chap4 应变式传感器.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第,4,章 应 变 式 传 感 器,第四章 电阻应变式传感器,1,问题：,哪个是敏感元件？,哪个是传感元件？,传感元件的工作原理是什么？,传感元件和弹性体的关系是什么？,传感元件测量的是什么参数？,动态响应特性？,信号调理电路如何设计？,2,本章主要内容,电阻应变片工作原理,电阻应变片的种类、材料和性能参数指标,动态响应特性,温度误差及其补偿方法,电桥原理,几种应变式传感器的工作原理,3,金属导体的电阻值随其机械变形而发生变化的现象,电阻应变效应。,F,F,l,2r,l+dl,2(r-dr),:,电阻系数,l,:,金属导线长度,S,:,金属导线截面积,4.1,电阻应变效应,4,5,6,K,0,的大小与丝的材料有关，与应变数值有,关。,选材目的：,为,常数。,即：,7,常用材料,:,1),康铜（,5060%Cu,40%Ni),K=2.2;,2),镍铬（,80%Ni,20%Cr),K=2.4;,应变片的标称灵敏系数为：,测量条件：钢试件，单向应力状态。,横向效应引起,8,应变片的外形,取丝绕,结构分析,9,4.2,电阻应变,片,L,和,b,分别称为应变片的基长和宽度,10,一、基本结构组成,敏感栅,：,栅状,要求灵敏系数大、温度系数小，如：康铜、镍铬合金等。,基底和盖层（保护层）：纸质或胶质。要求机械强度高、绝缘性好、抗潮、耐热。厚度,0.03,0.06mm.,粘结剂,：,粘结力强、机械性能可靠。如：硝化纤维素、聚脂树脂、氰基丙稀酸等。,引线：低阻镀锡铜线。,11,二、应变片的类型,金属丝式应变片：,制作简单、性能稳定。,金属箔式应变片：,利用照相制版或光刻技术，将厚约为,0.003,0.01mm,的金属箔片制成敏感栅。,金属薄膜应变片：,金属薄膜应变片是是采用真空蒸发或真空沉积等方法，在薄的绝缘基片上形成厚度在,0.1m,以下的金属电阻材料薄膜的敏感栅。,半导体应变片：,采用半导体材料制作。,12,金属箔式应变片,尺寸小、图形准确,横向灵敏度小,容许电流大,疲劳寿命长,生产效率高,13,半导体应变片,原理：,压阻效应；,优点：,体积小、灵敏度高（比金属,应变片大几十倍），机械滞后小；,缺点：,温度系数大、非线性差、灵敏,度分散性大。,14,应变片的,粘贴,准备工作：对弹性元件的表面进行处理,粘贴应变片,连线组桥,复查,固化,F,15,横向效应分析：,设,丝总长为,L,对,n,段直线部分：,平面应变场任意方向的线应变为：,l,x,直线段,圆弧段,对,圆弧部分：,16,x,y,r,17,r,圆弧部分相对总电阻的变化为：,总的,电阻变化为：,18,令：,19,定义横向效应系数,C,：,在单向应力状态下,：,应变片的灵敏系数,：,20,减小横向效应,减小,K,y,短接式,箔式,决定横向效应大小的因素：,横向部分丝的电阻占总电阻的比例；,横向部分丝的总长度。,21,讨论,1,：应变片测量的是哪个物理量，,线应变的表达式是什么？,答,:,线应变,答,:,长度有限,阻值太小。,讨论,2,：测量应变为什么不用一根直金,属丝，而要绕成栅状？,应变是一个点的应变，应变片测量到的是栅长内的平均应变。,22,讨论,3,：在应变片实际使用过程中，,利用标称灵敏系数计算应变，存在,哪些原理误差？,1,）材料不同引起的误差,:,不同的材料，其,不同。即使应力状态,相同，应变场可能不同,;,2,）应力状态不同引起的误差,:,23,2,）应力状态不同引起的误差,:,标定,-,单向应力状态；,其它应力状态下：,24,按,标定灵敏系数计算的应变值：,误差,特殊：,当,有,25,讨论,4,：应变片作为敏感元件与弹性体,结合构成传感器时，是否要对材料或应,力状态进行修正？,答：不用。因为应变片粘贴处的应力,状态是不变的，经过校准以后,只要传感,器有良好的重复性即可。,注：应变片既可以作为敏感元件测量,应变，也可以作为传感元件测量其它量。,26,4.3,应变片的主要参数,1.,应变片的灵敏系数,k,原因：,1,）基底传递衰减；,2,）存在横向效应。,2.,横向效应系数,F,x,F,x,27,横向效应总是起着抵消纵向应变的作用。,r,、,l,C,横向效应小,采用短接式、直角式横栅减小横向效应,结论：,28,3.,应变极限,在,一定温度下，应变片的指示应变下降到真实应变的,90%,时的真实应变。,影响因素：粘接层的厚度、敏感栅材料的弹性变形范围。,真实,指示,29,4.,机械滞后,原因：基底和粘结剂的残余变形。,减小方法：使用前进行多次循环加、卸载荷。,指示,zm,30,5.,零漂和蠕变,零漂,：,指示,随时间的漂移（,未加载,、温度恒定）。,原因：,敏感栅通电流后的温度效应,应变片的内应力,固化不充分,蠕变,：,在某一恒定温度下，对试件,加一恒定应变,，这时指示应变随时间变化的特性。,500,指示,t,0,31,6.,应变片的阻值和允许电流,标准化的阻值：,60,、,120,、,350,、,600,、,1000,等,允许电流：,静态测量时：典型取值,25mA,；,动态测量时：比静态电流大一些。,32,4.4,电阻应变片的动态响应特性,一、应变波的传播过程,机械应变以相同于声波速度的应变波形式在材料中传播。,应变波在构件材料中传播速度：,弹性模量,构件材料密度,应变波从基底和粘接剂传到敏感栅：,所需时间为,10,-8,s,量级，可以忽略。,33,二、应变片可测频率的估算,1,、正弦应变波：,应变波在应变片敏感栅长度内传播：,应变片测量的为栅长内线应变的平均值。,34,设某,测试点的应变振动方程：,距离、速度、波长、频率的关系：,代入振动方程，得到波动方程：,35,36,当：,37,概念：栅长越短，频响越高。,设,L=n,时，,满足测试精度要求。,当：,38,2.,阶跃应变波,39,4.5,应变测量电桥电路,一、电阻电桥原理,:,1,、单臂电桥,R,1,R,2,R,3,R,4,U,SC,U,sr,I,1,I,2,A,B,C,D,40,41,42,43,单臂电桥的工作特性。,44,45,R,1,+R,1,R,2,-R,2,R,3,R,4,Usc,U,sr,相邻桥臂，电阻一个增加、一个减少,.,2,、差动电桥：,46,R,1,+R,1,R,2,+R,2,U,SC,U,sr,R,3,+R,3,R,4,+R,4,3,、全桥：,四臂都是应变片，且相邻电阻变化相反,47,R,1,+R,1,R,2,+R,2,U,SC,U,sr,R,3,+R,3,R,4,+R,4,48,有关差动电桥的说明：,输出灵敏度提高。,增大输入电压可提高灵敏度，但受传感元件功耗限制。,采用差动电桥可以减小非线性误差，减小程度与电桥结构形式有关。,(*),具有温度误差补偿作用。,(*),49,典型组桥方式,组桥,方式,输出电压,U,SC,温度补偿方法,单臂,测量,一,相邻桥臂接温度补偿片,半桥测量,自动补偿,对臂测量,另外两个桥臂接两个温度补偿片,全桥测量,自动补偿,50,二、直流电桥的非线性误差及其补偿,对于单臂电桥：,有：,51,非线性项,取拟和直线特性：,结论：满量程输入时，非线性偏差最大。,拟合直线和实际工作特性之间的偏差为,非线性误差。,52,非线性误差：,53,略去高阶小量，非线性偏差简化为：,实际输出电压：,54,举例：,对于电阻应变片：设,max,2000,，,K,2,，,则：,对于半导体应变片：设,max,1000,，,K,125,，,则：,55,减小非线性误差的措施：,采用,差动半桥,U,SC,R,1,R,2,R,3,R,4,U,SR,两,电阻变化异号。,56,57,结论：,理想为线性，一般情况下非线性,误差比单臂电桥的小。,拟和直线特性：,如果,:,58,对于全桥,:,特殊情况：,结论：理想情况下为线性。,59,采用恒流源,U,SC,R,1,R,2,R,3,R,4,I,I,1,I,2,60,当,4,臂,产生应变时：,U,SC,R,1,R,2,R,3,R,4,I,I,1,I,2,61,结论：非线性误差为恒压源的一半。,62,采用双恒流源,I,0,I,0,1,4,2,3,A,B,D,理论上没有非线性,问题：高精度的特性一致的恒流源比,较难实现。,63,交流电桥,电桥的平衡调节,64,例题：有一应变式测力传感器，弹性元件为实心圆柱，直径,D,40mm,，,沿圆柱的轴向和周向各粘贴两片应变片，应变片的灵敏系数,K,1.9,，,标称阻值,R,100,，,构成全桥。设力,F,10,000N,材料的弹性模量,E,200GPa,，,泊松比,0.3,，采用电压源供电，若应变片工作电流为,15mA,，,求电桥输出电压。,65,三、,电阻应变仪,电阻应变仪,静态电阻应变仪,动态电阻应变仪,66,67,一个测量通道能接成一个测量电桥，其工作原理如图。,有,几个测量通道，其实就是能接几个测量电桥。,测量通道切换,68,1.,桥臂切换法,桥臂切换法工作原理,69,换种画法,70,应变仪半桥切换工作原理,应变仪内部测量通道切换原理,71,应变仪全桥切换原理,72,2.,公共补偿接线法,这种接线方法是单臂半桥接线法扩展，适合于多点测量。,条件,多通道应变仪,被测点比较靠近，在同一个温度场中。,例：一根等强度梁，其上粘贴有多片应变片。等强度梁在,P,力作用下，要求测量等强度梁上各点的应变。,73,公共接线图,74,公共接线在应变仪上的连接原理,75,4.6,温度误差及其补偿,一、产生原因：,敏感栅的金属电阻本身随温度发生变化：,R,t,=R,0,（,1+t)R,t,=R,0,t,R,t,：,温度为,t,时的电阻值；,R,0,：,温度为,t,0,时的电阻值；,：,电阻温度系数,76,试件材料与应变材料的线膨胀系数不同引起应变片附加形变：,l,0,l,s,l,g,试件,应变片,应变片形变：,l,s,=,s,l,0,t ,s,:,应变片线膨,胀系数。,试件形变：,l,g,=,g,l,0,t ,g,:,试件线膨胀系数。,77,总的,电阻变化：,R,t,=R,t,+R,t,=R,0,t+R,0,K(,g,-,s,)t,R,t,/R,0,=t+K(,g,-,s,)t,附加形变：,l,=,l,g,-,l,s,=(,g,-,s,),l,0,t,附加应变：,=,l,/,l,0,=(,g,-,s,)t,附加电阻变化：,R,t,=R,0,K=R,0,K(,g,-,s,)t,折算成应变：,78,二、温度补偿方法,工作应变片贴在试件上，补偿片贴在补偿件上，补偿件的材料与试件相同，但是不受力，并接入电桥相邻臂。,设：,R,1,=R,2,=R,3,=R,4,=R R,1t,=R,2t,1,、桥路补偿法：,F,F,R,1,R,2,79,U,s,R,1,R,2,R,3,R,4,U,SC,受力后,:,80,特点：可以大大减小温度误差，但不能完,全消除温度误差。,81,工作片、补偿片贴在同一构件上，但两者感受的应变符号相反。,工作片、补偿片贴在同一构件上，但补偿片不受力作用。,P,R,2,R,1,R,1,R,2,82,2,、应变片自补偿法,基本思想,：,应变片当温度发生变化时，产生的附加应变为零或若干部分之间相互抵消。,要使：,R,t,=0,则：,+K,（,g,-,s,）,=0,求得：,=-K,（,g,-,s,）,特点：制作简单、成本低；,缺点,:,只能在某种材料的试件上才能得到补偿效果。,随温度变化为非线性时，引起输出非线性,。,适用于某一种构件材料的,自补偿应变片：,83,双金属敏感栅自补偿片（组合式自补偿应变片）,两种不同温度系数（一正一负）的金属丝串联绕制成敏感栅。,焊点,R,1,R,2,注意：,R,为一个桥臂电阻。,84,特点：补偿精度高、灵敏度不受损失,。,85,双金属半桥片,敏感栅由同符号电阻温度系数的,两种,合金丝串接而成。,敏感栅的两部分电阻,R,1,和,R,2,分别接入电桥的相邻两臂上。,R,1,R,2,a,b,c,特点：,铂或,铂合金,86,优点：适合于不同线膨胀系数的试件，调整,R,B,，,可使热补偿效果达到最佳。,缺点：,由于补偿栅和工作栅感受相同应变，所以补偿同时抵消有效应变，使输出灵敏度降低；,对,R,2,要求高,通常为,Pt,电阻。,R,1,R,2,R,3,R,4,U,SC,R,B,U,s,87,3,、灵敏度的热敏电阻补偿法,温度升高使应变片灵敏度降低输出,Usc,T,并联热敏电阻,R,t,阻值下降输出,Usc,适当选择电阻,R,5,可起到补偿作用。,R,1,R,2,Usr,U,sc,R,3,R,4,R,5,R,t,88,4.7,应变式传感器,应变式传感器,=,弹性敏感元件,+,应变片,电阻应变式传感器的特点,:,结构简单、尺寸小、重量轻；,使用方便、变换电路简单；,精度高、测量范围大、稳定性好；,测力：零点几,N,到几百,kN,，,0.05%F.S,测压：几十,Pa,至,10,11,Pa,，,0.1%F.S,价格便宜、品种多样；,应用广泛。,89,传感器的弹性敏感元件,常用弹性敏感元件：,弹性梁、柱、筒,膜片,膜盒,框架,波纹管,圆环,90,常用弹性元件材料,强度高：,具有较高的抗压,(,或抗拉,),强度,以便在大载荷下有足够的安全性能；,温度系数小且稳定；,弹性滞后、弹性后效小；,良好的机械加工和热处理性能；,耐腐蚀性能好。,铬钢,合金钢,铬锰弹簧钢,铍青铜,铝合金,91,柱式力弹性敏感,元件,:,特点：结构简单、可承受很大载荷,多种截面形状：实心截面、空心截面,轴向产生的应力、应变（,=0,）,横向产生的应变（,=90,0,）,92,l,b,h,l,0,R,1,R,3,F,梁式,力弹性敏感元件,1.,等截面梁,93,2,、等强度梁,l,h,F,b,94,3,、双端固定梁式,95,96,4,、环,97,压力弹性敏感元件,特点：空心，如：,弹簧管,波纹膜片和膜盒,平膜片,薄壁圆筒,98,99,圆形,平膜片,x,100,薄壁圆筒,101,4.7.1,应变式力传感器,测力,传感器的性能要求：,1,）线性好；,2,）迟滞小；,3,）重复性好；,4,）零漂小；,5,）蠕变小；,6,）测量结果与力,的作用位置无关；,7,）用于动态测量,时，频带宽。,102,测力,传感器应标明参数：,1,）量程；,2,）精度（线性、重复性、滞后等）；,3,）工作频率；,4,）外形尺寸；,5,）使用环境（温度、湿度、介质、,安装处振动等）；,6,）安装方式,.,103,特点：结构简单、适合大载荷测量,多种截面形状：实心截面、空心截面,1,、柱式力传感器,104,弹性工作段,105,相对两片串联，并置于对臂，消除偏心干扰。,F,106,轴向产生的应力、应变,横向产生的应变,基本原理：,107,举例：传感器的尺寸设计：,额定许用应变：,要求：设计,1000kgf,空心柱式力传感器。,弹性元件的材料：,40CrNiMo,a,、,横截面的计算,108,选,外径,d,1,的原则：,1),不能过小，否则会失稳,且由于力的,偏心产生较大误差；,2),不能过大，否则会由于壁太薄产生失稳。,109,取d,1,=15mm,取d,2,=13mm,b,、,柱高,h,的计算,h,选择的原则：,1),不能过大，否则会产生失稳；,2),不能过小，否则应变沿轴线分布不,均匀。,110,c,、,传感器输出计算,满,量程下的轴向应变为：,传感器的读数应变为,(,按全桥计算）,：,恒压供桥时，桥压为：,P,-,敏感栅上的功率密度（,W/mm,2,);,A,g,-,敏感栅面积（,mm,2,);,111,取：,取,u=10V,K=2,，,则：,112,113,减小横向力的措施,采用空心圆柱型弹性元件；,在载荷作用的端部附加承弯膜片；,采用扁平式,弹性元件,：,114,汽车衡,整体称重,地秤称轴重,115,汽车衡,称重系统,-,地秤的结构,116,2,、悬臂梁式力传感器,它适于测量,500Kg,以下的载荷，最小为测几十克重的力，这种传感器具有结构简单、加工容易、应变片易粘贴、灵敏度高等特点。,117,118,问题：传感器的输出随载荷的位置而改变。,L,P,h,b,119,问题：为什么开孔？,120,电桥输出为：,121,结论：电桥输出与载荷位置无关！,适合量程：小量程。,122,应用实例：电子秤,123,人体秤,124,3,、圆环式力传感器,特点：测量中等和,较小力值。,在,2,0,区域内截面的内力为：,P,P,轴力:,剪力:,弯矩,:,125,在,处：,在,处：,P,P,此处应变并非最大。为什么在此布片？,126,圆环力传感器动画演示：,127,吊钩秤,便携式,128,某应变式力传感器分解图：,129,4.7.2,压力传感器,1,、正压力与压强,正压力：物体与物体在垂直于接触表面方向的相互作用力，单位：,N,。,对于,流体,(,气、液,),工程上习惯称为压力。,压强：单位面积上作用的正压力。,单位：,N/m,2,或,Pa,。,130,适用于测量液体或气体的压力,.,其特性参数受圆板的周边的固定情况影响大。,2,、,膜片式压力传感器,膜片结构形式,131,R,为膜片自由变形部分的半径；,为膜片的厚度；,为膜片中心的垂直位移；,特点：压力与位移为非线性关系。,波纹膜片：（正弦波、三角波等）,为膜片材料的泊松比。,132,a,b,c,取决于波纹形状、峰峰值和条纹数；,特点：压力与位移为非线性关系，但非线性程度比平膜片小。,133,平膜片应变分析,膜片在均匀压力,P,的作用下，径向应力,r,和切向应力,t,为：,134,式中，,R,为膜片半径，,r,为位置参量，,h,为膜片厚度，,为材料泊松比。,利用胡克定律求径向应变和切向应变为：,E,为材料的弹性模量。,由此得到的应变分布曲线为：,135,应变分布特点：,1,）最大正应变：正应变最大在圆心，方向沿径向或切向；,136,2),负应变最大在平膜片的固定处，方向沿直径方向。,137,膜片式压力传感器的一种敏感元件结构,一共,4,个,部分；构,成电桥。,138,平膜片传感器实物照片,膜片,外壳,插座,139,140,2,、筒,式,压力传感器,设,圆筒的内半径为,a,1,;,圆筒的外半径为,a,2,;,令：,圆筒外表面的周向和轴向应力分别为：,1,）圆筒内作用压力,P,R,1,R,2,P,a,1,a,2,z,t,141,圆筒外表面的周向和轴向应变分别为：,特点,：两个方向的应变皆大于零；周向,应变大于轴向应变。,142,布片,方案,：两个周向应变片和两个温度补偿片，恒压电桥输出为：,圆筒内表面的周向和轴向应力分别为：,2),圆筒外作用压力,143,内表面的周向应变为,负,，大小为：,恒压电桥输出为：,144,4.7.3,应变式位移传感器,梁式,弹性元件位移传感器,145,组合应变式位移传感器,关系：被测位移弹簧变形梁位移,146,4.7.4,扭矩传感器,0,90,180,270,3,1,2,4,147,148,扭力扳手,-,反映力和力臂的乘积大小,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，准确控制紧固螺纹的装配扭矩。量程,2500N.m,，,耗电量,10mA,，,有公制,/,英制单位转换、峰值保持、自动断电等功能。,149,4.7.5,加速度传感器,设被测对象的,运动规律为：,对质量块进行受力,分析：,弹簧的作用力为：,150,阻尼力为：,惯性力为：,质量块受力平衡分析：,注,：此处的,x,为去除掉重,力,mg,引起的弹簧变形后,的弹簧变形量。,P,F,R,151,即：,或：,令：,固有频率,阻尼比,上式,改写为：,152,解为：,153,154,结论：,在适当的工作频率范围内，利,用变形,x,0,测量加速度,a,0,。,155,当：,时，,一般情况：,输出相位角为：,156,=2,0.8,0.6,0.5,1 2 3 4 5,5,4,3,2,1,0,加速度传感器幅频特性,157,158,刚度为：,固有频率为：,悬臂梁加速度传感器,159,注意：,质量,m,应该包括梁的等效质量。,设,质量块受到的作用力为,P,，,挠度为：,梁表面最大应变为：,两式相除：,则加速度为：,160,特点：固有频率高。,柱式加速度传感器,161,它是一种惯性式传感器。质量块,m,沿加速度,a,相反的方向运动（即相对于基座运动），使梁发生形应变，应变片的电阻发生变化，产生输出信号，输出信号的大小与加速度成正比,。,总结：,162,本章要点,应变片的工作原理,测量电路（电桥）分析,非线性误差和温度误差及其补偿（桥路补偿方法）,常用应变式传感器的分析计算,163,应变片在悬臂梁上的粘贴及变形,164,