第4章_应变式传感器.ppt

,第,4,章 应变式传感器,主要内容：,4.1,应变式工作原理,应变片的种类、材料及粘贴,4.2,电阻应变片的特性,4.3,电阻应变片的测量电路,4.4,应变式传感器应用,第,4,章 应变式传感器,返 回 主 目 录,概述：,电阻应变式传感器：机械变形电阻应变片形变电阻变化电量输出；,电量变化的大小反映了被测物理量的大小；,构成：弹性元件上电阻应变敏感元件；,主要应用：测量力、力矩、压力、加速度、重量等,。,4.1,工作原理,一、,应变效应：,导体或半导体材料在外界力的作用下产生机械变形时,其电阻值相应发生变化的现象，称,应变效应,。,如图,4-1,所示，金属电阻丝,不受力,时，电阻值为：,（,4-1,）,式中,：,电阻丝的电阻率,;,L,电阻丝的长度,;,A,电阻丝的截面积。,当电阻丝,受到拉力,F,作用时,将,伸长,L,，,横截面积相应,减小,S,，,电阻率将因,晶格发生变形等因素而,改变,，,故电阻值发生变化。,对式（,4-1,）全微分并化简、整理，得电阻值相对变化量为：,4,1,式中：,d,l,/,l,长度相对变化量,用应变,表示：,dA,/A,电阻丝的截面积相对变化量，有：,金属丝受拉力时,沿,轴向伸长,沿,径向缩短,由材料力学可知,在弹性范围内,轴向应变和径向应变有如下关系,：,式中：,金属丝材料的,泊松比,负号表示应变方向相反。,将式（,4,3,）、式（,4,4,）、式（,4,5,）代入式（,4,2,）,得：,或：,金属丝的,灵敏度系数：,单位应变能引起的电阻值变化。其物理意义是单位应变所引起的电阻相对变化量,其表达式为,注意：,影响灵敏度系数的两个因素,：几何尺寸的变化,即（,1+2,）；,电阻率发生的变化,即（,d/,）,/,。,对金属材料,电阻丝：,（,1+2,）,（,d/,）,/,）；,半导体材料,：（,d/,）,/,）,（,1+2,）。,实验证明,在电阻丝拉伸极限内,电阻的相对变,化与应变成正比,即,K,为常数。,二、压阻效应,当半导体材料某一轴向受外力作用时，其电阻率发生变化的现象，称,压阻效应,。表达式为：,注意：,半导体应变片的灵敏度系数比金属丝式高,50,80,倍；,半导体材料温度系数大，应变时非线性严重；,式中：（,d/,）,电阻率相对变化量；和所受的轴向力有关，由材料力学可知：,式中,:,半导体的应力,;,半导体的,压阻系数,;,半导体的应变,;,E,半导体材料的弹性模量。,于是：式（,3,9,）,转化为：,对半导体应变片来说，,E,（,1+2,），故其,灵敏系数为,：,相应的应力值,为：,应变片的种类、材料及粘贴,一、电阻应变片的种类及性能参数,2.,组成：,敏感栅、基片、覆盖层和引线。如图,4-2,所示。,1.,种类：,3.,特点：,各有不同特点。,4,2,金属箔式应变片：,在绝缘基底上，将厚度为,0.003,0.01mm,电阻箔材，利用,照相制板,或,光刻腐蚀,的方法，制成适用于各种需要的形状,。,箔式应变片,优点：,（,1,）尺寸准确，线条均匀，适应不同的测量要求，,（,2,）可制成多种复杂形状尺寸准确的敏感栅,（,3,）与被测试件接触面积大，粘结性能好。,散热条件好，允许电流大，灵敏度提高。,（,4,）横向效应可以忽略。,（,5,）蠕变、机械滞后小，疲劳寿命长。,缺点：,电阻值的分散性大。,金属薄膜应变片,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,薄膜敏感栅,，再加上保护层，易实现工业化批量生产。,优点：,应变灵敏系数大，允许电流密度大，可靠性高，精度高，易小型化，无迟滞、蠕变，工作范围广，易实现工业化生产。,问题：,难控制电阻与温度和时间的变化关系。,应变片电阻值：,在未经安装也不受外力情况下，于室温下测得的。,电阻系列：,60,、,120,、,200,、,350,、,500,、,1000,电阻值大：,可以加大应变片承受电压；,输出信号大；,敏感栅尺寸也增大；,电阻应变片性能参数：,二、金属电阻应变片的材料,材料的要求：,如下表所示,(1),灵敏系数大，且很大范围内保持常数；,(2),值大；,(3),电阻温度系数小，电阻,温度间的线性关系和重复性好；,(4),机械强度高，焊接性能好，与其他金属之间接触热电势小；,(5),抗氧化、耐腐蚀性能强，无明显机械滞后。,三、金属电阻应变片的粘贴,1.,对粘结剂的要求：,有一定的粘结强度；,能准确传递应变；蠕变小；机械滞后小；,耐疲劳性能好，韧性好；长期稳定性好；,对弹性元件和应变片不产生化学腐蚀作用；,较大的使用温度范围。,2.,应变片粘贴工艺：,应变片检查：外观、电阻值、灵敏系数和横向灵敏度等。,修整应变片：,试件表面处理,划粘贴应变片的定位线,粘贴应变片：压挤出多余的粘合剂，粘合剂层的厚度尽量减薄。,粘合剂的固化处理,应变片粘贴质量的检查：外观检查、电阻值检查、绝缘电阻检查、,引出线的固定保护：引线与试件之间的良好绝缘。,应变片的防潮处理：应变片粘贴好固化以后，要进行防潮处理，以免潮湿引起绝缘电阻和粘合强度降低。,一、横向效应,应变片粘贴在被测试件上时图,4-3,所示。,敏感栅：,n,条长度为,l,1,的直线段，（,n-1,）,个半径为,r,的半圆组成。,受轴向拉力,时，各直线段应变,x,，,半圆弧段应变：,+,x,x,即：,圆弧段电阻的变化,轴向的同样长度电阻丝电阻的变化。,结论：,直的电阻丝绕成敏感栅后,虽然长度不变,应变状态相同,但应变片敏感栅的电阻变化减小,因而其灵敏系数,K,比电阻丝的灵敏系数,K,0,小,这种现象称为应变片的,横向效应,。,4.2,电阻,应变片的特性,注意：,实际使用条件和标定条件不同时，如,0.285,或受非单向应力状态，由于横向效应的影响,实际,K,值要改变，如仍按标称灵敏系数来进行计算,可能造成较大误差。应进行必要的修正，,现在多采用箔式应变片。,4,3,二、应变片的温度误差及补偿,1.,应变片的温度误差,因测量现场环境温度的改变而给测量带来的附加误差，称为,应变片的温度误差,。,误差的主要因素：,电阻温度系数的影响,，,线胀系数的影响,；,电阻温度系数的影响,敏感栅的电阻丝阻值随温度变化的关系为：,R,t,=,R,0,（,1+,0,t,）,(4-14),式中,:,R,t,温度为,t,时的电阻值,;,R,0,温度为,t,0,时的电阻值,;,0,金属丝的电阻温度系数,;,t,温度变化值,t,=,t,t,0,。,当温度变化,t,时,电阻丝电阻的变化值为,R,=,R,t,R,0,=,R,0,0,t,（,4-15,）,线膨胀系数的影响,当环境温度变化时，,试件与电阻丝材料的,线膨胀系数相同,：不会产生附加变形；,试件和电阻丝线,膨胀系数不同,：电阻丝会产生附加变形，从而产生附加电阻。,设：电阻丝和试件在温度为,0,时的长度均为,L,0,，,它们的线膨胀系数分别为,s,和,g,；,若两者不粘贴，则它们的长度分别为：,L,s=,L,0,（,1+,s,t,）,（,4-16,）,L,g,=,L,0,（,1+,g,t,）,（,4-17,）,粘贴在一起，电阻丝产生的附加变形,L,，,附加应变,和附加电阻变化,R,分别为,L,=,L,g,L,s=,（,g,s,）,L,0,t,(4-18),=,L,/,L,0,=,（,g,s,）,t,(4-19),R,=,K,0,R,0,=,K,0,R,0,(,g,s),t,(4-20),由式（,4-15,）,和式（,4-20,）,可得由于温度变化而引起应变片总电阻相对变化量为,折合成附加应变量（虚假的应变）,t,，有,(4-21),(4-22),结论：,环境温度变化，会产生附加误差；,所引起的附加电阻的相对变化量，不但与环境温度有关，还与应变片自身的性能参数（,K,0,，,0,，,s,）,以及被测试件线膨胀系数,g,有关。,2.,电阻应变片的温度补偿方法,电阻应变片的温度补偿方法：,线路补偿法,，,应变片自补偿,。,线路补偿法,电桥补偿：最常用，效果较好。图,4,4,所示是电桥补偿法的原理图。,4,4,电桥输出电压,U,o,与桥臂参数的关系为：,U,o,=,A,（,R,1,R,4,R,B,R,3,）,（,4-23,）,式中：,A,由桥臂电阻和电源电压决定的常数；,R,1,工作应变片；,R,B,补偿应变片,补偿原理：,当,R,3,和,R,4,为常数时，,R,1,和,R,B,对电桥输出电压,U,0,的作用方向相反。,补偿过程：,工作应变片,R,1,粘贴在被测试件,表面上,补偿应变片,R,B,粘贴在,与被,测试件材料完全相同的,补偿块,上，仅工作应变片承受应变。如图,4,4,所示。,被测试件,不承受应变,时，,R,1,和,R,B,又处于,同一环境温度,为,t,的温度场中，,调整电桥,参数，使之达到,平衡,，则,U,o,=,A,（,R,1,R,4,R,B,R,3,）,=0,（,4 24,）,通常取：,R,1,=,R,B,=,R,3,=,R,4,。,当,温度变化,t,=,t,t,0,时，,R,1,和,R,B,因温度而引起的电阻变化量相等,电桥仍平衡,，即,U,o,=,A,(,R,1,+,R,1t,),R,4,(,R,B,+,R,Bt,),R,3,=0 (4,25),被测试件有应变,时，则,R,1,新的增量,R,1,=,R,1,K,；,R,B,不承受应变，无新的增量。于是电桥输出电压为：,U,o,=,AR,1,R,4,K,（,4-26,）,结论：,电桥的输出电压,U,o,仅与被测试件的应变,有关，而与环境温度无关。,注意，,实现完全补偿必须满足,四个条件,：,在应变片工作过程中，保证,R,3,=,R,4,。,R,1,和,R,B,具有相同的电阻温度系数,线膨胀系数,灵敏度系数,K,和初始电阻值,R,0,。,补偿块材料和被测试件材料必须一样，两者线膨胀系数相同。,两应变片应处于同一温度场。,应变片的自补偿法,自身具有温度补偿作用的应变片，称为,温度自补偿应变片,。,工作原理：由式,（,4,21,）,得出，要实现温度自补偿，必须有,0,=,K,0,（,g,s,）,（,4-27,）,可见，当被测试件的线膨胀系数,g,已知,时，,合理选择敏感栅材料,的电阻温度系数,0,、,灵敏系数,K,0,和线膨胀系数,s,，,满足式（,4,27,），则不论温,度如何变化，均,有,R,t,/,R,0,=0,，,从而达到温度自补偿的目的。,4.3,电阻应变片的测量电路,测量电路：直流电桥，交流电桥。,一、直流电桥,1.,直流电桥平衡条件：,电桥如图,3,5,所示,E,为电源,R,1,、,R,2,、,R,3,及,R,4,为桥臂电阻,R,L,为负载电阻。,4,5,当电桥平衡时，,U,o,=0,则有,电桥平衡条件：,R,1,R,4,=,R,2,R,3,或：,（,4-29,）,设：,n,=,R,2,/,R,1,为桥臂比,R,1,R,1,忽略分母中,R,1,/,R,1,，,且有平衡条件：,R,2,/,R,1,=,R,4,/,R,3,，,则式（,4,30,）,化为：,2.,电压灵敏度：,单臂电桥：,R,1,为电阻应变片，,R,2,R,3,R,4,为电桥固定电阻。电桥后一般接放大器，由于,放大器,的,输入阻抗很大,，电桥视为,开路,。,若应变片电阻变化为,R,，,电桥输出电压,U,o,0,，,则电,桥失衡，输出电压为：,（,4-30,）,（,4-31,）,4,5,于是，得到,电桥电压灵敏度,为：,结论：,电桥电压灵敏度,正比于,电桥供电电压：供电电压越高，灵敏度越高。但电压的提高受到应变片允许功耗的限制，要选择适当；,恰当地选择,桥臂比,n,，,保证电桥具有较高的电压灵敏度。,（,4-32,）,当,E,一定时，,n,与,K,U,的最大值的关系：,K,U,取最大值时，应满足：,dK,U,/,dn,=0,，,即：,得：,n,=1,时，,K,U,为最大值。即电桥电压确定后，当,R,1,=,R,2,=,R,3,=,R,4,时,电桥电压灵敏度最高。,此时输出电压和电桥电压灵敏度分别为：,（,4-33,）,（,4-34,）,（,4-35,）,3.,非线性误差及其补偿方法,设：,n,=,R,2,/,R,1,为桥臂比,则：由式,（,4,30,）,求得的输出电压的实际值为：,(4-36),非线性误差为：,如果,R,1,=,R,2,=,R,3,=,R,4,，则,(4-37),(4-38),若取,K,U,=2,，,510,-3,，则,R,1,/R,1,=,K,U,=0.01,，,代入上式计算得非线性误差为,0.5%,；,若,K,U,=130,，,1,0,-3,，则,R,1,/,R,1,=0.130,，,得到非线性,误差为,6%,，非线性误差应消除。,（通常，应变,5,的小曲率圆环，可用式（,4,50,）及式（,4,51,）计算出,A,、,B,两点的应变。,式中,:,h,圆环厚度,;,b,圆环宽度,;,E,材料弹性模量。,这样,测出,A,、,B,处的应变,即可确定载荷,F,。,由图,4,9(b),的应力分布看，,R,2,所在位置应变为零，故,R,2,应变片起温度补偿作用。,(4,50),(4,51),二、应变式压力传感器,主要应用,：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压力，发动机内部的压力变化、内燃机管道压力等。大多采用,膜片式,或,筒式,弹性元件。,图,4,10,所示为膜片式压力传感器，应变片贴在膜片内壁，在压力,p,作用下,膜片产生径向应变,r,和切向应变,t,表达式分别为：,式中,:,p,膜片上均匀分布的压力,;,R,，,h,膜片的半径和厚度,;,x,离圆心的径向距离。,由,应力分布图,可见，膜片弹性元件承受压力,p,时，应变变化曲线的特点为：,当,x,=0,时,rmax,=,tmax,；,当,x,=,R,时,t,=0,r,=,2,rmax,。,通常，在平膜片圆心处切向,粘贴,R,1,、,R,4,两个应变片,在边缘处沿径向粘贴,R,2,、,R,3,两个应变片，然后接成全桥测量电路。,4,10,三、应变式容器内液体重量传感器,图,4,11,是插入式测量容器内液体重量传感器示意图：传感器的传压杆上端安装微压传感器（为提高灵敏度,安装两只），下端装感压膜，感压膜感受上面液体的压力。容器中溶液增多时,感压膜感受的压力就增大。电桥接成正向串接的双电桥电路,则输出电压为：,则：容器内感压膜上面溶液重量与电桥输出电压之间的关系式为：,U,o,=(,K,1,-,K,2,),Q,/,A,（,4-56,）,可见，呈线性关系，因此用此种方法可以测量容器内储存的溶液重量。,BK-2S,称重传感器,产品详细介绍,采用国际流行的双梁式或剪切,S,梁结构，拉、压输出对称性好、测量精度高、结构紧凑，安装方便，广泛用于机电结合秤、料斗秤、包装秤等各种测力、称重系统中。,供桥电压,12VDC,；输入阻抗,38020,输出阻抗,35010,；绝缘电阻,2000M,工作温度,-10+50,；,四、应变式加速度传感器,主要作用：物体加速度的测量。,基本工作原理是：,a,=,F,/,m,。,如图,4,12,所示。,测量时,将传感器壳体与被测对象刚性连接,当被测物体以加速度,a,运动时,质量块受到一个与加速度方向相反的,惯性力,作用,使悬臂梁变形,该变形被粘贴在悬臂梁上的应变片感受到并随之产生应变,从而使应变片的电阻发生变化。电阻的变化引起应变片组成的桥,路出现不平衡,从而输出电压,即可得出加速度,a,值的大小。,应用：不适用于频率较高的振动和冲击,一般在,10,60Hz,频率,范围。,图,4-12,电阻应变式加速度传感器结构图,