平桥中； c）差动法 d）阻容法,第3章 应变式传感器3.5 应变式传感器的应用,1）我们前几节讲述了应变片的工作原理、结构、特

16、性，了解到应变片能将应变直接转换成电阻的变化。所以在测量构件应变时，将应变片粘贴于被测构件上，就可直接用来测定构件的应变和应力。例如，为了研究或验证机械、桥梁、建筑等某些构件在工作状态下的应力、变形情况，可利用形状不同的应变片，粘贴在构件的预测部位，可测得构件的拉、压应力、扭矩或弯矩等，从而为结构设计、应力校核或构件破坏的预测等提供可靠的实验数据。,第3章 应变式传感器3.5 应变式传感器的应用,2）如果要测量其它物理量，如力、位移、加速度等参数。就需要先将这些物理量转换成应变量，然后再用应变片的工作原理进行测量。比直接测量时多了一个转换过程，完成这种转换的元件通常称为弹性 元件。弹性元件将被

17、 测物理量转换为成正 比变化的应变，再通 过应变片转换为电阻 变化输出。,弹簧管,第3章 应变式传感器3.5 应变式传感器的应用,应变式传感器的典型应用见下图。图中所示为加速度传感器，由悬臂梁、质量块、基座组成。测量时，基座固定在振动体上，当被测体振动时，振动加速度使质量块产生惯性力，悬臂梁则相当于惯性系统的“弹簧”，也就是我们前面介绍的弹性元件。应变片是粘贴在悬臂梁上，在惯性力作用下悬臂梁产生弯曲变形。因此，梁的应变在一定的频率范围内与振动体的加速度成正比。,柱（筒）力式传感器,如图：这是圆柱式力传感器的弹性元件（分为实心和空 心两种）。将应变片粘贴在柱状的试件上，在轴向布置 一个或几个 应

18、变片，在圆周方向布置同样数目的应变 片。在力F作用下，在弹性范围内，则应力 与应变成正比关系，其应变为： （材料力学中=F/S） （轴向应变） （横向应变） 各种拉力或压力传感器主要是用的柱力 式传感器，如BLR型拉力传感器，它的弹性 敏感元件就采用的是空心圆柱体。,力传感器（测力与秤重）,圆柱面展开图,第3章 应变式传感器3.5 应变式传感器的应用,力传感器（测力与秤重）,各 种 形 式 梁,第3章 应变式传感器3.5 应变式传感器的应用,1）梁力式（等截面梁、等强度梁）,第3章 应变式传感器3.5 应变式传感器的应用,等强度梁： 悬臂梁长度方向的截面积按一定规律变化， 是一种特殊形式的悬臂

19、梁。 当力作用在自由端时，力距作用点任何截面 积上应力相等，应变片的应变大小为：,3.5 应变式传感器的应用力传感器（测力与秤重）,各种平行双孔梁,2）双孔梁： 结构如图所示，在板状梁上有两个孔，在梁的 端部有集中力作用时，孔内承受弯曲变形。将 应变片粘贴在孔的内壁，应变片处在相反的应 力区内。,第3章 应变式传感器3.5 应变式传感器的应用,3）“S”形弹性元件 如图所示：为“S”形弹性元件，也是利用弹性 体的弯曲变形，与双孔梁类似。,第3章 应变式传感器3.5 应变式传感器的应用,3.5 应变式传感器的应用应变式压力传感器 膜片式压力传感器,膜片式传感器的弹性敏感元件是一个圆形的金属膜片，

20、金属元件的膜片周边被固定，当膜片一面受压力P作用时，膜片的另一面有径向应变r和切向应变t 。应变值分别为：,膜片式压力传感器,P,第3章 应变式传感器3.5 应变式传感器的应用,由上公式规律可找出贴片的方法,由于切应变全是正的，中间最大；径向应变沿圆板分布有正有负，在中心处和切应变相等，而在边缘处最大，是中心处的二倍，在xR3处为零故贴片时要避开r0处。一般在圆片中心处沿切向贴两片，在边缘处沿径向贴两片。,结构如图：它由端部固定并带有惯性质量块的悬臂梁 及粘贴在梁根部的应变片和壳体等组成。梁和质量块 的周围充满 阻尼液（硅油），用以产生必要的阻尼。 是一种惯性式传感器。 测量时，根据所测振动 体加速度的方向，把传感器 固定在被测部位。当被测点 的加速度沿