传感器原理与应用第四章：电阻应变传感器PPT讲稿.ppt

传感器原理与应用第四章：电阻应变传感器第1页，共47页，编辑于2022年，星期三学学 习习 要要 求求1 1、掌握电阻应变片的工作原理、掌握电阻应变片的工作原理2 2、掌握电阻应变式传感器的检测方法、掌握电阻应变式传感器的检测方法3 3、熟悉不同种类直流电桥的输出特点、熟悉不同种类直流电桥的输出特点4 4、熟悉电阻应变式传感器的典型应用、熟悉电阻应变式传感器的典型应用5 5、学习和掌握电阻应变传感器的创新应用、学习和掌握电阻应变传感器的创新应用第2页，共47页，编辑于2022年，星期三第3页，共47页，编辑于2022年，星期三 电阻应变式传感器是将被测量的应力（压力、荷电阻应变式传感器是将被测量的应力（压力、荷重、扭力等）通过所产生的金属弹性形变转换成电阻重、扭力等）通过所产生的金属弹性形变转换成电阻变化的检测元件变化的检测元件。它由电阻应变片和测量线路两部分组成。目前应它由电阻应变片和测量线路两部分组成。目前应用最广泛的电阻应变片有两种：电阻丝应变片和半用最广泛的电阻应变片有两种：电阻丝应变片和半导体应变片。导体应变片。L LF FF F第一节第一节 电阻应变片电阻应变片第4页，共47页，编辑于2022年，星期三各种金属应变片花各种金属应变片花第5页，共47页，编辑于2022年，星期三1.1 1.1 应变电阻效应应变电阻效应 导体产生机械变形时，电阻值发生变化的现象导体产生机械变形时，电阻值发生变化的现象称为称为“应变电阻效应应变电阻效应”。金属丝受力拉长，截面积金属丝受力拉长，截面积S S变小，由变小，由 知，知，R R将增大。将增大。即即径向应变径向应变测量相对误差：测量相对误差：第6页，共47页，编辑于2022年，星期三 金属导线在受应力拉长或缩短的时候金属导线在受应力拉长或缩短的时候,不仅不仅长度要变长度要变,面积也要发生变化。其电阻的变化如面积也要发生变化。其电阻的变化如何计算？何计算？第7页，共47页，编辑于2022年，星期三 由材料力学知：横向应变由材料力学知：横向应变 与纵向应变与纵向应变 的关系可以用泊松系数的关系可以用泊松系数 来描述：来描述：应变灵敏系数应变灵敏系数第8页，共47页，编辑于2022年，星期三 要制成电阻应变片，用单一金属丝难以实现，所要制成电阻应变片，用单一金属丝难以实现，所以用金属丝绕制。如用直径为以用金属丝绕制。如用直径为0.0150.0150.05mm0.05mm的细的细金属丝绕成栅网状，并粘贴在绝缘的基片上，两金属丝绕成栅网状，并粘贴在绝缘的基片上，两侧侧由引线接出，线栅上再覆盖一层绝缘保护膜。由引线接出，线栅上再覆盖一层绝缘保护膜。一般线栅面积为一般线栅面积为3 3 10mm10mm2 2,阻值为阻值为6060 150 150 对于大多数金属材料，泊松系数对于大多数金属材料，泊松系数 所以所以k ks s的数值在的数值在1.41.44.84.8之间，一般取之间，一般取k ks s为为2 2（应变片的灵敏度）左右。利用这种效应制成（应变片的灵敏度）左右。利用这种效应制成传感器，即为电阻应变片。传感器，即为电阻应变片。第9页，共47页，编辑于2022年，星期三结构及材料结构及材料金属丝电阻应变片的典型结构见图。它主要由粘合层1、3，基底2、盖片4，敏感栅5，引出线6构成。第10页，共47页，编辑于2022年，星期三1.21.2 环境温度对环境温度对测量的影响测量的影响 造成应变片测量误差的因素很多，测量时要造成应变片测量误差的因素很多，测量时要加以考虑。其中环境温度的影响是首要的误差。加以考虑。其中环境温度的影响是首要的误差。而当应变金属丝受环境温度影响时，有：而当应变金属丝受环境温度影响时，有：R RT TR RT0T0 1+1+T T（T TT T0 0）温度系数温度系数 T T4.28104.2810-3-3/温度变化温度变化11时，时，R RT TR RT0T0（1+1+T T），即，），即，R/RR/R(R(RT TR RT0T0)/R)/RT0T0=22140=22140 比较比较 R/RR/Rk ks s l l=2=2 l l （假设（假设K KS S2 2）环境温度变化环境温度变化11相当于引起相当于引起21402140 的应变，必须解决。的应变，必须解决。一般一般 l l应变单位为几百几千应变单位为几百几千(110(110-6-6)第11页，共47页，编辑于2022年，星期三1.31.3温度补偿措施温度补偿措施1 1应变片补偿法应变片补偿法 将两个特性相同的应变片，将两个特性相同的应变片，用同样的方法粘贴在同样材质用同样的方法粘贴在同样材质的两个器件上，置于相同的温的两个器件上，置于相同的温度中，承受应力的为工作片，度中，承受应力的为工作片，不受应力的为补偿片不受应力的为补偿片。测量时，如温度变化两个应变片引起的电阻增量测量时，如温度变化两个应变片引起的电阻增量不但符号相同，而且数量相同，根据电桥平衡条件不但符号相同，而且数量相同，根据电桥平衡条件R R1 1R R4 4R R2 2R R3 3，电桥必然保持平衡。，电桥必然保持平衡。应变片应变片R R1 1测量元件测量元件应变片应变片R R2 2温度补偿元件温度补偿元件R R1 1R R2 2R R3 3R R4 4U U0 0第12页，共47页，编辑于2022年，星期三2 2应变片自补偿应变片自补偿 使用特殊的应变片，使其温度变化的电阻增量等于零使用特殊的应变片，使其温度变化的电阻增量等于零或相互抵消，从而不产生测量误差。或相互抵消，从而不产生测量误差。这是利用某些电阻材料的温度系数有正负特性，将这是利用某些电阻材料的温度系数有正负特性，将这两种不同的电阻丝串联成一个应变片来实现的温度这两种不同的电阻丝串联成一个应变片来实现的温度补偿，其条件是这两段电阻丝栅随温度变化而产生的补偿，其条件是这两段电阻丝栅随温度变化而产生的电阻增量大小相等，方向相反电阻增量大小相等，方向相反。即即或，或，这种温度补偿方法给应变片的应用带来了方便，但这种温度补偿方法给应变片的应用带来了方便，但不易达到理想的效果，而且成本较高。不易达到理想的效果，而且成本较高。第13页，共47页，编辑于2022年，星期三3 3热敏电阻补偿法热敏电阻补偿法 将热敏电阻将热敏电阻R Rt t置于应变片相同的温度下，可以进行温度补置于应变片相同的温度下，可以进行温度补偿，有下列多种方式：偿，有下列多种方式：U UB BT TR R1 1R Rt tU U0 0不变不变T TR R1 1R Rt tU U0 0不变不变R R1 1R R2 2R R3 3R R4 4R Rt tU U0 0R R1 1R R2 2R Rt tR R3 3U U0 0B B第14页，共47页，编辑于2022年，星期三2.12.1电桥概述电桥概述1 1电桥工作原理电桥工作原理平衡条件：平衡条件：R R1 1R R2 2R R3 3R R4 4U US SU U0 0第二节第二节 基本测量电路基本测量电路电桥电路电桥电路第15页，共47页，编辑于2022年，星期三2 2电桥分类电桥分类电桥分类电桥分类按输入电源分：按输入电源分：直流电桥、交流电桥、恒压源电桥、恒流源电桥直流电桥、交流电桥、恒压源电桥、恒流源电桥按被测电阻的接入方式分：按被测电阻的接入方式分：四个桥臂中只有一个桥臂是敏感元件，四个桥臂中只有一个桥臂是敏感元件，其它均为电阻；其它均为电阻；四个桥臂中有两个敏感元件是相邻桥四个桥臂中有两个敏感元件是相邻桥 臂，这两个敏感元件在测量对象中，臂，这两个敏感元件在测量对象中，阻阻值变化大小相等，方向相反；值变化大小相等，方向相反；四个桥臂中两个敏感元件是相对桥四个桥臂中两个敏感元件是相对桥 臂，臂，变化大小相对，方向相同。变化大小相对，方向相同。单臂电桥单臂电桥差动电桥差动电桥相对臂电桥相对臂电桥双差动电桥双差动电桥-四个敏感元件，分成大小相等、方四个敏感元件，分成大小相等、方 向相反的两对。向相反的两对。第16页，共47页，编辑于2022年，星期三按桥臂电阻的配备方式分：按桥臂电阻的配备方式分：串联对称电桥串联对称电桥(第一类对称电桥第一类对称电桥)并联对称电桥并联对称电桥(第二类对称电桥第二类对称电桥)等臂电桥等臂电桥按电桥的工作方式分：按电桥的工作方式分：平衡电桥平衡电桥不平衡电桥不平衡电桥R R1 1R R2 2R R3 3R R4 4U US SU U0 0a)a)对称电桥对称电桥R R1 1 R R2 2,R,R3 3 R R4 4R R1 1R R3 3，R R2 2R R4 4R R1 1R R2 2R R3 3 R R4 4b)b)不对称电桥不对称电桥不满足上述条件的电桥不满足上述条件的电桥满足满足R R1 1R R4 4R R2 2R R3 3又称又称“全对称电桥全对称电桥第17页，共47页，编辑于2022年，星期三2.2 2.2 不平衡单臂电桥的工作特性不平衡单臂电桥的工作特性单臂单臂R R1 1为敏感元件变化的电桥输出为：为敏感元件变化的电桥输出为：对串联对称电桥：对串联对称电桥：由由R R1 1=R=R2 2,R,R3 3=R=R4 4,得得由由 (Q(Q是微小量是微小量)可展成泰勒级数：可展成泰勒级数：所以得：所以得：第18页，共47页，编辑于2022年，星期三忽略后一项忽略后一项 2 2/8/8，得，得理想理想输出输出电桥电压灵敏度：电桥电压灵敏度：非线性度：非线性度：可见，输入量变化可见，输入量变化 越大，非线性误差越大。越大，非线性误差越大。若要求电桥误差小于若要求电桥误差小于 0.030.03，即，即 f f33则允许则允许 最大值为最大值为 0.06 0.06（最大的测量范围）（最大的测量范围）其结论同全对称电桥。其结论同全对称电桥。第19页，共47页，编辑于2022年，星期三2.32.3差动电桥的工作特性差动电桥的工作特性 设：设：且且则则灵敏度灵敏度比单臂电桥高一倍比单臂电桥高一倍线性度线性度R R1 1和和R R2 2为敏感元件为敏感元件第20页，共47页，编辑于2022年，星期三2.4 2.4 双差动电桥的工作特性双差动电桥的工作特性灵敏度灵敏度比差动电桥高一倍比差动电桥高一倍线性度线性度 设：设：均为敏感元件均为敏感元件R R1 1R R2 2R R3 3R R4 4且且第21页，共47页，编辑于2022年，星期三2.4 2.4 相对臂电桥的工作特性相对臂电桥的工作特性设设得得灵敏度较高，但非线性误差较大，常用于极性显示。灵敏度较高，但非线性误差较大，常用于极性显示。第22页，共47页，编辑于2022年，星期三2.5 2.5 提高不平衡电桥输出线性度的方法提高不平衡电桥输出线性度的方法2 2电桥输出端串接一大阻值的电阻电桥输出端串接一大阻值的电阻R RL LR R1 1R R2 2R R3 3R R4 4U US SU U0 0R RL LI Io oU U0 0R R0 0R RL LI Io o当当R RL LRR0 0电桥输出电阻电桥输出电阻1 1采用差动电桥工作方式采用差动电桥工作方式（前面已述）（前面已述）第23页，共47页，编辑于2022年，星期三3 3采用恒流源供电方式采用恒流源供电方式等臂电桥等臂电桥：若若R R1 1为敏感元件，有：为敏感元件，有：R R2 2R R4 4R R1 1R R3 3I IS SU Uo ososUU4e=线性度：线性度：理想输出：理想输出：灵敏度：灵敏度：若若U US SRIRIS S供电，灵敏度近似不变，非线性误差为供电，灵敏度近似不变，非线性误差为 /2/2。第24页，共47页，编辑于2022年，星期三4 4 采用有源电桥方式采用有源电桥方式由由得得 有源电桥的输出在较小范围内为线性，灵敏度较有源电桥的输出在较小范围内为线性，灵敏度较等臂电桥提高一倍，输出信号的极性与无源电桥相反。等臂电桥提高一倍，输出信号的极性与无源电桥相反。R RR RR RR+R+R RE Eo oU Us s同相输入同相输入反相输入反相输入第25页，共47页，编辑于2022年，星期三2.6 2.6 电桥调零电桥调零 原被测量的总元件无变化时，输出量应为零。即满原被测量的总元件无变化时，输出量应为零。即满足足 。若不平衡，则须调零。一般有两种。若不平衡，则须调零。一般有两种调零方式：调零方式：串联调零串联调零 应用于应用于R R1 1、R R2 2值较大的值较大的场合，此时，场合，此时，R RW W越小，对传越小，对传感器灵敏度的影响越小。感器灵敏度的影响越小。U US SR R1 1R R2 2R R3 3R R4 4U U0 0R RW W第26页，共47页，编辑于2022年，星期三并联调零并联调零 该方式应用于桥臂电阻该方式应用于桥臂电阻R R2 2、R R4 4值较小的场合。此时，值较小的场合。此时，R Rw w越大，对桥路影响越小。越大，对桥路影响越小。R R1 1R R2 2R R3 3R R4 4U US SU U0 0R RW W第27页，共47页，编辑于2022年，星期三2.7 2.7 交流电桥交流电桥Z Z1 1Z Z2 2Z Z3 3Z Z4 4 采用交流电源采用交流电源供电的电桥称为供电的电桥称为“交流电桥交流电桥”。设设 Z Z1 1z z1 1e ej j 1 1Z Z2 2z z2 2e ej j 2 2Z Z3 3z z3 3e ej j 3 3Z Z4 4z z4 4e ej j 4 4交流电桥平衡的条件是：交流电桥平衡的条件是：Z Z1 1Z Z4 4Z Z2 2Z Z3 3z z1 1z z4 4z z2 2z z3 3 1 1 4 4 2 2 3 3交流电桥的交流电桥的调零要调两调零要调两个参数。个参数。第28页，共47页，编辑于2022年，星期三第三节第三节 电阻应变片传感器的应用电阻应变片传感器的应用第29页，共47页，编辑于2022年，星期三(1)(1)力及扭矩的测量力及扭矩的测量柱式转换法柱式转换法差动法差动法R R1 1受纵向力变化受纵向力变化R R2 2受横向力变化受横向力变化F FF FF FR R1 1R R2 2环状法环状法F FF F在拉力作用下，内环在拉力作用下，内环拉长，外环压缩，可拉长，外环压缩，可构成双差动电桥，灵构成双差动电桥，灵敏度比差动电桥提高敏度比差动电桥提高一倍。一倍。第三节第三节 电阻应变片传感器的应用电阻应变片传感器的应用第30页，共47页，编辑于2022年，星期三几种梁式传感器外形几种梁式传感器外形 第31页，共47页，编辑于2022年，星期三(2)(2)加速度的测量加速度的测量根据根据F=maF=ma测得测得F F便可以得到便可以得到a a。m ma aF F(3)(3)流体压力的测量流体压力的测量测量原理：测量原理：压力压力位移位移应力应力第32页，共47页，编辑于2022年，星期三第33页，共47页，编辑于2022年，星期三应变式荷重传感器的外形及应变片应变式荷重传感器的外形及应变片的粘贴位置的粘贴位置R1R2 R4第34页，共47页，编辑于2022年，星期三应变式荷重传感器外形及受力位置（续）应变式荷重传感器外形及受力位置（续）FF第35页，共47页，编辑于2022年，星期三应变式荷重传感器外形及受力位置（续）应变式荷重传感器外形及受力位置（续）FF第36页，共47页，编辑于2022年，星期三汽车衡汽车衡第37页，共47页，编辑于2022年，星期三汽车衡汽车衡第38页，共47页，编辑于2022年，星期三汽车衡汽车衡称重系统称重系统第39页，共47页，编辑于2022年，星期三电子天平电子天平电子天平的精度可电子天平的精度可达十万分之一达十万分之一第40页，共47页，编辑于2022年，星期三人体秤人体秤 第41页，共47页，编辑于2022年，星期三吊钩秤吊钩秤 便携式便携式第42页，共47页，编辑于2022年，星期三应变式数显扭矩扳手应变式数显扭矩扳手 可用于汽车、摩托车、飞机、内燃机、机械制可用于汽车、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造和家用电器等领域，准确控制紧固螺纹的装配扭矩。量程扭矩。量程2500N.m，耗电量，耗电量10mA，有公制，有公制/英制单位转换、峰值保持、自动断电等功能。英制单位转换、峰值保持、自动断电等功能。第43页，共47页，编辑于2022年，星期三材料应变的测量材料应变的测量斜拉桥上的斜拉绳斜拉桥上的斜拉绳应变测试应变测试 第44页，共47页，编辑于2022年，星期三臂力测量臂力测量肺活量测量肺活量测量走步测量走步测量动脑筋想想动脑筋想想电阻应变传感器还有什么应用？电阻应变传感器还有什么应用？司机瞌睡监测报警司机瞌睡监测报警第45页，共47页，编辑于2022年，星期三电阻应变传感器系列电阻应变传感器系列第46页，共47页，编辑于2022年，星期三第第 四四 章章 小小 结结1 1、掌握电阻应变传感器的工作原理和应用技巧、掌握电阻应变传感器的工作原理和应用技巧温度补偿、调零方法、减小非线性方法等等。温度补偿、调零方法、减小非线性方法等等。2 2、单臂对称电桥、差动电桥和双差动电桥的输出特点、单臂对称电桥、差动电桥和双差动电桥的输出特点灵敏度和非线性误差灵敏度和非线性误差3 3、电阻应变传感器的典型应用和创新应用、电阻应变传感器的典型应用和创新应用第47页，共47页，编辑于2022年，星期三