第4章+应变式传感器(改).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,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,5,章 电感式传感器,第,4,章 应变式传感器,基本描述,利用电阻应变片将应变转换为电阻变化的传感器,主要用途,测量力、力矩、压力、加速度、重量等,本章内容,工作原理及性能,了解传感器结构、种类,掌握测量电路以及补偿方法,了解应变式传感器的应用,概述,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。,应变式传感器特征：,不同材料类型,:,金属应变片、半导体应变片,应用范围,:,应变力、压力、转矩、位移、加速度；,主要优点,:,使用简单、精度高、范围大体积小。,各种电子秤,广泛应用于,概述,高,精,度,电,子,汽,车,衡,动态电子秤,电子天平,概述,机械秤包装机,吊秤,电阻应变片,金属材料和半导体材料,4.1,应变式传感器的工作原理,电阻式传感器的基本原理：,将被测物理量的变化转换成电阻值的变化,再经相应的测量电路显示或记录被测量值的变化。种类繁多、应用广泛。,电阻应变式传感器,是基于测量物体受力变形所产生应变的一种传感器,最常用的,传感元件为电阻应变片,。,应用范围：,用于位移加速度、力、压力、力矩等各种参数测量。,4.1,应变式传感器的工作原理,电阻应变式传感器,特点：,精度高、测量范围广；,使用寿命长、性能稳定可靠；,结构简单，体积小、重量轻；,频率响应较好，既可用于静态测量又可用于动态测量；,价格低廉，品种多样，便于选择和大量使用。,4.1,应变式传感器的工作原理,对于金属材料,电阻应变效应,金属导体,在外力作用下发生机械形变时,其,阻值,随着所受机械变形,(,伸长或缩短,),的变化而发生变化的现象。,对于半导体材料,压阻效应,半导体,材料在受到外力作用时,其,电阻率,发生变化的现象。,4.1,应变式传感器的工作原理,4.1,应变式传感器的工作原理,求,R,的全微分,对于金属和半导体材料，上两项的不同,？,图,4-1,金属丝应变效应,电阻丝的电阻,R,为,4.1,应变式传感器的工作原理,电阻变化,电阻丝几何尺寸变化引起的,电阻丝电阻率变化引起的,1.,对于金属材料,电阻率几乎不变,2.,对于半导体材料,压电效应为主,电阻应变效应,压阻效应,定义：,电阻丝的灵敏度系数,K,表示单位应变所引起的电阻相对变化。,金属材料 取值为,2,左右，常数,半导体材料 取值为,50100,之间，易受温度影响。,4.1,应变式传感器的工作原理,4.2,电阻应变片的特性,(1),种类及结构,(2),电阻应变片性能参数,(3),灵敏系数,(4),横向效应,(5),应变片的温度误差及补偿,(1),种类及结构,种类：丝式、箔式、半导体式和薄膜式电阻应变片。,薄膜式应变片是今后发展的方向,丝式应变片：,金属电阻应变片的典型结构,。将一根高电阻率金属丝,(,直径,0.025,mm,左右,),绕成栅形,粘贴在绝缘的基片和覆盖层之间并引出导线构成。,4-2,？栅形结构,为了获得大的电阻变化量,(1),种类及结构,丝式,丝式应变片制作简单、性能稳定、成本低、易粘贴。分为丝绕式和短接式。,丝绕式应变片因圆弧部分参与变形,横向效应,较大；,短接式应变片敏感栅平行排列,两端用直径比栅线直径大,510,被的镀银丝短接而成,克服了横向效应。,(1),种类及结构,丝式,1,）敏感栅 直径为,0.025mm,左右的合金电阻丝丝绕式,丝绕式,2,）基 底 绝缘,3,）覆盖层 保护,4,）引线 与外电路相连,外力作用,被测对象表面产生微小机械变形,应变片敏感栅随同变形,电阻值发生相应变化,应变片,箔式应变片：,利用照相制版或光刻技术,将厚度约为,0.0030.01mm,的金属箔片制成敏感栅。,(1),种类及结构,箔式,箔式应变片优点,:,可制成多种复杂形状、尺寸准确的敏感栅,适应不同的测量要求。,横向效应小,散热条件好,允许电流大,提高了输出灵敏度,生产效率高,便于实现自动化生产,目前使用的金属应变片大多是金属箔式应变片,。,(1),种类及结构,箔式,半导体应变片,特性与金属应变片相比较,优点：,灵敏度高；,横向效应小、体积小、频响高；,易于集成,缺点：,温度稳定性能差；,灵敏度分散度大；,在较大应力作用下,非线性误差大。,机械强度低,(1),种类及结构,半导体式,1),电阻值：应变片原始阻值,标准化,120,常用。,2),几何参数：敏感栅基长 和宽度,b,制造厂常用,3),灵敏系数,k,：表示应变片变换性能的重要参数。,4),绝缘电阻：应变片与试件间的阻值,越大越好,一般为,10,10,5),其他性能参数,(,允许电流、工作温度、应变极限、滞后、蠕变、零漂以及疲劳寿命、横向灵敏度等,),(,2),电阻应变片性能参数,(3),灵敏系数,K,定义,K=(,R/R,)/x,为应变片的灵敏系数。它表示安装在被测试件上的应变在其轴向受到单向应力时,引起的电阻相对变化,(,R/R),与其单向应力引起的试件表面轴向应变,(,x,),之比。,注：,应变片的灵敏系数并不等于其敏感栅整长应变丝的灵敏系数，这是因为栅端圆弧部分存在,横向效应,。,电阻丝轴向相对变形，或称纵向应变,电阻,电阻丝径向相对变形，或称横向应变，电阻,(4),横向效应,4-3,横向效应,栅状结构敏感栅,的电阻变化一定小于,纯直线敏感栅,的电阻变化的现象。,产生原因：,应变片的纵向应与测量的形变方向一致；,圆弧部分产生了一个负的电阻变化,降低了应变片的灵敏度系数,必须采取措施减小横向效应的影响,(,改进结构等,),(5),应变片的温度误差及补偿,温度误差,由于测量现场环境温度的改变而给测量带来的附加误差,(1),电阻温度效应,(2),试件材料和电阻丝材料的线膨胀系数的影响,(3),温度系数和线膨胀系数引起的虚应变,当温度变化 时,敏感栅的电阻丝阻值随温度变化的关系可用下式表示：,Rt,=R0,（,1+t,）,式中,:,Rt,温度为,t,时的电阻值,;,R0,温度为,t0,时的电阻值,;,金属丝的电阻温度系数,;,t,温度变化值,t=t-t0,。,（,1),电阻温度系数的影响,当温度变化,t,时,电阻丝电阻的变化值为,R,t,=,R,t,-R,0,=R,0,t,（,1,）,(5),应变片的温度误差及补偿,(2),试件材料和电阻丝材料的线膨胀系数的影响,设：电阻丝和试件温度,0,时的长度为,L,0,，温度变化后的长度分别为：,电阻丝,试件,附加应变,附加电阻变化,相对变,化总量,对应虚应变,1.,自补偿法,1),选择自补偿,敏感栅材料与试件材料,2),组合式自补偿,(5),电阻应变片的温度补偿方法,当被测试件的线膨胀系数,g,已知时,如果合理选择敏感栅材料,即选择其电阻温度系数,0,、灵敏系数,K,0,和线膨胀系数,s,使式,0,/K,0,+(,g,-,s,)=0,成立,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。,(5),电阻应变片的温度补偿方法,1),选择自补偿,利用自身具有温度自补偿作用应变片,(5),电阻应变片的温度补偿方法,2.,桥路补偿法,利用,电桥的和差特性,。在不受力的试件上粘贴另一个应变片,初始状态,U,o,=A,（,R,1,R,4,-R,B,R,3,）,=0,温度变化后,U,o,=A,（,R,1,+R,1t,）,R,4,-(R,B,+R,Bt,)R,3,=0,承受应变后,U,o,=A,（,R,1,+R,1t,+R,1,）,R,4,-(R,B,+R,Bt,)R,3,=AR,1,R,4,=,AR,1,R,4,K,R,1,=R,B,R,3,=R,4,U0,R1,R4,R3,U,Rb,F,F,R1,（,工作应变片）,Rb,（,补偿应变片）,R1+R,Rb+R,U0,R1R,R4,R3,U,Rb,+R,T K,（,电桥灵敏度）,Rt,Ui,R1R,R4,R3,U0,R2,Rt,R5,分流电阻,U,U,Rt,U=Ui-U,Rt,K,(5),电阻应变片的温度补偿方法,3.,热敏电阻补偿法,热敏电阻适当分压,热敏电阻阻值随温度变化而变化，使其分压与温度变化引起输出变化方向相反,(,选择具有,负温度系数,的热敏电阻,),4.3,电阻应变片的测量电路,(1),直流电桥,单臂电路,半桥电路,全桥电路,(2),交流电桥,单臂电路,半桥电路,全桥电路,电阻应变片将应变转换为电阻的变化量,测量电路将电阻的变化再转换为电压或电流信号,最终实现被测量的测量。,1.,测量电桥,电桥按其电源性质的不同可分为,直流电桥,和,交流电桥,。直流电桥只能测量电阻,而交流电桥可用于测量电阻、电感和电容的变化。,4.3,电阻应变片的测量电路,直流电桥的工作原理,输出,平衡条件,工作时，各桥臂阻值发生变化,则输出,电桥灵敏度定义为：,实际使用中,为了简化桥路设计,同事也为了得到电桥的最大灵敏度,通常,R,1,=R,2,=R,3,=R,4,=R,x,。,即为,等臂电桥,。,4.3,电阻应变片的测量电路,前提,由于,U,与,R/R,是非线性关系，故测量中不可避免会存在非线性误差，为消除非线性误差，常采用以下两种电路：,(1),半桥,(2),全桥,43,电阻应变片的测量电路,电桥的连接方式,1),半桥单臂,2),半桥双臂,3),全桥,4.3,电阻应变片的测量电路,1),半桥单臂,输出,很小，故,令,又,灵敏度为：,等臂半桥灵敏度为：,4.3,电阻应变片的测量电路,2),半桥双臂,(,一个受拉、一个受压,),等臂输出时,等臂半桥灵敏度为：,U,o,与（,R,1,/R,1,）呈,线性关系,差动电桥无非线性误差,而且电桥电压灵敏度,K,U,=E/2,比单臂工作时提高一倍,同时还具有温度补偿作用。,4.3,电阻应变片的测量电路,严格的线性关系,电桥灵敏度比单臂时提高一倍,温度补偿作用,特点,3),全桥接法,(,两个受拉、两个受压,应变符号相同接入相对桥臂,),等臂输出电压,等臂半桥灵敏度为：,此时全桥差动电路不仅没有非线性误差,而且电压灵敏度是单臂的,4,倍,同时仍,具有温度补偿作用。,4.3,电阻应变片的测量电路,严格的线性关系,电桥灵敏度比单臂时提高,4,倍,温度补偿作用,特点,电桥的工作特性：,1),不同的接桥方式具有不同的电桥灵敏度,尽量采用,半桥双臂或全桥,方式,在 条件下,电桥的输出与 成正比；,全桥接法可以获得最大的输出,其灵敏度是半桥单臂接法的,4,倍。,4.3,电阻应变片的测量电路,电桥的工作特性：,2),电桥的和差特性,全桥接法：,4,桥臂均为工作应变片,相邻桥臂,:,应变极性相同时,电桥输出电压与两应变差有关；应变极性相反时,电桥输出电压与两应变和有关。,相对桥臂,:,输出电压与应变的关系和相邻桥臂正好相反。,4.3,电阻应变片的测量电路,电桥和差特性的实际应用：,1.,提高灵敏度,半桥双臂或全桥连接,相对桥臂：同极性 相邻桥臂：反极性,2.,实现温度补偿,全桥自动补偿,半桥双臂：,邻臂,(,同一温度场,),3.,消除非测量载荷的干扰影响,4.3,电阻应变片的测量电路,例如：,R1,、,R3,为应变片，,R1,受拉、,R3,受压,设,测量,F,消除扭矩,M,的影响,4.3,电阻应变片的测量电路,小结,单臂桥,输出电压,灵敏度,是否有非线性误差,电桥种类,有,半桥,全桥,无,无,例,4-1,图,4-7a,),为传感器上的圆形实芯弹性体,四个应变片粘贴方向为,R,1,、,R,4,轴向,R,2,R,3,圆周向。应变片的初始值,R,1,=,R,2,=,R,3,=,R,4,=100,灵敏度系数,K,=2,弹性体的泊松系数,=0.285,当弹性体受拉时,测得,R,1,、,R,4,的变化为,R,1,=,R,4,=0.2,如将四个应变片如图,4-7(,b,),所示接入直流电桥,当电桥供压,U,=2,V,时,试求电桥的输出,U,o,。,例题,图,4-7,例,4-1,应变片的粘贴与接法,解,:,因为弹性体受拉时,R,1,、,R,4,受到拉伸,圆周向,R,2,、,R,3,受压缩,拉伸压缩比取决于泊松比,所以需要先求得轴向的拉伸应变,再计算圆周向的压缩应变。,轴向应变量为,圆周,s,向的应变,为,所以,与圆半径的相对变化等比，由泊松比的定义有,例题,4-1,由式,(4-6),得到,R,3,=,R,2,=,K,R,2,=-0.057,写出全桥的输出电压表达式，代入数据后得：,例题,4-1,2.,交流电桥,供桥电压：交流优点：消除零漂,平衡条件：,即,和,图,4-8,交流电桥,当应力变化引起,Z,1,=Z,0,+Z,，,Z,2,=Z,0,-Z,变化时,电桥输出为,4.4,应变式传感器的应用（,1,）,13,4-10,柱式力传感器,应变式力传感器,（,a,）,实心圆柱；（,b,）,空心圆筒；,R,5,R,8,R,7,R,6,R,1,R,2,R,3,R,4,R,5,R,8,R,7,R,6,R,1,R,2,R,3,R,4,Uo,U,F,空心,实心,(2),梁式力传感器,等截面梁,结构简单，易加工，灵敏度高,适合于测,5000N,以下的载荷,b0,R1,R4,l,0,l,F,b,h,等截面悬臂梁,b0,R1,R4,X,l,F,b,h,等强度悬臂梁,当在自由端受力时，在梁上各处产生的应变大小相等。,双端固定梁,薄壁圆环式力传感器,特点：在外力作用下，各点的应力差别较大,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,BK,4,轮辐式传感器系列,采用轮辐式结构，高度低，抗偏抗侧能力强，测量精度高，性能稳定可靠安装方便，是大、中量程精度传感器中的最佳形式，广泛用于各种电子衡器和各种力值测量，如汽车衡、轨道衡、吊勾秤、料斗秤,技术参数 量程（,t,）,1,，,2,，,5,，,10,，,20,，,30,，,50,供桥电压,12VDC,灵敏度,1,52mV/V,输入阻抗,73020,非线性（,%FS,）,0.03,0.05,0.1,输出阻抗,70010,重复性（,%FS,）,0.03,0.05,0.1,绝缘电阻,2000M,滞后（,%FS,）,0.03,0.05,0.1,工作温度,-10+50,允许过负荷,120%FS,热零点偏移（,%FS/10,）,2.,应变式压力传感器,t,r,R4,R3,R1,R2,U,U,0,膜片,P,r,t,R1,R2,R3,R4,r,t,膜片式压力传感器,筒式压力传感器,测较大压力,机床液压系统的压力（,10,6,10,7,Pa,），,枪炮的膛内压力（,10,8,Pa,），,动态特性和灵敏度主要由材料的,E,值和尺寸决定,R1,R2,R1,R2,组合式压力传感器,应变片不直接粘贴在压力感受元件上,压力敏感元件为膜片或膜盒、波纹管、弹簧管等,通常用于测量小压力。,其缺点是固有频率低，不适于测量瞬态过程。,AK-1,型应变式脉动压力传感器,产品,特点：采用外壳和膜片为一体的圆膜片结构 尺寸小，安装方便 频响高，精度高，性能稳定可靠 适用于各种动，静态、气、液体介质的压力测量,4.4,应变式传感器的应用（,2,）,15,4.4,应变式传感器的应用（,3,）,图,4-11,液位高度或液体重量传感器,将应变片粘贴于被测试件上,直接用来测定试件的应力或应变。,将应变片贴于弹性元件上,与弹性元件一起构成应变式传感器,常用来测量力、位移、压力、加速度等。,4-1,什么是应变片的灵敏度系数？什么是电桥转换电路的灵敏度系数？如果测量系统的传感器由应变片和电桥转换电路组成，那么传感器的灵敏度系数与前两者的灵敏度系数是什么关系？,4-2,什么是横向效应,?,为什么应变片的灵敏度系数比电阻丝的灵敏度系数小？,4-3,一应变片的电阻,R,=120,，,K,=2.05,，用做最大应变为,=800,m/m,的传感元件。当弹性体受力变形至最大应变时，,(1),求,R,和,R,/,R,；,(,2),若将应变片接入电桥单臂，其余桥臂电阻均为,120,的固定电阻，供桥电压,U,=3 V,，求传感元件最大应变时单臂电桥的输出电压,U,o,和非线性误差。,思考题与习题,4-4,用等强度梁作为弹性元件的电子秤，在梁的上方贴一个应变片，如题,4-4,图所示，应变片的灵敏度系数,K,=2,每受,1 kg,力在应变片处产生的平均应变,=810,-3,1/kg,。已知电子秤未放置重物时，应变片的初始电阻,R,1,=100,，当电子秤上放置,500 g,重物时，求 ,(,1),应变片的电阻变化量,R,1,和相对变化,R,1,/,R,1,；,(,2),用单臂电桥做转换电路,(,R,2,=,R,3,=,R,4,=100),，电桥电压,U,=5 V,时的输出电压,U,o,，以及考虑非线性因素时单臂电桥的实际输出,;,(,3),用单臂电桥做转换电路导致的非线性误差。,思考题与习题,题,4-4,图,思考题与习题,4-5,一电阻应变片,R120,，灵敏度系数,K,=2,，粘贴在某钢质弹性元件上。已知电阻应变丝的材料为钢镍合金，其电阻温度系数为,2010,-6,/,，线膨胀温度系数为,1610,-6,/;,钢质弹性元件的线膨胀系数为,1210,-6,/,。试求,:,(1),温度变化,20,时，引起的附加电阻变化；,(2),单位温度变化引起的虚应变。,思考题与习题,如图所示,旋转的铁圆盘周边上有凸起部,设置磁铁,NS,使其夹着凸起部。每当凸起部转到磁铁中间时,因空隙长变窄,故磁通增加。这时在线圈接头处感应出的电压,如图,(b),。转速越大,e,也越大,(,高度大,),。这个装置就是,转速传感器,可用于测定汽车发动机的转速。,汽油流量计,对于转速传感器,在齿轮停止转动或转动得非常慢时不能使用。这是因为感应不出电动势,或者感应电动势太小。由钢、锑化合物制成的叫做磁阻元件的晶体具有“磁场强处电阻大”的性质。在磁铁上放置磁阻元件,那么当铁的轮齿来到时磁场就变强、电阻增大,产生与轮齿通过数相同的电阻变化,(,有电流流过时,电流也变化,),。汽油流量计就是利用了这个原理制成的。,假币检测仪,印刷纸币时使用了能感觉磁性的特殊的磁性油墨，在检测器的磁场中放置磁阻元件，那么随纸币的移动磁阻元件的阻值依次发生变化。因而产生了检测这个变化波形就能测定假币的假币检测器。票据、支票的自动读取也基于这个原理。,