传感器原理及应用第3章 电阻应变式传感器.ppt

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1、3.3.电阻应变式传感器电阻应变式传感器传感器原理及应用传感器原理及应用传感器原理及应用第3章 电阻应变式传感器 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望3.3.电阻应变式传感器电阻应变式传感器传感器原理及应用传感器原理及应用概述概述 各种电子秤各种电子秤广泛应用于广泛应用于3.3.电阻应变式传感器电阻应变式传感器传感器原理及应用传感器原理及应用概述概述 高高 精精 度度 电电 子子 汽汽 车车 衡衡 动态电子秤动态电子秤电子天平电子天平3.3.电阻应变式传

2、感器电阻应变式传感器传感器原理及应用传感器原理及应用概述概述 机械秤包装机机械秤包装机吊秤吊秤3.3.电阻应变式传感器电阻应变式传感器传感器原理及应用传感器原理及应用第一节第一节 弹性敏感元件弹性敏感元件 一、概念一、概念 变形变形:物体因外力作用改变原来的尺寸、形状物体因外力作用改变原来的尺寸、形状.弹弹性性形形变变:外外力力去去掉掉后后完完全全恢恢复复原原来来的的尺尺寸寸、形状的变形形状的变形。3.3.电阻应变式传感器电阻应变式传感器传感器原理及应用传感器原理及应用弹性元件弹性元件:具有弹性形变特点的元件具有弹性形变特点的元件.当弹性敏感元件受拉当弹性敏感元件受拉(压压)力时，元件除了产力

3、时，元件除了产生变形外，其内部横截面之间还存在相互的生变形外，其内部横截面之间还存在相互的作用力，内力作用力，内力(N),(N),单位单位:牛顿牛顿.应力应力:单位横截面积单位横截面积S(S(单位为单位为mmmm2 2)上所受的力，上所受的力，记为记为.3.3.电阻应变式传感器电阻应变式传感器传感器原理及应用传感器原理及应用图图3-1 3-1 应变示意图应变示意图3.3.电阻应变式传感器电阻应变式传感器传感器原理及应用传感器原理及应用应变应变:单位长度产生的变形称为单位长度产生的变形称为相对变形相对变形.记为记为:弹弹性性模模量量在在材材料料弹弹性性范范围围内内.为为常常数数.记为记为E:E:

4、3.3.电阻应变式传感器电阻应变式传感器传感器原理及应用传感器原理及应用拉压虎克定律为拉压虎克定律为 或或 3.3.电阻应变式传感器电阻应变式传感器传感器原理及应用传感器原理及应用1.1.刚刚度度:弹弹性性元元件件在在外外力力作作用用下下变变形形大大小小的量度的量度.用用K K来表示，来表示，(F为外力为外力;x;x为变形为变形)弹性特性曲线上某点弹性特性曲线上某点A A处的刚度处的刚度 二、弹性敏感元件的特性二、弹性敏感元件的特性3.3.电阻应变式传感器电阻应变式传感器传感器原理及应用传感器原理及应用图图3-2 3-2 弹性特性弹性特性 图图3-3 3-3 弹性滞后现象弹性滞后现象X F3.

5、3.电阻应变式传感器电阻应变式传感器传感器原理及应用传感器原理及应用2 2灵敏度灵敏度弹弹性性敏敏感感元元件件在在单单位位力力作作用用下下产产生生变变形形的大小的大小.又称为弹性元件的柔度又称为弹性元件的柔度.是刚度的倒数，用是刚度的倒数，用S S表示表示.3.3.电阻应变式传感器电阻应变式传感器传感器原理及应用传感器原理及应用3.3.弹性滞后弹性滞后 弹性滞后现象弹性滞后现象:弹弹性性元元件件在在加加、卸卸载载的的正正反反行行程程中中变变形形曲线不重合的现象曲线不重合的现象.主主要要原原因因是是：弹弹性性敏敏感感元元件件在在工工作作过过程程中分子间存在内磨擦。中分子间存在内磨擦。3.3.电阻

6、应变式传感器电阻应变式传感器传感器原理及应用传感器原理及应用 4 4弹性后效弹性后效 弹弹性性后后效效:当当载载荷荷从从某某一一数数值值变变化化到到另另一一数数值值时时，弹弹性性变变形形不不是是立立即即完完成成相相应应的的变变形形，而而是是经经一一定定的的时时间间间间隔隔逐逐渐渐完完成成变变形形的的现现象象.3.3.电阻应变式传感器电阻应变式传感器传感器原理及应用传感器原理及应用3.3.电阻应变式传感器电阻应变式传感器传感器原理及应用传感器原理及应用 当当作作用用在在弹弹性性敏敏感感元元件件上上的的力力由由零零增增加加至至F F0 0时时，弹弹性性敏敏感感元元件件的的变变形形首首先先由由零零迅

7、迅速速增增加加至至X Xl l，然然后后在在载载荷荷未未改改变变的的情情况况下下继继续变形到续变形到XoXo为止。为止。3.3.电阻应变式传感器电阻应变式传感器传感器原理及应用传感器原理及应用 力力由由F F0 0减减至至零零，弹弹性性敏敏感感元元件件的的变变形形也也是是先先由由X X0 0而而减减至至X X2 2,然然后后继继续续减减小小变变形形，到到变变形等于零为止。形等于零为止。3.3.电阻应变式传感器电阻应变式传感器传感器原理及应用传感器原理及应用 弹性后效现象的存在将引起测量误差。弹性后效现象的存在将引起测量误差。原因：原因：弹性敏感元件中的分子间存在内磨擦。弹性敏感元件中的分子间存

8、在内磨擦。3.3.电阻应变式传感器电阻应变式传感器传感器原理及应用传感器原理及应用 5 5固有振动频率固有振动频率 固有振动频率固有振动频率f fo o，影响传感器的动态特性。，影响传感器的动态特性。工工作作频频率率应应避避开开弹弹性性敏敏感感元元件件的的固固有有振振动动频频率，希望率，希望f fo o较高。较高。3.3.电阻应变式传感器电阻应变式传感器传感器原理及应用传感器原理及应用三、对弹性敏感元件材料的要求三、对弹性敏感元件材料的要求(1)(1)弹性滞后和弹性后效要小；弹性滞后和弹性后效要小；(2)(2)弹性模量的温度系数要小：弹性模量的温度系数要小：(3)(3)膨胀系数要小且稳定：膨胀

9、系数要小且稳定：(4)(4)有良好的机械加工和热处理性能：有良好的机械加工和热处理性能：(5)(5)要求耐腐蚀，有良好的导电性或高的要求耐腐蚀，有良好的导电性或高的 绝缘性。绝缘性。3.3.电阻应变式传感器电阻应变式传感器传感器原理及应用传感器原理及应用四、常用的弹性敏感元件材料四、常用的弹性敏感元件材料 国国外外一一般般使使用用合合金金结结构构钢钢，例例如如中中碳碳铬铬镍镍钼钢，中碳铬锰硅钢，弹簧钢等，不锈钢。钼钢，中碳铬锰硅钢，弹簧钢等，不锈钢。我我国国通通常常使使用用合合金金钢钢，碳碳钢钢，铜铜合合金金和和铌铌基合金基合金,石英玻璃及陶瓷材料。石英玻璃及陶瓷材料。3.3.电阻应变式传感器

10、电阻应变式传感器传感器原理及应用传感器原理及应用 五、弹性敏感元件的分类五、弹性敏感元件的分类 输输入入到到弹弹性性敏敏感感元元件件上上的的信信号号通通常常为为力力(力力矩矩)或压力，或压力，输出输出是位移是位移(挠度挠度)或应变，或应变，按变换形式分有按变换形式分有 “力力应应变变”、“力力-位位移移”、“压压力力-位位移移”、“力矩力矩角度角度”等类型。等类型。3.3.电阻应变式传感器电阻应变式传感器传感器原理及应用传感器原理及应用六、变换力的弹性敏感元件变换力的弹性敏感元件 输入量为力输入量为力F F，输出量是应变、位移的敏感元件，输出量是应变、位移的敏感元件.在在力力的的作作用用下下，

11、位位移移很很小小，用用它它的的应应变变作作为为输输出量出量.元件：元件：实心柱、空心圆柱、矩形柱、等截面圆环、扭实心柱、空心圆柱、矩形柱、等截面圆环、扭 转轴、转轴、等截面悬臂梁、等强度悬臂梁。等截面悬臂梁、等强度悬臂梁。3.3.电阻应变式传感器电阻应变式传感器传感器原理及应用传感器原理及应用图图3-5 3-5 变换力的弹性敏感元件变换力的弹性敏感元件a a）实心柱）实心柱 b b）空心圆柱）空心圆柱 c c）矩形柱）矩形柱 d d、e)e)等截面圆环等截面圆环 f f）等截）等截面悬梁臂面悬梁臂 g g）等强度悬梁臂）等强度悬梁臂 h h）扭转轴）扭转轴3.3.电阻应变式传感器电阻应变式传感

12、器传感器原理及应用传感器原理及应用1 1、实心柱敏感元件、实心柱敏感元件 又称实心等截面轴、柱式弹性敏感元件又称实心等截面轴、柱式弹性敏感元件.设设轴轴的的横横截截面面积积为为S S，轴轴材材料料的的弹弹性性模模量为量为E E，材料的泊松比为材料的泊松比为。当当等等截截轴轴承承受受轴轴向向拉拉力力、压压力力时时，轴轴向向的应变为的应变为x x x x=F/S*E=F/S*E3.3.电阻应变式传感器电阻应变式传感器传感器原理及应用传感器原理及应用与轴向垂直方向上的应变为与轴向垂直方向上的应变为y y 特点特点：加工精度高，灵敏度小，适用于截面较大的加工精度高，灵敏度小，适用于截面较大的 场力。场

13、力。3.3.电阻应变式传感器电阻应变式传感器传感器原理及应用传感器原理及应用 2 2环状弹性元件环状弹性元件 做做成成等等截截面面圆圆环环，灵灵敏敏度度高高，用用于于测测量量较较小小的的力力，加加工工困困难难，各各个个部部位位的的变变形形及及应力不相等。应力不相等。3.3.电阻应变式传感器电阻应变式传感器传感器原理及应用传感器原理及应用 3 3悬臂梁悬臂梁 一端固定，一端自由的弹性敏感元件一端固定，一端自由的弹性敏感元件.特点：特点：结构简单、加工方便。结构简单、加工方便。输出：输出：应变、挠度。应变、挠度。灵灵敏敏度度比比等等截截面面轴轴及及圆圆环环高高，用用于于较较小小力力的测量。的测量。

14、等截面悬臂梁、变截面等强度悬臂梁等截面悬臂梁、变截面等强度悬臂梁.3.3.电阻应变式传感器电阻应变式传感器传感器原理及应用传感器原理及应用A.A.等截面悬臂梁等截面悬臂梁任任一一指指定定点点A A，上上下下表表面面的的应应变变大大小小、相等，符号相反相等，符号相反.设设梁梁的的截截面面厚厚度度为为，宽宽度度为为b b，总总长长为为L.L.在距离固定端在距离固定端L L处的处的为为3.3.电阻应变式传感器电阻应变式传感器传感器原理及应用传感器原理及应用 最最大大应应变变产产生生在在梁梁的的根根部部,在在等等截截面面梁梁的不同部位产生的应变是不相等的的不同部位产生的应变是不相等的.3.3.电阻应变

15、式传感器电阻应变式传感器传感器原理及应用传感器原理及应用 B.等强度悬臂梁等强度悬臂梁当当梁梁的的自自由由端端有有力力F F作作用用时时，沿沿梁梁的的整整个个长长度度上上的的应应变变处处处处相相等等，灵灵敏敏度度与与梁梁长长度方向的坐标无关。度方向的坐标无关。3.3.电阻应变式传感器电阻应变式传感器传感器原理及应用传感器原理及应用4.4.扭转轴扭转轴在在扭扭矩矩T T的的作作用用下下，扭扭转转轴轴的的表表面面产产生生拉拉伸、压缩应变伸、压缩应变3.3.电阻应变式传感器电阻应变式传感器传感器原理及应用传感器原理及应用 七、变换压力的弹性敏感元件七、变换压力的弹性敏感元件 将将气气体体和和液液体体

16、等等的的压压力力转转换换为为位位移移或或应应变的弹性敏感元件。变的弹性敏感元件。类型有：类型有：弹弹簧簧管管、波波纹纹管管、等等截截面面薄薄板板、膜膜盒盒、薄壁圆筒、薄壁半球。薄壁圆筒、薄壁半球。3.3.电阻应变式传感器电阻应变式传感器传感器原理及应用传感器原理及应用图图3-6 3-6 变换压力的弹性元件变换压力的弹性元件a a）弹簧管）弹簧管 b b）波纹管）波纹管 c)c)等截面板等截面板 d d）膜盒）膜盒 e e）薄壁圆筒）薄壁圆筒 f f）薄壁半球）薄壁半球3.3.电阻应变式传感器电阻应变式传感器传感器原理及应用传感器原理及应用第二节第二节 电阻应变计电阻应变计 将将被被测测试试件件

17、的的应应变变量量转转换换成成电电阻阻变变化化量量的的敏感元件敏感元件。基于基于电阻应变效应电阻应变效应制成。制成。压压力力、荷荷重重、位位移移、速速度度、加加速速度度、扭扭矩矩等，都可以利用电阻应变计转换为电信号等，都可以利用电阻应变计转换为电信号.3.3.电阻应变式传感器电阻应变式传感器传感器原理及应用传感器原理及应用 电阻应变式传感器电阻应变式传感器：利用电阻应变片将应变转换为电阻变化传感器利用电阻应变片将应变转换为电阻变化传感器.在弹性元件上粘贴电阻应变敏感元件构成。在弹性元件上粘贴电阻应变敏感元件构成。用于测量力、力矩、用于测量力、力矩、压力、加速度、重量等压力、加速度、重量等.3.3

18、.电阻应变式传感器电阻应变式传感器传感器原理及应用传感器原理及应用 当被测物理量作用在弹性元件上时当被测物理量作用在弹性元件上时,弹性弹性元件的变形引起应变敏感元件的阻值变化元件的变形引起应变敏感元件的阻值变化,通过转换电路将其转变成电量输出通过转换电路将其转变成电量输出,电量变电量变化的大小反映了被测物理量的大小。化的大小反映了被测物理量的大小。3.3.电阻应变式传感器电阻应变式传感器传感器原理及应用传感器原理及应用一、一、基本工作原理基本工作原理电阻应变效应电阻应变效应：导体或半导体材料在外力作用下产生机械导体或半导体材料在外力作用下产生机械变形，其电阻值将发生变化变形，其电阻值将发生变化

19、.3.3.电阻应变式传感器电阻应变式传感器传感器原理及应用传感器原理及应用（1 1）应变效应）应变效应金属应变片结构：金属应变片结构：网状敏感栅网状敏感栅高阻金属丝、金属箔高阻金属丝、金属箔 基片基片绝缘材料绝缘材料 盖片盖片保护层保护层3.3.电阻应变式传感器电阻应变式传感器传感器原理及应用传感器原理及应用1敏感元件敏感元件 2、4基底基底 3引线引线应变片组成应变片组成 应变片结构应变片结构3.3.电阻应变式传感器电阻应变式传感器传感器原理及应用传感器原理及应用箔式应变片结构箔式应变片结构3.3.电阻应变式传感器电阻应变式传感器传感器原理及应用传感器原理及应用应应变变片片粘粘贴贴于于被被测

20、测材材料料上上，被被测测材材料料受受到到外外力力的的作作用用产产生生的的应应变变传传到到应应变变片片上上，使使应应变变片片的的电电阻阻值值发发生生变变化化，通通过过测测量量应应变变片片电电阻阻值值的的变变化化就就可可得得知被测量的大小。知被测量的大小。3.3.电阻应变式传感器电阻应变式传感器传感器原理及应用传感器原理及应用设一金属丝导体的初始长度为设一金属丝导体的初始长度为L L3.3.电阻应变式传感器电阻应变式传感器传感器原理及应用传感器原理及应用截面半径为截面半径为r r，面积为，面积为S S，电阻率为，电阻率为，电阻值当导体两端受外施轴向力作用电阻值当导体两端受外施轴向力作用时，几何尺寸

21、、电阻率都将发生变化，时，几何尺寸、电阻率都将发生变化，引起电阻值的变化。引起电阻值的变化。用数学式来表述其变化，将上式微分。用数学式来表述其变化，将上式微分。3.3.电阻应变式传感器电阻应变式传感器传感器原理及应用传感器原理及应用3.3.电阻应变式传感器电阻应变式传感器传感器原理及应用传感器原理及应用设电阻丝纵向应变电阻丝纵向应变电阻丝横向应变电阻丝横向应变3.3.电阻应变式传感器电阻应变式传感器传感器原理及应用传感器原理及应用电阻相对变化量电阻相对变化量又电阻率相对变化量电阻率相对变化量，大多数的电，大多数的电 阻丝，其值是常数，往往甚小，阻丝，其值是常数，往往甚小，可以忽略。可以忽略。3

22、.3.电阻应变式传感器电阻应变式传感器传感器原理及应用传感器原理及应用 为电阻丝材料的泊松比，为电阻丝材料的泊松比，表示材料径向应变与轴向应变的比例关系，表示材料径向应变与轴向应变的比例关系，大多数金属材料大多数金属材料3.3.电阻应变式传感器电阻应变式传感器传感器原理及应用传感器原理及应用因而因而即3.3.电阻应变式传感器电阻应变式传感器传感器原理及应用传感器原理及应用 式中，式中，K K为应变片灵敏系数，为应变片灵敏系数，表示单位应变所引起的电阻相对变化。表示单位应变所引起的电阻相对变化。3.3.电阻应变式传感器电阻应变式传感器传感器原理及应用传感器原理及应用第三节第三节 应变式力传感器应

23、变式力传感器 将将力力学学量量转转换换为为电电量量的的装装置置称称为为力力传传感感器，称重传感器，力矩传感器等。器，称重传感器，力矩传感器等。3.3.电阻应变式传感器电阻应变式传感器传感器原理及应用传感器原理及应用 力传感器是应变式力传感器。力传感器是应变式力传感器。将将力力、扭扭矩矩、加加速速度度、荷荷重重等等非非电电量量转转换换成成电量。电量。敏感元件敏感元件为各种弹性体，为各种弹性体，传感元件传感元件是应变片。是应变片。3.3.电阻应变式传感器电阻应变式传感器传感器原理及应用传感器原理及应用 为为了了显显示示、记记录录应应变变的的大大小小必必须须将将电电阻阻的的变变化化转转换换为为电电压

24、压、电电流流的的变变化化，由由测测量量电电路路完完成成，常常用用的的测测量量电电路路是是桥桥式式电电路。路。3.3.电阻应变式传感器电阻应变式传感器传感器原理及应用传感器原理及应用一、电阻应变计测量电路一、电阻应变计测量电路 常常规规应应变变片片的的电电阻阻变变化化范范围围很很小小，测测量量电电路应精确地测量出这些小的电阻变化。路应精确地测量出这些小的电阻变化。通常用的是桥式测量电路通常用的是桥式测量电路.3.3.电阻应变式传感器电阻应变式传感器传感器原理及应用传感器原理及应用3.3.电阻应变式传感器电阻应变式传感器传感器原理及应用传感器原理及应用电阻应变片测量电路电阻应变片测量电路电阻应变片

25、测量电路电阻应变片测量电路（1 1 1 1）直流电桥）直流电桥）直流电桥）直流电桥 单单单单 桥桥桥桥 半半半半 桥桥桥桥 全全全全 桥桥桥桥 3.3.电阻应变式传感器电阻应变式传感器传感器原理及应用传感器原理及应用 ，当电阻变化当电阻变化为了使测量前的输出为为了使测量前的输出为0 0，必须让电桥平衡，必须让电桥平衡3.3.电阻应变式传感器电阻应变式传感器传感器原理及应用传感器原理及应用半桥单臂工作方式半桥单臂工作方式:R R1 1为应变片，其余各臂为固定电阻。为应变片，其余各臂为固定电阻。3.3.电阻应变式传感器电阻应变式传感器传感器原理及应用传感器原理及应用半桥双臂工作方式半桥双臂工作方式

26、:R Rl l、R R2 2为应变片，为应变片，R R3 3、R R4 4为固定电阻。为固定电阻。3.3.电阻应变式传感器电阻应变式传感器传感器原理及应用传感器原理及应用全桥四臂工作方式全桥四臂工作方式:全桥四臂都为应变片全桥四臂都为应变片3.3.电阻应变式传感器电阻应变式传感器传感器原理及应用传感器原理及应用则则3.3.电阻应变式传感器电阻应变式传感器传感器原理及应用传感器原理及应用图图315 应变片的正负值应变片的正负值3.3.电阻应变式传感器电阻应变式传感器传感器原理及应用传感器原理及应用 的正负值是约定孰成的的正负值是约定孰成的,如图如图3-153-15所示所示.如图如图(a)(a)所

27、示所示:R:R1 1受拉受拉,为正为正;R;R2 2受压受压 为负为负 如图如图(b)(b)所示所示:纵向纵向 为正为正,横向横向 为负为负,3.3.电阻应变式传感器电阻应变式传感器传感器原理及应用传感器原理及应用如图如图(c)(c)所示所示:(:(轴向轴向)为正为正;(径向径向)为负为负 全桥四臂全桥四臂工作方式的输出灵敏度最高工作方式的输出灵敏度最高,半桥单臂半桥单臂工作方式结构较简单工作方式结构较简单,但存在非但存在非线性问题线性问题.3.3.电阻应变式传感器电阻应变式传感器传感器原理及应用传感器原理及应用二、电桥电路的温度补偿二、电桥电路的温度补偿 环环境境温温度度变变化化时时会会引引

28、起起应应变变片片的的电电阻阻变变化化，对测量造成误差。对测量造成误差。进行温度补偿消除这种误差。进行温度补偿消除这种误差。两种常用的温度补偿方法。两种常用的温度补偿方法。3.3.电阻应变式传感器电阻应变式传感器传感器原理及应用传感器原理及应用1.差动电路法差动电路法若电阻的变化量若电阻的变化量 包括包括:应变引起的变化量应变引起的变化量 和温度引起的和温度引起的变化量变化量 ,各应变片的各应变片的 相同相同,3.3.电阻应变式传感器电阻应变式传感器传感器原理及应用传感器原理及应用3.3.电阻应变式传感器电阻应变式传感器传感器原理及应用传感器原理及应用 温温度度引引起起的的电电阻阻变变化化量量不

29、不影影响响桥桥路路的的输输出出电电压压值值，利利用用双双臂臂或或四四臂臂的的工工作作方方式式，可可消消除除非非线线性性误误差差，提提高高灵灵敏敏度度，进进行行温温度度补补偿偿，消消除除由由温温度度变变化化引引起起的的零零点点漂移。漂移。3.3.电阻应变式传感器电阻应变式传感器传感器原理及应用传感器原理及应用2 2.热敏电阻法热敏电阻法在电路中串入或并入热敏电阻在电路中串入或并入热敏电阻.在应变片的灵敏系数随温度升高而下降在应变片的灵敏系数随温度升高而下降的情况下的情况下,可采用热敏电阻可采用热敏电阻R Rt t进行补偿的进行补偿的方法方法,如图如图3-163-16所示所示.3.3.电阻应变式传

30、感器电阻应变式传感器传感器原理及应用传感器原理及应用 热敏电阻与应变片处于相同的温度下热敏电阻与应变片处于相同的温度下,只只要合理地选择分流电阻要合理地选择分流电阻R R5 5和负温度系数的和负温度系数的热敏电阻热敏电阻R Rt t的阻值的阻值,可使电桥输出电压在可使电桥输出电压在温度变化的情况下保持不变温度变化的情况下保持不变,可达到温度可达到温度补偿的目的补偿的目的.3.3.电阻应变式传感器电阻应变式传感器传感器原理及应用传感器原理及应用图图3-16 用热敏电阻补偿温度误差用热敏电阻补偿温度误差3.3.电阻应变式传感器电阻应变式传感器传感器原理及应用传感器原理及应用三、应用三、应用 应用于

31、应变、压力、弯矩、扭矩、加速度应用于应变、压力、弯矩、扭矩、加速度和位移等物理量的测量。和位移等物理量的测量。3.3.电阻应变式传感器电阻应变式传感器传感器原理及应用传感器原理及应用 分为两大类：分为两大类：一一种种是是将将应应变变片片粘粘贴贴在在弹弹性性敏敏感感元元件件上上，由由弹弹性性元元件件在在被被测测物物理理量量（如如力力、压压力力、加加速速度度等等)的的作作用用下下，产产生生成成正正比比的的应应变变，由由应应变变片片作作为为传传感感元元件件将将应应变变转转换换为为电电阻阻变化，通过测量电路变化，通过测量电路检测出被测物理量检测出被测物理量.如：称重测力传感器。如：称重测力传感器。3.

32、3.电阻应变式传感器电阻应变式传感器传感器原理及应用传感器原理及应用 另另一一种种是是直直接接将将应应变变片片粘粘贴贴在在被被测测构构件件上上，将将其其接接到到应应变变仪仪上上就就可可以以直直接接从从应应变变仪仪上上读读到相应的应变值到相应的应变值.例如例如:电阻应变仪。电阻应变仪。3.3.电阻应变式传感器电阻应变式传感器传感器原理及应用传感器原理及应用1.1.柱式力传感器柱式力传感器柱式力传感器的弹性元件有实心柱与空心柱柱式力传感器的弹性元件有实心柱与空心柱两种两种,以实心柱为例以实心柱为例,设钢制圆筒截面积为设钢制圆筒截面积为S S(单位单位m m2 2),),泊松比为泊松比为 ,弹性模量

33、为弹性模量为E(E(单位单位为为N/mN/m2 2).).3.3.电阻应变式传感器电阻应变式传感器传感器原理及应用传感器原理及应用 应变片的灵敏系数为应变片的灵敏系数为K,K,四片特性相同的四片特性相同的应变片对称地贴在圆筒外表面应变片对称地贴在圆筒外表面,(,(如图如图2-2-17),17),并将四片应变片结成全桥形式并将四片应变片结成全桥形式.可提可提高检测灵敏度和温度稳定性高检测灵敏度和温度稳定性,最大测力最大测力(或荷重或荷重)量程可达量程可达10107 7N.N.3.3.电阻应变式传感器电阻应变式传感器传感器原理及应用传感器原理及应用图图3-17 荷重传感器示意图荷重传感器示意图3.

34、3.电阻应变式传感器电阻应变式传感器传感器原理及应用传感器原理及应用这时应变片这时应变片1 1、4 4是纵向应变是纵向应变应变片应变片2 2、3 3是横向应变是横向应变而输出电压而输出电压3.3.电阻应变式传感器电阻应变式传感器传感器原理及应用传感器原理及应用若额定荷重为若额定荷重为F Fm m,荷重传感器的最大输出荷重传感器的最大输出U Uomom与与输入电压输入电压U Ui i之比称为荷重传感器的灵敏度之比称为荷重传感器的灵敏度K KF FU U0 0一般为一般为mVmV数量级数量级,U,Ui i为为V V级级,K,KF F以以mV/VmV/V为单为单位.3.3.电阻应变式传感器电阻应变式

35、传感器传感器原理及应用传感器原理及应用例例3.13.1 电阻应变片阻值为电阻应变片阻值为120 ,灵敏系数灵敏系数K=2,沿纵向粘贴于直径为沿纵向粘贴于直径为0.05m的圆形钢的圆形钢柱表面柱表面,钢材的钢材的E=21011N/m2,=0.3,求钢求钢柱受柱受10t(吨吨)拉力作用时拉力作用时,应变片电阻的变应变片电阻的变化量化量R和相对变化量和相对变化量R/R.又若应变片又若应变片沿钢柱圆周方向粘贴沿钢柱圆周方向粘贴,受同样拉力作用时受同样拉力作用时,应变片电阻的相对变化量为多少应变片电阻的相对变化量为多少?3.3.电阻应变式传感器电阻应变式传感器传感器原理及应用传感器原理及应用3.3.电阻

36、应变式传感器电阻应变式传感器传感器原理及应用传感器原理及应用 2 2悬臂梁式力传感器悬臂梁式力传感器 在在梁梁固固定定端端附附近近的的上上、下下表表面面各各粘粘贴贴两两个个应变片并接成全桥工作方式。应变片并接成全桥工作方式。用于测量用于测量500kg500kg以下小载荷。以下小载荷。3.3.电阻应变式传感器电阻应变式传感器传感器原理及应用传感器原理及应用例例3.23.2 有一应变式等强度悬臂梁式力传感有一应变式等强度悬臂梁式力传感器如图器如图,假设悬臂梁的热膨胀系数与应变片假设悬臂梁的热膨胀系数与应变片中的电阻热膨胀系数相等中的电阻热膨胀系数相等,R,R1 1=R=R2 2,构成半桥双构成半桥

37、双臂电路臂电路,设悬臂梁厚度设悬臂梁厚度 =0.5mm,=0.5mm,长度长度l l0 0为为15mm,15mm,固定端的宽度固定端的宽度b b为为18mm,18mm,材料的弹性模材料的弹性模量量E=2.010E=2.0105 5N/mmN/mm2 2,桥路的输入电压桥路的输入电压U Ui i=2V,=2V,输出电压为输出电压为1.0mV,1.0mV,应变计的应变计的K=2.0,K=2.0,求作用力求作用力F.F.3.3.电阻应变式传感器电阻应变式传感器传感器原理及应用传感器原理及应用3.3.电阻应变式传感器电阻应变式传感器传感器原理及应用传感器原理及应用解解:等强度悬臂梁在沿梁的整个长度上应

38、变处处等强度悬臂梁在沿梁的整个长度上应变处处相等相等.=3.3.电阻应变式传感器电阻应变式传感器传感器原理及应用传感器原理及应用 3 3电子秤电子秤 将重量转换成电信号的称重传感器将重量转换成电信号的称重传感器.用用来来检检测测料料斗斗(或或容容器器)、吊吊车车、皮皮带带机机、平平台等装载物料的重量。台等装载物料的重量。将电信号放大显示，控制称重设备将电信号放大显示，控制称重设备(或装置或装置).).有动态和静态两种；有动态和静态两种；3.3.电阻应变式传感器电阻应变式传感器传感器原理及应用传感器原理及应用 按用途和使用场合来分按用途和使用场合来分;主要有主要有:料料斗斗秤秤、吊吊车车秤秤、皮

39、皮带带秤秤、平平台台秤秤、轨轨道道衡衡、油罐秤等，油罐秤等，3.3.电阻应变式传感器电阻应变式传感器传感器原理及应用传感器原理及应用 由以下几个部分组成：由以下几个部分组成：承重和传力机构承重和传力机构。是是将将被被秤秤物物体体的的重重量量或或力力传传递递给给称称重重传传感器的机械系统。感器的机械系统。包包括括承承重重台台面面、秤秤桥桥结结构构、吊吊挂挂连连接接单单元、安全限位装置等元、安全限位装置等。3.3.电阻应变式传感器电阻应变式传感器传感器原理及应用传感器原理及应用 图所示是采用微处理机的电子秤原理框图图所示是采用微处理机的电子秤原理框图3.3.电阻应变式传感器电阻应变式传感器传感器原

40、理及应用传感器原理及应用 称重传感器称重传感器:将将作作用用于于传传力力机机构构的的重重量量或或力力转转换换为为电电量量(电电压压、电电流流、频频率率等等)输输出出。称称它它为为一次变换元件一次变换元件。3.3.电阻应变式传感器电阻应变式传感器传感器原理及应用传感器原理及应用 显示记录仪表显示记录仪表,称为称为二次显示仪表二次显示仪表:用用于于测测量量称称重重传传感感器器输输出出的的电电信信号号数数值值或状态，以指针或数码形式显示出来。或状态，以指针或数码形式显示出来。3.3.电阻应变式传感器电阻应变式传感器传感器原理及应用传感器原理及应用 电电源源:用用于于向向称称重重传传感感器器测测量量桥

41、桥路路馈馈电电的的电源电源,要求稳定度较高。要求稳定度较高。可以是交流的可以是交流的或直流的稳压电源。或直流的稳压电源。3.3.电阻应变式传感器电阻应变式传感器传感器原理及应用传感器原理及应用 电子秤与机械秤相比具有以下优点：电子秤与机械秤相比具有以下优点：(1)(1)响应速度快；响应速度快；(2)(2)结构简单、体积小、重量轻。结构简单、体积小、重量轻。(3)(3)称重信号称重信号(结果结果)可以远距离传送。可以远距离传送。3.3.电阻应变式传感器电阻应变式传感器传感器原理及应用传感器原理及应用可用计算机进行数据处理、自动显示记录可用计算机进行数据处理、自动显示记录称重结果。实现生产过程自动

42、化：称重结果。实现生产过程自动化：(4)(4)有优良的防潮、防腐蚀性能，能在机械有优良的防潮、防腐蚀性能，能在机械秤无法工作的恶劣环境下工作：稳定性秤无法工作的恶劣环境下工作：稳定性好、机械磨损小、使用方便、寿命长：好、机械磨损小、使用方便、寿命长：3.3.电阻应变式传感器电阻应变式传感器传感器原理及应用传感器原理及应用常用的电子秤有：常用的电子秤有：容器电子秤容器电子秤:可以用来称量气体、液体和粉粒状物料可以用来称量气体、液体和粉粒状物料 的重量的重量吊车电子秤吊车电子秤:用于物料吊送过程中的称重用于物料吊送过程中的称重3.3.电阻应变式传感器电阻应变式传感器传感器原理及应用传感器原理及应用

43、皮带电子秤皮带电子秤:主要对皮带运输机的所载物料的称重主要对皮带运输机的所载物料的称重;平台电子秤平台电子秤:包括电子地中衡、地面平台秤、电子汽包括电子地中衡、地面平台秤、电子汽车衡以及低台面轴重计、轮重计等。车衡以及低台面轴重计、轮重计等。3.3.电阻应变式传感器电阻应变式传感器传感器原理及应用传感器原理及应用 4 4电阻应变仪电阻应变仪 专专门门用用于于测测量量电电阻阻应应变变片片应应变变量量的的仪仪器器。实实际际测测量量时时，将将应应变变片片贴贴于于被被测测点点上上，将将其其接接入入应应变变仪仪的的测测量量桥桥路路中中，通通过过应应变变仪仪直接求得被测点的直接求得被测点的应变值。应变值。

44、3.3.电阻应变式传感器电阻应变式传感器传感器原理及应用传感器原理及应用 电阻应变仪有静态、动态二大类电阻应变仪有静态、动态二大类。要测动态应变则用动态应变仪。要测动态应变则用动态应变仪。测测静静态态应应变变或或变变化化较较为为缓缓慢慢的的应应变变，可可用用静态电阻应变仪。静态电阻应变仪。3.3.电阻应变式传感器电阻应变式传感器传感器原理及应用传感器原理及应用应变式传感器应用应变式传感器应用 3.3.电阻应变式传感器电阻应变式传感器传感器原理及应用传感器原理及应用桥梁固有频率测量电路桥梁固有频率测量电路3.3.电阻应变式传感器电阻应变式传感器传感器原理及应用传感器原理及应用3.3.电阻应变式传

45、感器电阻应变式传感器传感器原理及应用传感器原理及应用各种平行双孔梁各种平行双孔梁力传感器（测力与秤重）力传感器（测力与秤重）力传感器（测力与秤重）力传感器（测力与秤重）3.3.电阻应变式传感器电阻应变式传感器传感器原理及应用传感器原理及应用 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当当容容器器中中溶溶液液增增多多时时,感感压压膜膜感感受受的的压压力力增增大大。将将两两个个传传感感器器R Rt t的的电电桥桥接接成成正正向向串串接接的双电桥电路的双电桥电路,输出电压为输出电压为 3.3.电阻应变式传感器电阻应变式传感器传感器原理及应用传感器原理及应用图图3-12 3-12 应变片容器

46、内液体重量传感器应变片容器内液体重量传感器3.3.电阻应变式传感器电阻应变式传感器传感器原理及应用传感器原理及应用 溶液重量与电桥输出电压之间的关系式溶液重量与电桥输出电压之间的关系式U Uo o=(K=(K1 1-K-K2 2)Q/A )Q/A 电桥输出电压与柱形容器内感压膜上面溶电桥输出电压与柱形容器内感压膜上面溶液的重量呈线性关系液的重量呈线性关系.可以测量容器内储存的溶液重量。可以测量容器内储存的溶液重量。3.3.电阻应变式传感器电阻应变式传感器传感器原理及应用传感器原理及应用应变式加速度传感器应变式加速度传感器用于物体加速度的测量用于物体加速度的测量其基本工作原理是其基本工作原理是:

47、物物体体运运动动的的加加速速度度与与作作用用在在它它上上面面的的力力成成正正比比,与与物物体体的的质质量量成成反反比比,即即a a=F/mF/m。3.3.电阻应变式传感器电阻应变式传感器传感器原理及应用传感器原理及应用应变式加速度传感器应变式加速度传感器3.3.电阻应变式传感器电阻应变式传感器传感器原理及应用传感器原理及应用测测量量时时,将将传传感感器器壳壳体体与与被被测测对对象象刚刚性性连连接接,被被测测物物体体以以加加速速度度a a 运运动动时时,质质量量块块受受到到一一个个与与加加速速度度方方向向相相反反的的惯惯性性力力作作用用,使悬臂梁变形使悬臂梁变形.3.3.电阻应变式传感器电阻应变

48、式传感器传感器原理及应用传感器原理及应用 该变形被粘贴在悬臂梁上的应变片感受该变形被粘贴在悬臂梁上的应变片感受 到并产生应变到并产生应变,使应变片的电阻发生变使应变片的电阻发生变化化.引起应变片组成的桥路出现不平衡引起应变片组成的桥路出现不平衡,输出电压输出电压,可得出加速度可得出加速度a a值的大小。值的大小。3.3.电阻应变式传感器电阻应变式传感器传感器原理及应用传感器原理及应用微型硅应变压力传感器微型硅应变压力传感器微型硅应变压力传感器微型硅应变压力传感器 3.3.电阻应变式传感器电阻应变式传感器传感器原理及应用传感器原理及应用小结小结 工作原理工作原理电阻应变片的种类电阻应变片的种类应变片的温度误差及补偿应变片的温度误差及补偿 应变片的温度误差应变片的温度误差 电阻温度系数的影响电阻温度系数的影响电阻应变片的温度补偿方法通常电阻应变片的温度补偿方法通常有线路补有线路补偿法和应变片自补偿两大类偿法和应变片自补偿两大类。3.3.电阻应变式传感器电阻应变式传感器传感器原理及应用传感器原理及应用电阻应变片的测量电路电阻应变片的测量电路直流电桥平衡条件直流电桥平衡条件单臂电桥单臂电桥交流电桥交流电桥应变式传感器应用应变式传感器应用力传感器力传感器液体重量传感器液体重量传感器加速度传感器加速度传感器