第3章电阻应变片式传感器精选PPT.ppt

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1、第3章电阻应变片式传感器第1页，本讲稿共76页本章教学要求及重点、难点教学要求教学要求教学要求教学要求了解应变片的基本结构、分类、特性参数；了解应变片的基本结构、分类、特性参数；掌握电阻应变效应及电阻应变片的测量原理；掌握电阻应变效应及电阻应变片的测量原理；掌握电阻应变片的测量电路桥路的三种形式。掌握电阻应变片的测量电路桥路的三种形式。了解测量电路的补偿方法了解测量电路的补偿方法了解压阻效应及压阻式传感器的工作原理了解压阻效应及压阻式传感器的工作原理了解电阻应变式传感器的应用了解电阻应变式传感器的应用。重点、难点重点、难点重点、难点重点、难点电阻应变效应电阻应变效应&电阻应变片的测量电路电阻应

2、变片的测量电路应变式传感器的测量电路的补偿方法应变式传感器的测量电路的补偿方法 第2页，本讲稿共76页 电阻应变片式传感器电阻应变片式传感器的基本原理是将非电量的变化转的基本原理是将非电量的变化转换成应变片电阻值的变化，然后通过转化电路将电阻值的换成应变片电阻值的变化，然后通过转化电路将电阻值的变化转化成电压或电流的输出。变化转化成电压或电流的输出。具有体积小、结构简单、性能可靠、灵敏度高、动态响具有体积小、结构简单、性能可靠、灵敏度高、动态响应快、测量精度高，是应用最广泛地传感器之一。应快、测量精度高，是应用最广泛地传感器之一。测量电路测量电路第3页，本讲稿共76页3.1 3.1 应变片的基

3、本结构与工作原理一一.电阻应变片的基本结构电阻应变片的基本结构 应变片种类繁多、形式多样，但基本构造大体相应变片种类繁多、形式多样，但基本构造大体相同都是由敏感栅、基底、覆盖层、引线及黏合剂构同都是由敏感栅、基底、覆盖层、引线及黏合剂构成。如图成。如图3.13.1所示。所示。图图 3.1 3.1 电阻应变片的基本结构电阻应变片的基本结构第4页，本讲稿共76页图图3.2 3.2 丝式和箔式两种形式的电阻应变片丝式和箔式两种形式的电阻应变片 金属电阻应变片的敏感栅有丝式和箔式两种形式，金属电阻应变片的敏感栅有丝式和箔式两种形式，如图如图3.23.2所示。丝式金属电阻应变片的敏感栅由直径所示。丝式金

4、属电阻应变片的敏感栅由直径为为0.01mm0.01mm0.05mm 0.05mm 的电阻丝平行排列而成。箔式的电阻丝平行排列而成。箔式金属电阻应变片是利用光刻、腐蚀等工艺制成的一金属电阻应变片是利用光刻、腐蚀等工艺制成的一种很薄的金属箔栅，其厚度一般为种很薄的金属箔栅，其厚度一般为0.003mm0.01mm0.003mm0.01mm。第5页，本讲稿共76页二二.应变片的工作原理应变片的工作原理1.1.电阻应变效应电阻应变效应 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，其电阻值会相应地发生变化，这种现象称为应变时，其电阻值会相应地发生变化，这种现

5、象称为应变效应。电阻应变片的工作原理就是基于应变效应。效应。电阻应变片的工作原理就是基于应变效应。如图如图3.3 3.3 所示的金属电阻丝，在其未受力时，假设其所示的金属电阻丝，在其未受力时，假设其初始电阻值为初始电阻值为 （3.13.1）式中式中 电阻丝的电阻率；电阻丝的电阻率；L L电阻丝的长度；电阻丝的长度；A A电阻丝的截面积电阻丝的截面积 第6页，本讲稿共76页图图3.3 3.3 金属电阻丝金属电阻丝 当电阻丝受到轴向的拉力F作用时，将伸长l，横截面积相应减小A，电阻率因材料晶格发生变形等因素影响而改变了，从而引起了电阻值的变化，对式（3.1）全微分，得：则相对变化量为 或 第7页，

6、本讲稿共76页 称为金属电阻丝的轴向应变，简称应变。称为金属电阻丝的轴向应变，简称应变。称为金属电阻丝的径向应变。称为金属电阻丝的径向应变。根据材料力学性质，在弹性范围内，当金属丝受到根据材料力学性质，在弹性范围内，当金属丝受到轴向的拉力时，将沿轴向伸长，沿径向缩短。轴向应轴向的拉力时，将沿轴向伸长，沿径向缩短。轴向应变和径向应变的关系可以表示为变和径向应变的关系可以表示为 式中式中 电阻丝材料的泊松比，负号表示应变方向相电阻丝材料的泊松比，负号表示应变方向相反反 。则电阻值的相对变化量为。则电阻值的相对变化量为 第8页，本讲稿共76页 (3)(3)电阻丝的灵敏系数电阻丝的灵敏系数K K 把单

7、位应变引起的电阻值变化量定义为电阻丝的灵敏把单位应变引起的电阻值变化量定义为电阻丝的灵敏系数系数K K，即，即 灵敏灵敏系数系数K K受两个因素影响：受两个因素影响：应变片受力后材料几何尺寸的变化，即应变片受力后材料几何尺寸的变化，即1+21+2。应变片受力后材料的电阻率发生的变化应变片受力后材料的电阻率发生的变化(压阻效应压阻效应)，即，即(d/(d/)/)/。第9页，本讲稿共76页 对金属材料来说，电阻丝灵敏度系数对金属材料来说，电阻丝灵敏度系数K K表达式中表达式中1+21+2的值通常要比的值通常要比(d/)/(d/)/大得多，由于大得多，由于=0.30.5=0.30.5，所以，所以K

8、K值值在在1.621.62之间。之间。对半导体材料，对半导体材料，(d/)/(d/)/的值比的值比1+21+2大得多。大得多。实验表明，在电阻丝拉伸极限内，电阻的相对变化与应实验表明，在电阻丝拉伸极限内，电阻的相对变化与应变成正比，即变成正比，即K K为常数。为常数。第10页，本讲稿共76页2.2.横向效应横向效应 应变片在承受轴向应力而产生纵向拉应变应变片在承受轴向应力而产生纵向拉应变时，各直线段的电阻将增加，但在半圆弧段受时，各直线段的电阻将增加，但在半圆弧段受到横向缩短应变，横向缩短作用引起的电阻值到横向缩短应变，横向缩短作用引起的电阻值减小量对于轴向伸长作用引起的电阻值的增加减小量对于

9、轴向伸长作用引起的电阻值的增加量起着抵消作用，它使所测应变值偏小，或者量起着抵消作用，它使所测应变值偏小，或者说使应变片灵敏系数减小，此现象称为横向效说使应变片灵敏系数减小，此现象称为横向效应。应。为了减小横向效应产生的测量误差，现在一为了减小横向效应产生的测量误差，现在一般多采用箔式应变片。般多采用箔式应变片。第11页，本讲稿共76页图3.4 应变片轴向受力及横向效应第12页，本讲稿共76页 3.测量原理 在外力作用下，被测对象产生微小机械变形，应变片随着发生相同的变化，同时应变片电阻值也发生相应变化。当测得应变片电阻值变化量为R 时，便可得到被测对象的应变值，根据应力与应变的关系，应变与应

10、力成正比，即 ，E-试件材料的弹性模量。=E 第13页，本讲稿共76页三三.应变片的种类及特性参数应变片的种类及特性参数1.1.种类：金属应变片（丝式、箔式）、薄膜式应变片、半导体种类：金属应变片（丝式、箔式）、薄膜式应变片、半导体应变片。应变片。2.2.主要特性参数主要特性参数 应变片的原始电阻值应变片的原始电阻值 绝缘电阻：绝缘电阻：灵敏系数：灵敏系数：允许电流：允许电流：零漂和蠕变：零漂指试件在不受力和恒温零漂和蠕变：零漂指试件在不受力和恒温下，应变片的指示应变不为零，且数值随时下，应变片的指示应变不为零，且数值随时间变化的特性。蠕变指温度恒定、试件受力间变化的特性。蠕变指温度恒定、试件

11、受力也恒定情况下，指示应变随时间变化的特性。也恒定情况下，指示应变随时间变化的特性。机械滞后：机械滞后：应变极限：应变极限：热滞后热滞后第14页，本讲稿共76页3.23.2 电阻应变片测量电路电阻应变片测量电路电阻应变片测量电路电阻应变片测量电路一一.应变片测量电路的构成应变片测量电路的构成 采用直流电桥或交流电桥。电桥是由无源元件电采用直流电桥或交流电桥。电桥是由无源元件电阻阻R(R(或电感或电感L L、电容、电容C)C)组成的四端网络。它在测量电组成的四端网络。它在测量电路中的作用是将组成电桥各桥臂的电阻路中的作用是将组成电桥各桥臂的电阻R(R(或或L L、C)C)等等参数的变化转换为电压

12、或电流输出，如图参数的变化转换为电压或电流输出，如图3.53.5所示。所示。图3.5 直流电桥和交流电桥第15页，本讲稿共76页二二二二.应变片测量直流电桥应变片测量直流电桥应变片测量直流电桥应变片测量直流电桥 若将组成桥臂的一个或几个电阻换成电阻应变片，若将组成桥臂的一个或几个电阻换成电阻应变片，就构成了应变片测量的直流电桥。根据接入电阻应变就构成了应变片测量的直流电桥。根据接入电阻应变片的数量及电路组成不同，应变片测量电桥可分为如片的数量及电路组成不同，应变片测量电桥可分为如下三种形式：单臂、半桥、全桥。下三种形式：单臂、半桥、全桥。1.1.直流电桥的平衡条件直流电桥的平衡条件 在图在图3

13、.53.5所示的直流电桥中，大部分电阻应变式传所示的直流电桥中，大部分电阻应变式传感器的电桥输出端与直流放大器相连，由于直流放大感器的电桥输出端与直流放大器相连，由于直流放大器输入电阻远大于电桥电阻，当器输入电阻远大于电桥电阻，当RLRL时，电桥输出时，电桥输出电压为电压为 第16页，本讲稿共76页当当 即即 ，U U0 0=0=0 电桥处于平电桥处于平衡状态，衡状态，称为电桥平衡条件。称为电桥平衡条件。注意注意：电桥在测量前应对其调零，以使工作时电桥：电桥在测量前应对其调零，以使工作时电桥输出电压只与应变片的电阻变化有关，为得到最大输出电压只与应变片的电阻变化有关，为得到最大灵敏度，设定初始

14、条件为灵敏度，设定初始条件为 ，此时，此时电桥称为等臂电桥。电桥称为等臂电桥。第17页，本讲稿共76页2.2.单臂测量电桥单臂测量电桥 只有一个应变片接入电桥，设只有一个应变片接入电桥，设R1R1为接入的应变为接入的应变片，其他三个桥臂保持固定电阻不变，如图片，其他三个桥臂保持固定电阻不变，如图3.63.6所示。所示。应变时，若应变片电阻应变时，若应变片电阻R1R1的变化为的变化为RR，其它桥臂，其它桥臂固定不变，电桥输出电压固定不变，电桥输出电压Uo0Uo0，则电桥不平衡，输，则电桥不平衡，输出电压为出电压为图图 3.6 单臂测量电桥第18页，本讲稿共76页 设桥臂比设桥臂比n=R2/R1n

15、=R2/R1，由于，由于R1R1R15的小曲率圆环：A、B两点的应变。这样，测出A、B处的应变，即可得到载荷F。内贴取“一”内贴取“”式中：h圆环厚度；b圆环宽度；E材料弹性模量。第59页，本讲稿共76页第60页，本讲稿共76页 应变式加速度传感器主要用于物体加速度的测应变式加速度传感器主要用于物体加速度的测量，量，a=F/ma=F/m。当被测物体作作水平加速度运动时，当被测物体作作水平加速度运动时，由于质量块的惯性使悬臂梁发生弯曲变形，通过应由于质量块的惯性使悬臂梁发生弯曲变形，通过应变片检测出悬臂梁的应变量变片检测出悬臂梁的应变量，悬臂梁应变量与加，悬臂梁应变量与加速度成正比。速度成正比。

16、2.2.加速度测量加速度测量图中由于图中由于 受拉，受拉，受压，故受压，故故电桥输出为：故电桥输出为：，第61页，本讲稿共76页第62页，本讲稿共76页3.3.基于应变式力传感器的重量测量基于应变式力传感器的重量测量基于应变式力传感器的重量测量基于应变式力传感器的重量测量-手提式电子秤手提式电子秤手提式电子秤手提式电子秤 如图所示为一手提式电子秤，称物体时，重力作用引起弹性体的如图所示为一手提式电子秤，称物体时，重力作用引起弹性体的变形，使得黏贴在弹性物体上的四个应变片的阻值发生变化，不加载变形，使得黏贴在弹性物体上的四个应变片的阻值发生变化，不加载荷时电桥处于平衡状态；加载时产生不平衡输出，

17、选择荷时电桥处于平衡状态；加载时产生不平衡输出，选择 为特性相同的应变片，其输出为：为特性相同的应变片，其输出为：第63页，本讲稿共76页第64页，本讲稿共76页4.应变式压力传感器应变式压力传感器 主要用来测量流动介质的动态或静态压力 应变片压力传感器大多采用膜片式或筒式弹性元件。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 第65页，本讲稿共76页图3-15 膜片式压力传感器（a）应变变化图;（b）应变片粘贴 第66页，本讲稿共76页应变变化曲线的特点：当x=0时，rmax=tmax；当x=R时，t=0，r=2rmax。特点的应用：一般在平膜片圆心处切向粘贴R1、R4两个应

18、变片，在边缘处沿径向粘贴R2、R3两个应变片，然后接成全桥测量电路。避开位置。第67页，本讲稿共76页5.应变式容器内液体重量传感器应变式容器内液体重量传感器感压膜感受上面液体的压力。当容器中溶液增多时，感压膜感受的压力就增大。将其上两个传感器Rt的电桥接成正向串接的双电桥电路，此时输出电压为 Uo=U1U2=(K1K2)hg 式中,K1，K2为传感器传输系数。结论：电桥输出电压与柱式容器内感压膜上面溶液的重量成线性关系，因此可以测量容器内储存的溶液重量。第68页，本讲稿共76页图3-16 应变片容器内液体重量传感器 第69页，本讲稿共76页6.应变式加速度传感器应变式加速度传感器用于物体加速

19、度的测量。依据：a=F/m。图3-17 电阻应变式加速度传感器结构图 第70页，本讲稿共76页 测量原理：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。适用范围：不适用于频率较高的振动和冲击场合，一般适用频率为1060 Hz范围。第71页，本讲稿共76页第72页，本讲稿共76页 是利用是利用电阻应变片电阻应变片电阻应变片电阻应变片将应变转换为电阻值变化的传感器将

20、应变转换为电阻值变化的传感器工作原理：工作原理：当被测物理量作用于弹性元件上，当被测物理量作用于弹性元件上，弹性元件弹性元件弹性元件弹性元件在力、力在力、力矩或压力等的作用下发生变形，产生相应的应变或矩或压力等的作用下发生变形，产生相应的应变或 位移，然后传递给与之相连的位移，然后传递给与之相连的应变片应变片应变片应变片，引起应变片的，引起应变片的 电阻值变化，通过测量电路变成电量输出，输出的电电阻值变化，通过测量电路变成电量输出，输出的电 量大小反映被测量的大小。量大小反映被测量的大小。结构：结构：应变式传感器由应变式传感器由弹性元件弹性元件弹性元件弹性元件上粘贴上粘贴电阻应变片电阻应变片电

21、阻应变片电阻应变片构成构成应用：应用：广泛用于力、力矩、压力、加速度、重量等参数的广泛用于力、力矩、压力、加速度、重量等参数的测量测量第73页，本讲稿共76页分析：当半导体应变片受轴向力作用时，其电阻相对变化为 半导体应变片的电阻率相对变化量与所受的应变力有关：式中：半导体材料的压阻系数;半导体材料的所受应变力;E半导体材料的弹性模量;半导体材料的应变。第74页，本讲稿共76页因此：实验证明，E比1+2大近百倍，所以1+2可以忽略，因而半导体应变片的灵敏系数为 第75页，本讲稿共76页 半导体应变片的灵敏系数比金属丝式高5080倍，但半导体材料的温度系数大，应变时非线性比较严重，使它的应用范围受到一定的限制。第76页，本讲稿共76页