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第第 4 4 章章 应应 变变 式式 传传 感感 器器1问题：问题：哪个是敏感元件？哪个是敏感元件？哪个是传感元件？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？传感元件和弹性体的关系是什么？传感元件测量的是什么参数？传感元件测量的是什么参数？动态响应特性？动态响应特性？信号调理电路如何设计？信号调理电路如何设计？第第1页页/共共163页页 第第 4 4 章章 应应 变变 式式 传传 感感 器器2本章主要内容本章主要内容电阻应变片工作原理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电阻应变片的种类、材料和性能参数指标动态响应特性动态响应特性温度误差及其补偿方法温度误差及其补偿方法电桥原理电桥原理几种应变式传感器的工作原理几种应变式传感器的工作原理第第2页页/共共163页页 第第 4 4 章章 应应 变变 式式 传传 感感 器器3金属导体的电阻值随其机械变形而发生金属导体的电阻值随其机械变形而发生变化的现象变化的现象电阻应变效应。电阻应变效应。FFl2rl+dl2(r-dr):电阻系数电阻系数l:金属导线长度金属导线长度S:金属导线截面积金属导线截面积4.1 电阻应变效应电阻应变效应第第3页页/共共163页页 第第 4 4 章章 应应 变变 式式 传传 感感 器器4第第4页页/共共163页页 第第 4 4 章章 应应 变变 式式 传传 感感 器器5第第5页页/共共163页页 第第 4 4 章章 应应 变变 式式 传传 感感 器器6K0的大小与丝的材料有关，与应变数值有的大小与丝的材料有关，与应变数值有关。关。选材目的：选材目的：为常数。为常数。即：即：第第6页页/共共163页页 第第 4 4 章章 应应 变变 式式 传传 感感 器器7常用材料常用材料:1)康铜（康铜（5060%Cu,40%Ni),K=2.2;2)镍铬（镍铬（80%Ni,20%Cr),K=2.4;应变片的标称灵敏系数为：应变片的标称灵敏系数为：测量条件：钢试件，单向应力状态。测量条件：钢试件，单向应力状态。横向效应引起横向效应引起第第7页页/共共163页页 第第 4 4 章章 应应 变变 式式 传传 感感 器器8应变片的外形应变片的外形取丝绕结构分析取丝绕结构分析第第8页页/共共163页页 第第 4 4 章章 应应 变变 式式 传传 感感 器器94.2 电阻应变片电阻应变片L L和和b b分别称为应变片的基长和宽度分别称为应变片的基长和宽度第第9页页/共共163页页 第第 4 4 章章 应应 变变 式式 传传 感感 器器10一、基本结构组成一、基本结构组成敏感栅敏感栅：栅状栅状,要求灵敏系数大、温度系要求灵敏系数大、温度系数小，如：康铜、镍铬合金等。数小，如：康铜、镍铬合金等。基底和盖层（保护层）：纸质或胶质。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、耐要求机械强度高、绝缘性好、抗潮、耐热。厚度热。厚度0.030.06mm.粘结剂粘结剂：粘结力强、机械性能可靠。如：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。硝化纤维素、聚脂树脂、氰基丙稀酸等。引线：低阻镀锡铜线。引线：低阻镀锡铜线。第第10页页/共共163页页 第第 4 4 章章 应应 变变 式式 传传 感感 器器11二、应变片的类型二、应变片的类型金属丝式应变片：金属丝式应变片：制作简单、性能稳定。制作简单、性能稳定。金属箔式应变片：金属箔式应变片：利用照相制版或光刻技术，将利用照相制版或光刻技术，将厚约为厚约为0.0030.01mm的金属箔片制成敏感栅。的金属箔片制成敏感栅。金属薄膜应变片：金属薄膜应变片：金属薄膜应变片是是采用真空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蒸发或真空沉积等方法，在薄的绝缘基片上形成厚度在度在0.1m以下的金属电阻材料薄膜的敏感栅。以下的金属电阻材料薄膜的敏感栅。半导体应变片：半导体应变片：采用半导体材料制作。采用半导体材料制作。第第11页页/共共163页页 第第 4 4 章章 应应 变变 式式 传传 感感 器器12金属箔式应变片金属箔式应变片尺寸小、图形准确尺寸小、图形准确横向灵敏度小横向灵敏度小容许电流大容许电流大疲劳寿命长疲劳寿命长生产效率高生产效率高第第12页页/共共163页页 第第 4 4 章章 应应 变变 式式 传传 感感 器器13半导体应变片半导体应变片原理：原理：压阻效应；压阻效应；优点：优点：体积小、灵敏度高（比金属体积小、灵敏度高（比金属应变片大几十倍），机械滞后小；应变片大几十倍），机械滞后小；缺点：缺点：温度系数大、非线性差、灵敏温度系数大、非线性差、灵敏度分散性大。度分散性大。第第13页页/共共163页页 第第 4 4 章章 应应 变变 式式 传传 感感 器器14应变片的应变片的粘贴粘贴准备工作：对弹性元件的准备工作：对弹性元件的表面进行处理表面进行处理粘贴应变片粘贴应变片连线组桥连线组桥复查复查固化固化F第第14页页/共共163页页 第第 4 4 章章 应应 变变 式式 传传 感感 器器15横向效应分析：横向效应分析：设丝总长为设丝总长为L,对对n段直线部分：段直线部分：平面应变场任意方向的线应变为：平面应变场任意方向的线应变为：l x直线直线段段圆弧圆弧段段对圆弧部分：对圆弧部分：第第15页页/共共163页页 第第 4 4 章章 应应 变变 式式 传传 感感 器器16 x y r 第第16页页/共共163页页 第第 4 4 章章 应应 变变 式式 传传 感感 器器17 r 圆弧部分相对总电阻的变化为：圆弧部分相对总电阻的变化为：总的电阻变化为：总的电阻变化为：第第17页页/共共163页页 第第 4 4 章章 应应 变变 式式 传传 感感 器器18令：令：第第18页页/共共163页页 第第 4 4 章章 应应 变变 式式 传传 感感 器器19定义横向效应系数定义横向效应系数C：在单向应力状态下：在单向应力状态下：应变片的灵敏系数：应变片的灵敏系数：第第19页页/共共163页页 第第 4 4 章章 应应 变变 式式 传传 感感 器器20 减小横向效应减小横向效应 减小减小Ky短接式短接式箔式箔式决定横向效应大小的因素：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；横向部分丝的电阻占总电阻的比例；横向部分丝的总长度。横向部分丝的总长度。第第20页页/共共163页页 第第 4 4 章章 应应 变变 式式 传传 感感 器器21讨论讨论1：应变片测量的是哪个物理量，：应变片测量的是哪个物理量，线应变的表达式是什么？线应变的表达式是什么？答答:线应变线应变答答:长度有限长度有限,阻值太小。阻值太小。讨论讨论2：测量应变为什么不用一根直金：测量应变为什么不用一根直金属丝，而要绕成栅状？属丝，而要绕成栅状？应变是一个点的应变，应变片测量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。到的是栅长内的平均应变。第第21页页/共共163页页 第第 4 4 章章 应应 变变 式式 传传 感感 器器22讨论讨论3：在应变片实际使用过程中，：在应变片实际使用过程中，利用标称灵敏系数计算应变，存在利用标称灵敏系数计算应变，存在哪些原理误差？哪些原理误差？1）材料不同引起的误差）材料不同引起的误差:不同的材料，其不同的材料，其 不同。即使应力状态不同。即使应力状态相同，应变场可能不同相同，应变场可能不同;2）应力状态不同引起的误差）应力状态不同引起的误差:第第22页页/共共163页页 第第 4 4 章章 应应 变变 式式 传传 感感 器器232）应力状态不同引起的误差）应力状态不同引起的误差:标定标定-单向应力状态；单向应力状态；其它应力状态下：其它应力状态下：第第23页页/共共163页页 第第 4 4 章章 应应 变变 式式 传传 感感 器器24按标定灵敏系数计算的应变值：按标定灵敏系数计算的应变值：误差误差特殊：特殊：当当有有第第24页页/共共163页页 第第 4 4 章章 应应 变变 式式 传传 感感 器器25讨论讨论4：应变片作为敏感元件与弹性体：应变片作为敏感元件与弹性体结合构成传感器时，是否要对材料或应结合构成传感器时，是否要对材料或应力状态进行修正？力状态进行修正？答：不用。因为应变片粘贴处的应力答：不用。因为应变片粘贴处的应力状态是不变的，经过校准以后状态是不变的，经过校准以后,只要传感只要传感器有良好的重复性即可。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。应变，也可以作为传感元件测量其它量。第第25页页/共共163页页 第第 4 4 章章 应应 变变 式式 传传 感感 器器264.3 应变片的主要参数应变片的主要参数1.应变片的灵敏系数应变片的灵敏系数k原因：原因：1）基底传递衰减；）基底传递衰减；2）存在横向效应。）存在横向效应。2.横向效应系数横向效应系数FxFx第第26页页/共共163页页 第第 4 4 章章 应应 变变 式式 传传 感感 器器27横向效应总是起着抵消纵向应变的横向效应总是起着抵消纵向应变的作用。作用。rr、lCC横向效应小横向效应小采用短接式、直角式横栅减小横向采用短接式、直角式横栅减小横向效应效应结论：结论：第第27页页/共共163页页 第第 4 4 章章 应应 变变 式式 传传 感感 器器283.应变极限应变极限在一定温度下，应变片的指示应变下降到真实在一定温度下，应变片的指示应变下降到真实应变的应变的90%时的真实应变。时的真实应变。影响因素：粘接层的厚度、敏感栅材料影响因素：粘接层的厚度、敏感栅材料的弹性变形范围。的弹性变形范围。真实真实指示指示第第28页页/共共163页页 第第 4 4 章章 应应 变变 式式 传传 感感 器器294.机械滞后机械滞后原因：基底和粘结剂的残余变形。原因：基底和粘结剂的残余变形。减小方法：使用前进行减小方法：使用前进行多次循环加、卸载荷。多次循环加、卸载荷。指示指示 zm第第29页页/共共163页页 第第 4 4 章章 应应 变变 式式 传传 感感 器器305.零漂和蠕变零漂和蠕变零漂零漂：指示指示随时间随时间的漂移（的漂移（未加载未加载、温度恒定）。温度恒定）。原因：原因：敏感栅通电流后的敏感栅通电流后的温度效应温度效应应变片的内应力应变片的内应力固化不充分固化不充分蠕变蠕变：在某一恒定温度下，在某一恒定温度下，对试件对试件加一恒定应变加一恒定应变，这时，这时指示应变随时间变化的特性。指示应变随时间变化的特性。500指示指示t0第第30页页/共共163页页 第第 4 4 章章 应应 变变 式式 传传 感感 器器316.应变片的阻值和允许电流应变片的阻值和允许电流标准化的阻值：标准化的阻值：60 、120 、350 、600 、1000等等允许电流：允许电流：静态测量时：典型取值静态测量时：典型取值25mA；动态测量时：比静态电流大一些。动态测量时：比静态电流大一些。第第31页页/共共163页页 第第 4 4 章章 应应 变变 式式 传传 感感 器器324.4 电阻应变片的动态响应特性电阻应变片的动态响应特性一、应变波的传播过程一、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：应变波在构件材料中传播速度：弹性模量弹性模量构件材料密度构件材料密度应变波从基底和粘接剂传到敏感栅：应变波从基底和粘接剂传到敏感栅：所需时间为所需时间为10-8s量级，可以忽略。量级，可以忽略。第第32页页/共共163页页 第第 4 4 章章 应应 变变 式式 传传 感感 器器33二、应变片可测频率的估算二、应变片可测频率的估算1、正弦应变波：、正弦应变波：应变波在应变片敏感栅长度内传播：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。应变片测量的为栅长内线应变的平均值。第第33页页/共共163页页 第第 4 4 章章 应应 变变 式式 传传 感感 器器34设某测试点的应变振动方程：设某测试点的应变振动方程：距离、速度、波长、频率的关系：距离、速度、波长、频率的关系：代入振动方程，得到波动方程：代入振动方程，得到波动方程：第第34页页/共共163页页 第第 4 4 章章 应应 变变 式式 传传 感感 器器35第第35页页/共共163页页 第第 4 4 章章 应应 变变 式式 传传 感感 器器36当：当：第第36页页/共共163页页 第第 4 4 章章 应应 变变 式式 传传 感感 器器37概念：栅长越短，频响越高。概念：栅长越短，频响越高。设设L=n时，时，满足测试精度要求。满足测试精度要求。当：当：第第37页页/共共163页页 第第 4 4 章章 应应 变变 式式 传传 感感 器器382.阶跃应变波阶跃应变波第第38页页/共共163页页 第第 4 4 章章 应应 变变 式式 传传 感感 器器394.5 应变测量电桥电路应变测量电桥电路一、电阻电桥原理一、电阻电桥原理:1、单臂电桥、单臂电桥R1R2R3R4USCUsrI1I2ABCD第第39页页/共共163页页 第第 4 4 章章 应应 变变 式式 传传 感感 器器40第第40页页/共共163页页 第第 4 4 章章 应应 变变 式式 传传 感感 器器41第第41页页/共共163页页 第第 4 4 章章 应应 变变 式式 传传 感感 器器42第第42页页/共共163页页 第第 4 4 章章 应应 变变 式式 传传 感感 器器43单臂电桥的工作特性。单臂电桥的工作特性。第第43页页/共共163页页 第第 4 4 章章 应应 变变 式式 传传 感感 器器44第第44页页/共共163页页 第第 4 4 章章 应应 变变 式式 传传 感感 器器45R1+R1R2-R2R3R4UscUsr相邻桥臂，电阻一个增加、一个减少相邻桥臂，电阻一个增加、一个减少.2、差动电桥：差动电桥：第第45页页/共共163页页 第第 4 4 章章 应应 变变 式式 传传 感感 器器46R1+R1R2+R2USCUsrR3+R3R4+R43、全桥：全桥：四臂都是应变片，且相邻电阻变化相反四臂都是应变片，且相邻电阻变化相反第第46页页/共共163页页 第第 4 4 章章 应应 变变 式式 传传 感感 器器47R1+R1R2+R2USCUsrR3+R3R4+R4第第47页页/共共163页页 第第 4 4 章章 应应 变变 式式 传传 感感 器器48有关差动电桥的说明：有关差动电桥的说明：输出灵敏度提高。输出灵敏度提高。增大输入电压可提高灵敏度，但受传增大输入电压可提高灵敏度，但受传感元件功耗限制。感元件功耗限制。采用差动电桥可以减小非线性误差，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。减小程度与电桥结构形式有关。(*)具有温度误差补偿作用。具有温度误差补偿作用。(*)第第48页页/共共163页页 第第 4 4 章章 应应 变变 式式 传传 感感 器器49典型组桥方式典型组桥方式组桥方式组桥方式 输出电压输出电压USC温度补偿方法温度补偿方法单臂测量单臂测量一相邻桥臂接温度一相邻桥臂接温度补偿片补偿片半桥测量半桥测量自动补偿自动补偿对臂测量对臂测量另外两个桥臂接两另外两个桥臂接两个温度补偿片个温度补偿片全桥测量全桥测量自动补偿自动补偿第第49页页/共共163页页 第第 4 4 章章 应应 变变 式式 传传 感感 器器50二、直流电桥的非线性误差及二、直流电桥的非线性误差及其补偿其补偿对于单臂电桥：对于单臂电桥：有：有：第第50页页/共共163页页 第第 4 4 章章 应应 变变 式式 传传 感感 器器51非线性项非线性项取拟和直线特性：取拟和直线特性：结论：满量程输入时，非线性偏差最大。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拟合直线和实际工作特性之间的偏差为非线性误差。非线性误差。第第51页页/共共163页页 第第 4 4 章章 应应 变变 式式 传传 感感 器器52非线性误差：非线性误差：第第52页页/共共163页页 第第 4 4 章章 应应 变变 式式 传传 感感 器器53略去高阶小量，非线性偏差简化为：略去高阶小量，非线性偏差简化为：实际输出电压：实际输出电压：第第53页页/共共163页页 第第 4 4 章章 应应 变变 式式 传传 感感 器器54举例：举例：对于电阻应变片：设对于电阻应变片：设maxmax 20002000，K K2 2，则：，则：对于半导体应变片：设对于半导体应变片：设maxmax 10001000，K K125125，则：，则：第第54页页/共共163页页 第第 4 4 章章 应应 变变 式式 传传 感感 器器55减小非线性误差的措施：减小非线性误差的措施：采用差动半桥采用差动半桥USCR1R2R3R4USR两电阻变化异号。两电阻变化异号。第第55页页/共共163页页 第第 4 4 章章 应应 变变 式式 传传 感感 器器56第第56页页/共共163页页 第第 4 4 章章 应应 变变 式式 传传 感感 器器57结论：结论：理想为线性，一般情况下非线性理想为线性，一般情况下非线性误差比单臂电桥的小。误差比单臂电桥的小。拟和直线特性：拟和直线特性：如果如果:第第57页页/共共163页页 第第 4 4 章章 应应 变变 式式 传传 感感 器器58对于全桥对于全桥:特殊情况：特殊情况：结论：理想情况下为线性。结论：理想情况下为线性。第第58页页/共共163页页 第第 4 4 章章 应应 变变 式式 传传 感感 器器59采用恒流源采用恒流源USCR1R2R3R4II1I2第第59页页/共共163页页 第第 4 4 章章 应应 变变 式式 传传 感感 器器60当当4臂产生应变时：臂产生应变时：USCR1R2R3R4II1I2第第60页页/共共163页页 第第 4 4 章章 应应 变变 式式 传传 感感 器器61结论：非线性误差为恒压源的一半。结论：非线性误差为恒压源的一半。第第61页页/共共163页页 第第 4 4 章章 应应 变变 式式 传传 感感 器器62采用双恒流源采用双恒流源I0I01423ABD理论上没有非线性理论上没有非线性问题：高精度的特性一致的恒流源比问题：高精度的特性一致的恒流源比较难实现。较难实现。第第62页页/共共163页页 第第 4 4 章章 应应 变变 式式 传传 感感 器器63交流电桥交流电桥电桥的平衡调节电桥的平衡调节第第63页页/共共163页页 第第 4 4 章章 应应 变变 式式 传传 感感 器器64例题：有一应变式测力传感器，弹性元件例题：有一应变式测力传感器，弹性元件为实心圆柱，直径为实心圆柱，直径D40mm，沿圆柱的轴，沿圆柱的轴向和周向各粘贴两片应变片，应变片的灵向和周向各粘贴两片应变片，应变片的灵敏系数敏系数K1.9，标称阻值，标称阻值R100，构成，构成全桥。设力全桥。设力F10,000N,材料的弹性模量材料的弹性模量E200GPa，泊松比，泊松比 0.3，采用电压源供，采用电压源供电，若应变片工作电流为电，若应变片工作电流为15mA，求电桥输，求电桥输出电压。出电压。第第64页页/共共163页页 第第 4 4 章章 应应 变变 式式 传传 感感 器器65三、电阻应变仪电阻应变仪电阻应变仪静态电阻应变仪静态电阻应变仪动态电阻应变仪动态电阻应变仪第第65页页/共共163页页 第第 4 4 章章 应应 变变 式式 传传 感感 器器66第第66页页/共共163页页 第第 4 4 章章 应应 变变 式式 传传 感感 器器67一个测量通道能接成一个测量电桥，其工作一个测量通道能接成一个测量电桥，其工作原理如图。原理如图。有几个测量通道，其实就是能接几个测量电桥。有几个测量通道，其实就是能接几个测量电桥。测量通道切换第第67页页/共共163页页 第第 4 4 章章 应应 变变 式式 传传 感感 器器681.桥臂切换法桥臂切换法工作原理桥臂切换法工作原理第第68页页/共共163页页 第第 4 4 章章 应应 变变 式式 传传 感感 器器69换种画法换种画法第第69页页/共共163页页 第第 4 4 章章 应应 变变 式式 传传 感感 器器70应变仪半桥切换工作原理应变仪半桥切换工作原理应变仪应变仪内部测内部测量通道量通道切换原切换原理理第第70页页/共共163页页 第第 4 4 章章 应应 变变 式式 传传 感感 器器71 应变仪全桥切换原理应变仪全桥切换原理第第71页页/共共163页页 第第 4 4 章章 应应 变变 式式 传传 感感 器器722.公共补偿接线法 这种接线方法是单臂半桥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。扩展，适合于多点测量。条件条件多通道应变仪多通道应变仪被测点比较靠近，在同一个温度场中。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。例：一根等强度梁，其上粘贴有多片应变片。等强度梁在等强度梁在P力作用下，要求测量等强度梁上力作用下，要求测量等强度梁上各点的应变。各点的应变。第第72页页/共共163页页 第第 4 4 章章 应应 变变 式式 传传 感感 器器73 公共接线图公共接线图第第73页页/共共163页页 第第 4 4 章章 应应 变变 式式 传传 感感 器器74公共接线在应变仪上的连接原理公共接线在应变仪上的连接原理第第74页页/共共163页页 第第 4 4 章章 应应 变变 式式 传传 感感 器器754.6 温度误差及其补偿温度误差及其补偿一、产生原因：一、产生原因：敏感栅的金属电阻本身随温度发生变化：敏感栅的金属电阻本身随温度发生变化：Rt=R0（1+t)R t=R0tRt：温度为：温度为t时的电阻值；时的电阻值；R0：温度为：温度为t0时的电阻值；时的电阻值；：电阻温度系数：电阻温度系数第第75页页/共共163页页 第第 4 4 章章 应应 变变 式式 传传 感感 器器76试件材料与应变材料的线膨胀系数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：不同引起应变片附加形变：l0lslg试件试件应变片应变片应变片形变：应变片形变：ls=sl0t s:应变片线膨应变片线膨胀系数。胀系数。试件形变：试件形变：lg=gl0t g:试件线膨胀系数。试件线膨胀系数。第第76页页/共共163页页 第第 4 4 章章 应应 变变 式式 传传 感感 器器77总的电阻变化：总的电阻变化：R t=R t +R t =R 0 t+R0K(g-s)tR t/R 0=t+K(g-s)t 附加形变：附加形变：l=lg-ls=(g-s)l0t附加应变：附加应变：=l/l0=(g-s)t附加电阻变化：附加电阻变化：R t=R 0 K=R 0 K(g-s)t折算成应变：折算成应变：第第77页页/共共163页页 第第 4 4 章章 应应 变变 式式 传传 感感 器器78二、温度补偿方法二、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，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。并接入电桥相邻臂。设：R1=R2=R3=R4=R R1t=R2t1、桥路补偿法：、桥路补偿法：FFR1R2第第78页页/共共163页页 第第 4 4 章章 应应 变变 式式 传传 感感 器器79UsR1R2 R3R4USC受力后受力后:第第79页页/共共163页页 第第 4 4 章章 应应 变变 式式 传传 感感 器器80特点：可以大大减小温度误差，但不能完特点：可以大大减小温度误差，但不能完全消除温度误差。全消除温度误差。第第80页页/共共163页页 第第 4 4 章章 应应 变变 式式 传传 感感 器器81工作片、补偿片贴在同一构件上，但工作片、补偿片贴在同一构件上，但两者感受的应变符号相反。两者感受的应变符号相反。工作片、补偿片贴在同一构件上，工作片、补偿片贴在同一构件上，但补偿片不受力作用。但补偿片不受力作用。PR2R1R1R2第第81页页/共共163页页 第第 4 4 章章 应应 变变 式式 传传 感感 器器822、应变片自补偿法、应变片自补偿法基本思想基本思想：应变片当温度发生变化时，产生的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。附加应变为零或若干部分之间相互抵消。要使：要使：R t=0 则：则：+K（g-s）=0求得：求得：=-K（g-s）特点：制作简单、成本低；特点：制作简单、成本低；缺点缺点:只能在某种材料的试件上才能得到补偿效果。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适用于某一种构件材料的自补偿应变片：自补偿应变片：第第82页页/共共163页页 第第 4 4 章章 应应 变变 式式 传传 感感 器器83双金属敏感栅自补偿片双金属敏感栅自补偿片（组合式自补偿应变片）（组合式自补偿应变片）两种不同温度系数（一正一负）的金属两种不同温度系数（一正一负）的金属丝串联绕制成敏感栅。丝串联绕制成敏感栅。焊点焊点R1R2注意：注意：R为一个桥臂电阻。为一个桥臂电阻。第第83页页/共共163页页 第第 4 4 章章 应应 变变 式式 传传 感感 器器84特点：补偿精度高、灵敏度不受损失特点：补偿精度高、灵敏度不受损失。第第84页页/共共163页页 第第 4 4 章章 应应 变变 式式 传传 感感 器器85双金属半桥片双金属半桥片敏感栅由同符号电阻温度系数的敏感栅由同符号电阻温度系数的两种两种合金丝合金丝串接而成。串接而成。敏感栅的两部分电阻敏感栅的两部分电阻R1和和R2分别接入电桥的分别接入电桥的相邻两臂上。相邻两臂上。R1R2abc特点：特点：铂或铂合金铂或铂合金第第85页页/共共163页页 第第 4 4 章章 应应 变变 式式 传传 感感 器器86优点：适合于不同线膨胀系数的试件，优点：适合于不同线膨胀系数的试件，调整调整R R B B，可使热补偿效果达到最佳。，可使热补偿效果达到最佳。缺点：缺点：由于补偿栅和工作栅感受相同应变，所以补偿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；同时抵消有效应变，使输出灵敏度降低；对对R R 2 2要求高要求高,通常为通常为PtPt电阻。电阻。R1R2 R3R4USCRB Us第第86页页/共共163页页 第第 4 4 章章 应应 变变 式式 传传 感感 器器873、灵敏度的热敏电阻补偿法、灵敏度的热敏电阻补偿法温度升高使应变片灵敏度降低温度升高使应变片灵敏度降低输出输出UscT并联热敏电阻并联热敏电阻Rt阻值下降阻值下降输出输出Usc适当选择电阻适当选择电阻R R5 5可起到补偿作用。可起到补偿作用。R1R2 UsrUscR3R4R5 Rt 第第87页页/共共163页页 第第 4 4 章章 应应 变变 式式 传传 感感 器器884.7 应变式传感器应变式传感器应变式传感器应变式传感器=弹性敏感元件弹性敏感元件+应变片应变片电阻应变式传感器的特点电阻应变式传感器的特点:结构简单、尺寸小、结构简单、尺寸小、重量轻；重量轻；使用方便、变换电路简单；使用方便、变换电路简单；精度高、测量范围大、稳定性好；精度高、测量范围大、稳定性好；测力：零点几测力：零点几N到几百到几百kN，0.05%F.S测压：几十测压：几十Pa至至1011Pa，0.1%F.S价格便宜、品种多样；价格便宜、品种多样；应用广泛。应用广泛。第第88页页/共共163页页 第第 4 4 章章 应应 变变 式式 传传 感感 器器89传感器的弹性敏感元件传感器的弹性敏感元件常用弹性敏感元件：常用弹性敏感元件：弹性梁、柱、筒弹性梁、柱、筒膜片膜片膜盒膜盒框架框架波纹管波纹管圆环圆环第第89页页/共共163页页 第第 4 4 章章 应应 变变 式式 传传 感感 器器90常用弹性元件材料常用弹性元件材料强度高：具有较高的抗压强度高：具有较高的抗压(或抗拉或抗拉)强度强度,以便在大载以便在大载荷下有足够的安全性能；荷下有足够的安全性能；温度系数小且稳定；温度系数小且稳定；弹性滞后、弹性后效小；弹性滞后、弹性后效小；良好的机械加工和热处理良好的机械加工和热处理性能；性能；耐腐蚀性能好。耐腐蚀性能好。铬钢铬钢合金钢合金钢铬锰弹簧钢铬锰弹簧钢铍青铜铍青铜铝合金铝合金第第90页页/共共163页页 第第 4 4 章章 应应 变变 式式 传传 感感 器器91柱式力弹性敏感元件柱式力弹性敏感元件:特点：结构简单、可承受很大载荷特点：结构简单、可承受很大载荷多种截面形状：实心截面、空心截面多种截面形状：实心截面、空心截面轴向产生的应力、应变（轴向产生的应力、应变（=0）横向产生的应变（横向产生的应变（=900）第第91页页/共共163页页 第第 4 4 章章 应应 变变 式式 传传 感感 器器92lbhl0R1R3F梁式力弹性敏感元件梁式力弹性敏感元件1.等截面梁等截面梁第第92页页/共共163页页 第第 4 4 章章 应应 变变 式式 传传 感感 器器932、等强度梁、等强度梁lhFb第第93页页/共共163页页 第第 4 4 章章 应应 变变 式式 传传 感感 器器943、双端固定梁式、双端固定梁式第第94页页/共共163页页 第第 4 4 章章 应应 变变 式式 传传 感感 器器95第第95页页/共共163页页 第第 4 4 章章 应应 变变 式式 传传 感感 器器964、环、环第第96页页/共共163页页 第第 4 4 章章 应应 变变 式式 传传 感感 器器97压力弹性敏感元件压力弹性敏感元件特点：空心，如：特点：空心，如：弹簧管弹簧管波纹膜片和膜盒波纹膜片和膜盒平膜片平膜片薄壁圆筒薄壁圆筒第第97页页/共共163页页 第第 4 4 章章 应应 变变 式式 传传 感感 器器98第第98页页/共共163页页 第第 4 4 章章 应应 变变 式式 传传 感感 器器99圆形平膜片圆形平膜片x第第99页页/共共163页页 第第 4 4 章章 应应 变变 式式 传传 感感 器器100薄壁圆筒薄壁圆筒第第100页页/共共163页页 第第 4 4 章章 应应 变变 式式 传传 感感 器器1014.7.1 应变式力传感器应变式力传感器测力传感器的性能要求：测力传感器的性能要求：1）线性好；）线性好；2）迟滞小；）迟滞小；3）重复性好；）重复性好；4）零漂小；）零漂小；5）蠕变小；）蠕变小；6）测量结果与力）测量结果与力的作用位置无关；的作用位置无关；7）用于动态测量）用于动态测量时，频带宽。时，频带宽。第第101页页/共共163页页 第第 4 4 章章 应应 变变 式式 传传 感感 器器102测力传感器应标明参数：测力传感器应标明参数：1）量程；）量程；2）精度（线性、重复性、滞后等）；）精度（线性、重复性、滞后等）；3）工作频率；）工作频率；4）外形尺寸；）外形尺寸；5）使用环境（温度、湿度、介质、）使用环境（温度、湿度、介质、安装处振动等）；安装处振动等）；6）安装方式）安装方式.第第102页页/共共163页页 第第 4 4 章章 应应 变变 式式 传传 感感 器器103特点：结构简单、适合大载荷测量特点：结构简单、适合大载荷测量多种截面形状：实心截面、空心截面多种截面形状：实心截面、空心截面1、柱式力传感器、柱式力传感器第第103页页/共共163页页 第第 4 4 章章 应应 变变 式式 传传 感感 器器104弹性工作段弹性工作段第第104页页/共共163页页 第第 4 4 章章 应应 变变 式式 传传 感感 器器105相对两片串联，并置于对臂，消除偏心干扰。相对两片串联，并置于对臂，消除偏心干扰。F第第105页页/共共163页页 第第 4 4 章章 应应 变变 式式 传传 感感 器器106轴向产生的应力、应变轴向产生的应力、应变横向产生的应变横向产生的应变基本原理：基本原理：第第106页页/共共163页页 第第 4 4 章章 应应 变变 式式 传传 感感 器器107举例：传感器的尺寸设计：举例：传感器的尺寸设计：额定许用应变：额定许用应变：要求：设计要求：设计1000kgf空心柱式力传感器。空心柱式力传感器。弹性元件的材料：弹性元件的材料：40CrNiMoa、横截面的计算、横截面的计算第第107页页/共共163页页 第第 4 4 章章 应应 变变 式式 传传 感感 器器108选外径选外径 d1的原则：的原则：1)不能过小，否则会失稳不能过小，否则会失稳,且由于力的且由于力的偏心产生较大误差；偏心产生较大误差；2)不能过大，否则会由于壁太薄产生不能过大，否则会由于壁太薄产生失稳。失稳。第第108页页/共共163页页 第第 4 4 章章 应应 变变 式式 传传 感感 器器109取取d1=15mm,取取d2=13mmb、柱高、柱高h的计算的计算h选择的原则：选择的原则：1)不能过大，否则会产生失稳；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不能过小，否则应变沿轴线分布不均匀。均匀。第第109页页/共共163页页 第第 4 4 章章 应应 变变 式式 传传 感感 器器110c、传感器输出计算、传感器输出计算满量程下的轴向应变为：满量程下的轴向应变为：传感器的读数应变为传感器的读数应变为(按全桥计算）：按全桥计算）：恒压供桥时，桥压为：恒压供桥时，桥压为：P-敏感栅上的功率密度（敏感栅上的功率密度（W/mm2);Ag-敏感栅面积（敏感栅面积（mm2);第第110页页/共共163页页 第第 4 4 章章 应应 变变 式式 传传 感感 器器111取：取：取取u=10V,K=2，则：，则：第第111页页/共共163页页 第第 4 4 章章 应应 变变 式式 传传 感感 器器112第第112页页/共共163页页 第第 4 4 章章 应应 变变 式式 传传 感感 器器113减小横向力的措施减小横向力的措施采用空心圆柱型弹性采用空心圆柱型弹性元件；元件；在载荷作用的端部附在载荷作用的端部附加承弯膜片；加承弯膜片；采用扁平式采用扁平式弹性元件弹性元件：第第113页页/共共163页页 第第 4 4 章章 应应 变变 式式 传传 感感 器器114汽车衡汽车衡整体称重整体称重 地秤称轴重地秤称轴重 第第114页页/共共163页页汽车衡称重系统-地秤的结构第第115页页/共共163页页 第第 4 4 章章 应应 变变 式式 传传 感感 器器1162、悬臂梁式力传感器、悬臂梁式力传感器它适于测量它适于测量500Kg500Kg以下的载荷，最以下的载荷，最小为测几十克重小为测几十克重的力，这种传感的力，这种传感器具有结构简单、器具有结构简单、加工容易、应变加工容易、应变片易粘贴、灵敏片易粘贴、灵敏度高等特点。度高等特点。第第116页页/共共163页页 第第 4 4 章章 应应 变变 式式 传传 感感 器器117第第117页页/共共163页页 第第 4 4 章章 应应 变变 式式 传传 感感 器器118问题：传感器的输出随载荷的位置而改变。问题：传感器的输出随载荷的位置而改变。LPhb第第118页页/共共163页页 第第 4 4 章章 应应 变变 式式 传传 感感 器器119问题：为什么开孔？问题：为什么开孔？第第119页页/共共163页页 第第 4 4 章章 应应 变变 式式 传传 感感 器器120电桥输出为：电桥输出为：第第120页页/共共163页页 第第 4 4 章章 应应 变变 式式 传传 感感 器器121结论：电桥输出与载荷位置无关！结论：电桥输出与载荷位置无关！适合量程：小量程。适合量程：小量程。第第121页页/共共163页页应用实例：电子秤 第第122页页/共共163页页人体秤 第第123页页/共共163页页 第第 4 4 章章 应应 变变 式式 传传 感感 器器1243、圆环式力传感器、圆环式力传感器特点：测量中等和特点：测量中等和较小力值。较小力值。在在2 0区域内截面的内力区域