第二章应变式传感器优秀PPT.ppt

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1、第二章应变式传感器第一页，本课件共有31页 应变片式传感器具有以下优点：非线性小，电阻的变化同应变成线性关系。应变片尺寸小（我国的应变片栅长最小达0.178mm），重量轻（一般为0.10.2g），惯性小，频率响应好，可测0-500kHz的动态应变。测量范围广，一般测量范围为1010-10量级的 应变。误差小，整个测量系统的误差可控制在1%以内。可在各种复杂或恶劣的环境中进行测量。缺点：大应变时存在明显非线性；只能测量平均应变；信号微弱，抗干扰能力差。第二页，本课件共有31页2.1 金属应变片式传感器 一、金属应变片的结构和工作原理 工作原理：基于金属的应变效应应变效应。金属的电阻应变效应：金属

2、丝的电阻随着它所受的机械变形（拉伸或压缩）的大小而发生相应的变化的现象。1.应变片的结构 丝绕式应变片的构造示意如图2-1。它以直径为0.025mm左右的、高电阻率的合金电阻丝2，绕成形如栅栏的敏感栅。第三页，本课件共有31页敏感栅：应变片的敏感元件，作用是敏感应变变化。基底：敏感栅粘结在基底1上，基底除能固定敏感栅外，还有绝缘作用；盖片：敏感栅上面粘贴有覆盖层3，起定位及绝缘作用。引出线：敏感栅电阻丝两端焊接引出线4，用以和外接导线相连。bl1-基底 2-电阻丝 3-盖片 4-引线图2-1 电阻丝应变片的基本结构314第四页，本课件共有31页 栅长（基长）：图中l称为应变片的栅长或基长，它是

3、敏感栅沿轴方向测量变形的有效长度，对具有圆弧端的敏感栅，指圆弧外侧之间的距离。栅宽：其宽度b指最外两敏感栅外侧之间的距离。2.应变效应 由物理学可知，金属丝的电阻为式中，R为金属丝的电阻（）；为金属丝的电阻率（m2/m）；L为金属丝的长度（m）；S为金属丝的截面积（m2）。第五页，本课件共有31页 当金属丝受拉而伸长dL时，其横截面积将相应减小dS，电阻率则因金属晶格发生变形等因素的影响也将改变d，这些量的变化，必然引起金属丝电阻改变dR。可写成相对变化的形式：其中：（r为金属丝半径）图2-2第六页，本课件共有31页式中，为金属材料的泊松系数。或令 KS称为金属丝的灵敏系数，表示金属丝产生单位

4、变形时，电阻相对变化的大小。显然，KS越大，单位变形引起的电阻相对变化越大。x=dL/L为金属丝的轴向应变；y=dr/r为金属丝的径向应变。金属丝受拉时，沿轴向伸长，沿径向缩短，二者之间的关系为：灵敏系数：第七页，本课件共有31页关于灵敏系数 讨论:金属丝的灵敏系数 受两个因素影响：第一项（1+2）是由于金属丝受拉伸后，材料几何尺寸发生变化而引起的；第二项是由于材料发生变形时，其自由电子的活动能力和数量均发生了变化的缘故，这项可能是正值，也可能是负值，但作为应变片材料都选为正值，否则会降低灵敏度。实验表明：在金属丝变形的弹性范围内，电阻的相对变化dR/R与应变x是成正比的，因而为一常数。第八页

5、，本课件共有31页 实验表明:应变片的R/R与x的关系在很大范围内仍然有很好的线性关系 或式中，K为电阻应变片的灵敏系数。实验表明:应变片的灵敏系数K恒小于同一材料金属丝的灵敏度系数KS，原因是所谓横向效应的影响。第九页，本课件共有31页3.应变片测试原理应变片测试原理 用应变片测量应变或应力时，是将应变片粘贴于被测对象上，在外力作用下，被测对象表面发生微小机械变形，粘贴在其表面上的应变片亦随其发生相同的变化，因而应变片的电阻也发生相应的变化，如用仪器测出应变片的电阻值变化R，可得到被测对象的应变值x，则根据一维受力应力应变关系可得到应力值。式中，为试件的应力；为试件的应变。第十页，本课件共有

6、31页第十一页，本课件共有31页第十二页，本课件共有31页二、金属应变片式传感器的主要特性二、金属应变片式传感器的主要特性包括：灵敏度系数、横向效应、机械滞后，零漂及蠕变、温度效应、应变极限、疲劳寿命、动态响应特性等。1灵敏度系数：灵敏度系数：一般K KS。主要原因：粘结剂与基底的传递应变失真、横向效应等。2横向效应：敏感栅由轴向纵栅和圆弧横栅两部分组成。所以应变片既受到轴向应变又受到横向应变的影响，且其影响方向相反，这种现象为横向效应。一般，敏感栅愈窄、基长愈长，横向效应愈小，误差愈小。3机械滞后：残余变形所致，使加载与卸载特性出现偏差。4零点漂移和蠕变：温度效应、片内应力、粘结剂固化不充分

7、、胶层间产生滑动等造成。5动态特性：栅长愈短，动态特性愈好。第十三页，本课件共有31页1.电桥分类：按桥压分：直流电桥 交流电桥恒流源电桥恒压源电桥按输出方式分：功率电桥（按低阻抗负载）电压电桥（按高阻抗负载）2.常用的几个术语全桥、半桥、二、金属应变片式传感器的测量电路二、金属应变片式传感器的测量电路第十四页，本课件共有31页对臂：邻臂：3.电桥平衡条件 图2.3直流电桥直流电桥平衡条件：或相对桥臂电阻之积相等。第十五页，本课件共有31页交流电桥第十六页，本课件共有31页或 相对桥臂阻抗之积相等可分解为：相对桥臂电阻之积相等相对应的电容、电阻之积相等4.电桥输出方式 无论是直流电桥还是交流电

8、桥以下公式均适合：第十七页，本课件共有31页 该公式使用的前提条件：1）先决条件是：电桥起始是平衡的；2）无论各电阻如何变化，一定要在平衡点附近；3）仅发生微小变化；4）假定各桥臂电阻起始是相等的。由于 ，电桥输出公式又可写成 上式为电桥加减特性表达式。第十八页，本课件共有31页讨论：单臂工作：即只有一只电阻R产生R变化时，电桥输出电压双臂工作：设R1产生正R的变化，R产生负R的变化，且变化的绝对值相等；即 ，则电桥输出 即为单臂工作的2倍。若R1，R产生R的绝对值相等，符号相同时，即 ，,则Usc=0，电桥无输出，两工作臂的作用互相抵消。第十九页，本课件共有31页四臂工作：设R1、R3产生正

9、R的变化，R2、R4产生负R的变化，且R绝对值相等，即R1、R3产生正应变，R2、R4产生负应变，且应变的绝对值相等，则电桥的输出即为单臂工作的4倍。第二十页，本课件共有31页说明：虽为直流电桥形式，但对交流电桥形式也完全适用。电桥加减特性例：第二十一页，本课件共有31页 重要结论：当相邻桥臂为异号或相对桥臂为同号的电阻变化时，电桥的输出可相加；当相邻桥臂为同号或相对桥臂为异号的电阻变化时，电桥的输出应相减。可理解为电桥输出的八字原则：相邻相减，相对相加。5.交、直流电桥的异同点相同点：（以输出为正电压的单臂电桥为例）输出电压的幅值都与被测的应变成正比；第二十二页，本课件共有31页不同点：1）

10、直流电桥输出的是正或负的直流电压，与应变同频率变化。交流电桥输出的是正弦调幅波；2）直流电桥以输出电压的正或负，可以判断是拉应变还是压应变。交流电桥可通过输出与参考桥压的相位相同或是相反来判断拉、压应变的关系；3）直流电桥只要电阻调平衡。交流电桥既要有电阻平衡，又有电容调平衡。交流电桥的调幅作用第二十三页，本课件共有31页以等臂电桥单臂工作为例。供桥电源电压为u sr=U msint。（载波信号）（零应变输出）第二十四页，本课件共有31页当试件受拉伸产生静应变时，电桥输出为 输出波形与电源电压相同，但幅度为电源电压幅值的 倍。（静态正应变输出）第二十五页，本课件共有31页 当试件受动态应力产生

11、简谐变化应变时，设简谐应变为N，则式中 、为简谐应变的瞬时值和最大值；为简谐应变的角频率。输出电压：输出波形是在载波上，叠加了一个低频的工作正弦波，载波的波幅由常数Um变为（正弦应变输出）第二十六页，本课件共有31页 当动、静态应变同时存在时，电桥的输出相当于静态应变和动态应变两种情况的叠加，即 结论：交流电桥输出的调幅波是由振幅相等而频率分别为(-)和(+)的两个波叠加。实际应变的变化频率多为非正弦的，其中有不可忽视的高次谐波频率n，则此时电桥的输出频率宽度为n。为使电桥调制后不失真，载波频率应比应变信号频率n大10倍左右。（复杂应变输出）第二十七页，本课件共有31页2.2 压阻式传感器 由

12、硅、锗等半导体材料制成。特点：特点：灵敏度高、动态响应好、精度高、横向效应 小，易于微型化和集成化。压阻效应是1954年发现，1958年贝尔实验室研制出硅力敏电阻；70年代后得到迅速发展。一、压阻效应一、压阻效应 沿半导体底某一轴向施加一定的载荷产生应变时，电阻率会发生明显的变化，这种现象称作压阻效应。第二十八页，本课件共有31页对金属材料，较小，有时可忽略不计，起作用的是应变效应；对半导体材料，；为压阻系数，E为弹性模量。由于 比 大几十到上百倍，故起作用的是压阻效应；在弹性范围内，应力作用使半导体电阻发生变化，应力除去后，电阻又恢复到原来的数值，故压阻效应是可逆的。第二十九页，本课件共有3

13、1页二、压阻系数二、压阻系数1.晶体晶向的作用 晶体是具有多面体形态的固体，沿不同的晶轴方向，l、E、K的值是不同的。2.影响l的因素：杂质浓度，扩散电阻的杂质浓度愈高，压阻系数愈小；温度，一般温度愈高，压阻系数愈小 式中：l、l 纵向应力、纵向压阻系数；t、t 横向应力、横向压阻系数。第三十页，本课件共有31页所以，径向电阻Rr和切向电阻Rt受到应力作用时：三三、测量电桥及温度补偿测量电桥仍采用金属应变片的测量桥路，为了减少温度影响，一般采用恒流源供电。所以，采用全桥测量时温度补偿：零点温度补偿，采用串并联电阻实现；灵敏度温度补偿，采用在电源回路中串联二 极管的方法实现。第三十一页，本课件共有31页