应变片式传感器精品文稿.ppt

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1、应变片式传感器第1页，本讲稿共23页优点：优点：精度高，测量范围广精度高，测量范围广频率响应特性较好频率响应特性较好结构简单，尺寸小，重量轻结构简单，尺寸小，重量轻可在高可在高(低低)温、高速、高压、强烈振动、强磁场及温、高速、高压、强烈振动、强磁场及核辐射和化学腐蚀等恶劣条件下正常工作核辐射和化学腐蚀等恶劣条件下正常工作易于实现小型化、固态化易于实现小型化、固态化价格低廉，品种多样，便于选择价格低廉，品种多样，便于选择一、一、金属应变片式传感器金属应变片式传感器金属应变片式传感器的核心元件是金属应变片，它可将试件上的应变变化转换成电阻变化。缺缺点点：具有非线性，输出信号微弱，抗干扰能力较差，

2、因此信号线需要采取屏蔽措施；只能测量一点或应变栅范围内的平均应变，不能显示应力场中应力梯度的变化等；不能用于过高温度场合下的测量。第2页，本讲稿共23页+-DCDC +6V+6V +R R A A 实验一实验一 因因因因为为为为：金金金金属属属属导导导导体体体体或或或或半半半半导导导导体体体体的的的的电电电电阻阻阻阻与与与与其其其其电电电电阻阻阻阻率率率率及及及及几几几几何何何何尺尺尺尺寸寸寸寸（长长长长度度度度、面面面面积积积积）有有有有关关关关，当当当当其其其其受受受受到到到到外外外外力力力力作作作作用用用用时时时时，这这这这些些些些参参参参数数数数发发发发生生生生变变变变化化化化，因因因

3、因而而而而引引引引起起起起其其其其的的的的电电电电阻阻阻阻的的的的变变变变化化化化，进进进进而而而而引起电流的变化。引起电流的变化。引起电流的变化。引起电流的变化。原原原原理理理理：金金金金属属属属导导导导体体体体或或或或半半半半导导导导体体体体在在在在受受受受到到到到外外外外力力力力作作作作用用用用时时时时，会会会会产产产产生生生生相相相相应应应应的的的的应应应应变变变变，其电阻也将随之发生变化。其电阻也将随之发生变化。其电阻也将随之发生变化。其电阻也将随之发生变化。K电流电流:小小大大施加力施加力F F?RK K接通时接通时安培表指示安培表指示安培表变化安培表变化电阻：大电阻：大小小第3页

4、，本讲稿共23页应变片的基本结构应变片的基本结构 电阻应变片式传感器是目前用电阻应变片式传感器是目前用电阻应变片式传感器是目前用电阻应变片式传感器是目前用 于测于测于测于测量力、力矩、压力、加速度、质量等量力、力矩、压力、加速度、质量等量力、力矩、压力、加速度、质量等量力、力矩、压力、加速度、质量等参数最广泛的传感器之一。参数最广泛的传感器之一。参数最广泛的传感器之一。参数最广泛的传感器之一。其基本结构与组成如左图示意。其基本结构与组成如左图示意。其基本结构与组成如左图示意。其基本结构与组成如左图示意。电阻丝电阻丝(敏感栅敏感栅)转换元件转换元件基底与面胶基底与面胶中间介质和绝缘作用中间介质和

5、绝缘作用盖层盖层引线引线-连接测量导线之用连接测量导线之用第4页，本讲稿共23页主 要 特 性 灵敏度系数灵敏度系数.物理意义：单位应变所引起的电阻相对变化物理意义：单位应变所引起的电阻相对变化.横向效应横向效应 机械滞后机械滞后.零点漂移和蠕变零点漂移和蠕变.应变极限应变极限.动态响应特性动态响应特性.第5页，本讲稿共23页（1）灵敏度系数灵敏度系数金属应变丝的电阻相对变化与它所感受的应变之间具有线性关系，用灵敏度系数KS表示。当金属丝做成应变片后，其电阻应变特性，与金属单丝情况不同。因此，须用实验方法对应变片的电阻应变特性重新测定。实验表明，金金属属应应变变片片的的电阻相对变化与应变电阻相

6、对变化与应变在很宽的范围内均为线性关系。在很宽的范围内均为线性关系。即K为金属应变片的灵敏系数。注意，K是在试件受一维应力作用，应变片的轴向与主应力方向一致，且试件材料的泊松比为0.285的钢材时测得的。测量结果表明，应变片的灵敏系数应变片的灵敏系数K恒小于线材的灵敏系数恒小于线材的灵敏系数KS。原因：胶。原因：胶层传递变形失真，横向效应也是一个不可忽视的因素。层传递变形失真，横向效应也是一个不可忽视的因素。第6页，本讲稿共23页丝绕式应变片敏感栅半圆弧形部分bOlrrdld0（2）横向效应金属应变片由于敏感栅的两端为半圆弧形的横栅，测量应变时，构件的轴向应变使敏感栅电阻发生变化，其横向应变r

7、也将使敏感栅半圆弧部分的电阻发生变化(除了起作用外)，应变片的这种既受轴向应变影响，又受横向应变影响而引起电阻变化的现象称为横向效应。图为应变片敏感栅半圆弧部分的形状。沿轴向应变为，沿横向应变为r。第7页，本讲稿共23页（3）机械滞后应应变变片片粘粘贴贴在在被被测测试试件件上上，当当温温度度恒恒定定时时，其其加加载载特特性性与与卸卸载载特特性性不不重合，即为机械滞后。重合，即为机械滞后。产生原因：应变片在承受机械应变后，其内部会产生残余变形，使敏感栅电阻发生少量不可逆变化；在制造或粘贴应变片时，如果敏感栅受到不适当的变形或者粘结剂固化不充分。1机械应变卸载加载指示应变i应变片的机械滞后机械滞后

8、值还与应变片所承受的应变量有关，加载时的机械应变愈大，卸载时的滞后也愈大。所以，通常在实验之前应将试件预先加、卸载若干次，以减少因机械滞后所产生的实验误差。第8页，本讲稿共23页（4）零点漂移和蠕变对对于于粘粘贴贴好好的的应应变变片片，当当温温度度恒恒定定时时，不不承承受受应应变变时时，其其电电阻值随时间增加而变化的特性，称为应变片的零点漂移阻值随时间增加而变化的特性，称为应变片的零点漂移产产生生原原因因：敏感栅通电后的温度效应；应变片的内应力逐渐变化；粘结剂固化不充分等。如如果果在在一一定定温温度度下下，使使应应变变片片承承受受恒恒定定的的机机械械应应变变，其其电电阻阻值值随随时时间间增增加

9、加而而变变化化的的特特性性称称为为蠕蠕变变。一般蠕变的方向与原应变量的方向相反。产产生生原原因因：由于胶层之间发生“滑动”，使力传到敏感栅的应变量逐渐减少。这是两项衡量应变片特性对时间稳定性的指标，在长时间测量中其意义更为突出。实际上，蠕变中包含零漂，它是一个特例。第9页，本讲稿共23页（5）应变极限在一定温度下，应应变变片片的的指指示示应应变变对对测测试试值值的的真真实实应应变变的的相相对对误误差差不不超超过过规规定定范范围围（一一般般为为10%）时时的的最最大大真真实实应应变变值值。在图中，真实应变是由于工作温度变化或承受机械载荷，在被测试件内产生应力(包括机械应力和热应力)时所引起的表面

10、应变。lim真实应变z指示应变i应变片的应变极限10%1主要因素：粘结剂和基底材料传递变形的性能及应变片的安装质量。制造与安装应变片时，应选用抗剪强度较高的粘结剂和基底材料。基底和粘结剂的厚度不宜过大，并应经过适当的固化处理，才能获得较高的应变极限。第10页，本讲稿共23页（6）动态特性当被测应变值随时间变化的频率很高时，需考虑应变片的动态特性。因应变片基底和粘贴胶层很薄，构件的应变波传到应变片的时间很短(估计约0.2s)，故只需考虑应变沿应变片轴向传播时的动态响应。设一频率为f 的正弦应变波在构件中以速度v 沿应变片栅长方向传播，在某一瞬时t，应变量沿构件分布如图所示。应变片对应变波的动态响

11、应0应变片应变片1lx1x第11页，本讲稿共23页4、温度误差及其补偿温度误差及其补偿（1）温度误差温度误差用作测量应变的金属应变片，希望其阻值仅随应变变化，而不受其它因素的影响。实际上应变片的阻值受环境温度(包括被测试件的温度)影响很大。由于环境温度变化引起的电阻变化与试件应变所造成的电阻变化几乎有相同的数量级，从而产生很大的测量误差，称为应变片的温度误差，又称热输出。因环境温度改变而引起电阻变化的两个主要因素：应变片的电阻丝应变片的电阻丝(敏感栅敏感栅)具有一定温度系数；具有一定温度系数；电阻丝材料与测试材料的线膨胀系数不同。电阻丝材料与测试材料的线膨胀系数不同。第12页，本讲稿共23页电

12、桥补偿法电桥补偿法如图，电桥输出电压与桥臂参数的关系为式中A由桥臂电阻和电源电压决定的常数。USCR2R4R1R3E桥路补偿法由上式可知，当R3、R4为常数时，Rl和R2对输出电压的作用方向相反。利用这个基本特性可实现对温度的补偿，并且补偿效果较好，这是最常用的补偿方法之一。第13页，本讲稿共23页测量应变时，使使用用两两个个应应变变片片，一一片片贴贴在在被被测测试试件件的的表表面面，图中R1称为工作应变片。另另一一片片贴贴在在与与被被测测试试件件材材料料相相同同的的补补偿偿块块上上，图中R2，称为补偿应变片。在工作过程中补偿块不承受应变，仅随温度发生变形。由于R1与R2接入电桥相邻臂上，造成

13、R1t与R2t相同，根据电桥理论可知，其输出电压USC与温度无关。当工作应变片感受应变时，电桥将产生相应输出电压。补偿应变片粘贴示意图R1R2第14页，本讲稿共23页当被测试件不承受应变时，R1和R2处于同一温度场，调整电桥参数，可使电桥输出电压为零，即上式中可以选择R1=R2=R及R3=R4=R。当温度升高或降低时，若R1t=R2t，即两个应变片的热输出相等，由上式可知电桥的输出电压为零，即=第15页，本讲稿共23页若此时有应变作用，只会引起电阻R1发生变化，R2不承受应变。故由前式可得输出电压为由上式可知，电桥输出电压只与应变有关，与温度无关。为为达达到到完全补偿，需满足下列三个条件：完全

14、补偿，需满足下列三个条件：R1和和R2须须属属于于同同一一批批号号的的，即即它它们们的的电电阻阻温温度度系系数数、线线膨膨胀胀系系数数、应变灵敏系数、应变灵敏系数K都相同，两片的初始电阻值也要求相同；都相同，两片的初始电阻值也要求相同；用用于于粘粘贴贴补补偿偿片片的的构构件件和和粘粘贴贴工工作作片片的的试试件件二二者者材材料料必必须须相相同同，即要求两者线膨胀系数相等；即要求两者线膨胀系数相等；两应变片处于同一温度环境中。两应变片处于同一温度环境中。此方法简单易行，能在较大温度范围内进行补偿。缺点是三个条件不易满足，尤其是条件。在某些测试条件下，温度场梯度较大，R1和R2很难处于相同温度点。第

15、16页，本讲稿共23页原理：原理：原理：原理：它是利用照相制版或光刻它是利用照相制版或光刻腐蚀法将电阻箔材在绝缘基底腐蚀法将电阻箔材在绝缘基底上制成各种图形的应变片；上制成各种图形的应变片；优点：优点：优点：优点：l l敏感栅尺寸准确，线条均敏感栅尺寸准确，线条均匀；匀；l l其弯头横向效应可以忽略；其弯头横向效应可以忽略；l l可通过较大的电流；可通过较大的电流；l l散热性好，寿命长；散热性好，寿命长；l l生产效率高；生产效率高；第17页，本讲稿共23页（三）测量电路应变片将应变的变化转换成电阻相对变化R/R，要把电阻的变化转换成电压或电流的变化，才能用电测仪表进行测量。电阻应变片的测量

16、线路多采用交流电桥(配交流放大器)，其原理和直流电桥相似。直流电桥比较简单，因此首先分析直流电桥，如图所示。当电源E为电势源，其内阻为零时，可求出检流计中流过的电流Ig与电桥各参数之间的关系为R2R4R1R3E电桥线路原理图RgACDIgB第18页，本讲稿共23页（四）（四）应变式传感器应用应变式传感器应用金属应变片，除了测定试件应力、应变外，还制造成多种应变式传感器用来测定力、扭矩、加速度、压力等其它物理量。应变式传感器包括两个部分：一是弹性敏感元件弹性敏感元件，利用它将被测物理量（如力、扭矩、加速度、压力等）转换为弹性体的应变值；另一个是应变应变片片作为转换元件将应变转换为电阻的变化。u柱

17、力式传感器柱力式传感器u梁力式传感器梁力式传感器u应变式压力传感器应变式压力传感器u应变式加速度传感器应变式加速度传感器第19页，本讲稿共23页1 1、柱力式传感器、柱力式传感器圆柱式力传感器的弹性元件分为实心和空心两种。柱式力传感器-2+1截面积SFFF面积S-1+2b）a）在轴向布置一个或几个应变片，在圆周方向布置同样数目的应变片，后者取符号相反的横向应变，从而构成了差动对。由于应变片沿圆周方向分布，所以非轴向载荷分量被补偿，在与轴线任意夹角的方向，其应变为：1沿轴向的应变；弹性元件的泊松比。当=0时当=90时E：弹性元件的杨氏模量第20页，本讲稿共23页2 2、梁力式传感器、梁力式传感器

18、等强度梁弹性元件是一种特殊形式的悬臂梁。梁的固定端宽度为b0，自由端宽度为b，梁长为L，粱厚为h。LR1R3R2R4xFhb等强度梁弹性元件b0R4力F作用于梁端三角形顶点上，梁内各断面产生的应力相等，故在对L方向上粘贴应变片位置要求不严。n横截面梁n双空梁nS形弹性元件第21页，本讲稿共23页P（b）（a）应变式压力传感器3、应变式压力传感器应变式压力传感器测量气体或液体压力的薄板式传感器，如图所示。当气体或液体压力作用在薄板承压面上时，薄板变形，粘贴在另一面的电阻应变片随之变形，并改变阻值。这时测量电路中电桥平衡被破坏，产生输出电压。圆形薄板固定形式：采用嵌固形式，如图（a）或与传感器外壳作成一体，如图(b)。应变片第22页，本讲稿共23页4 4、应变式加速度传感器、应变式加速度传感器由端部固定并带有惯性质量块m的悬臂梁及贴在梁根部的应变片、基座及外壳等组成。是一种惯性式传感器。测量时，根据所测振动体加速度的方向，把传感器固定在被测部位。当被测点的加速度沿图中箭头所示方向L应变片质量块m弹簧片外壳基座a应变式加速度传感器时，固定在被测部位。当被测点的加速度沿图中箭头所示方向时，悬臂梁自由端受惯性力F=ma的作用，质量块向箭头a相反的方向相对于基座运动，使梁发生弯曲变形，应变片电阻也发生变化，产生输出信号，输出信号大小与加速度成正比。第23页，本讲稿共23页