传感器原理及应用应变式传感器.pptx
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1、应变式传感器是利用电阻应变效应做成的传感器。核心元件是电阻应变计(应变片、应变计),它将试件上的应变变化转换成电阻变化。有金属、半导体两种。第二章第1页/共92页第二章应变传感器的分类应变传感器的分类第2页/共92页例:金属丝式应变片金属电阻丝应变片的基本结构1-基片;2-电阻丝;3-覆盖层;4-引出线第二章第3页/共92页 金属应变片式传感器2.1.1 2.1.1 工作原理工作原理2.1.2 2.1.2 金属应变片的主要特性金属应变片的主要特性2.1.3 2.1.3 温度特性(误差及其补偿)温度特性(误差及其补偿)2.1.4 2.1.4 测量电路测量电路 应变式传感器应用应变式传感器应用第二
2、章第4页/共92页2.1.1 2.1.1 工作原理2.1.1.1 2.1.1.1 电阻应变效应电阻应变效应电阻应变效应:当金属丝(或半导体)在外力作用下发生机械变形时其电阻值发生变化的现象。当受轴向应力作用时有:Fl、A、R第二章第5页/共92页 设有一根长度为设有一根长度为l l、截面积为、截面积为S S、电阻率为、电阻率为的的金属丝,其电阻金属丝,其电阻R R为为 两边取对数,得两边取对数,得等式两边取微分,得等式两边取微分,得电阻的相对变化;电阻率的相对变化;金属丝长度相对变化,用表示,=称为金属丝长度方向上的应变或轴向应变;截面积的相对变化。第二章第6页/共92页dr/rdr/r为金属
3、丝半径的相对变化,即径向应变为为金属丝半径的相对变化,即径向应变为 r r。S=r 2dS/S=2dr/rr=由材料力学知第二章对于金属材料金属材料,电阻率的变化满足以下关系。(C是金属材料的某个常数。)第7页/共92页可将微分dR、d改写成增量R、比例系数KS称为金属丝的应变灵敏系数。实验也证明:金属丝电阻的相对变化与金属丝的伸长或缩短之间存在比例关系。第8页/共92页为导体的纵向应变,以微应变度量;为导体的纵向应变,以微应变度量;为应力值;为应力值;为电阻丝材料的泊松比,一般金属;为电阻丝材料的泊松比,一般金属;为压阻系数,与材质有关;为压阻系数,与材质有关;E为材料的弹性模量;为材料的弹
4、性模量;一般的第二章第9页/共92页应变电阻的灵敏系数的特点材料的几何尺寸变化引起的材料的几何尺寸变化引起的材料的电阻率材料的电阻率随应变引起的(压阻效应)随应变引起的(压阻效应)金属材料:金属材料:k以前者为主,则以前者为主,则k1+2=半半 导导 体:体:k值主要是由电阻率相对变化所决定值主要是由电阻率相对变化所决定物理意义:单位应变引起的电阻相对变化。物理意义:单位应变引起的电阻相对变化。第二章第10页/共92页2341电阻应变片结构示意图bl由由敏敏感感栅栅1 1、基基底底2 2、盖盖片片3 3、引引线线4 4和和粘粘结结剂剂等组成。等组成。(1)敏感栅 由由金金属属细细丝丝绕绕成成栅
5、栅形形。电电阻阻应应变变片片的的电电阻阻值值多多为为120120。应应变变片片栅栅长长大大小小关关系系到到所所测测应应变变的的准准确确度度,应应变变片片测测得得的的应应变变大大小小是是应应变变片片栅栅长长和和栅栅宽宽所所在在面面积积内内的的平平均轴向应变量。均轴向应变量。栅长栅宽第二章2.1.1.2.2.1.1.2.应变片的组成应变片的组成 第11页/共92页(2 2)基底和盖片基底和盖片基底用于保持敏感栅、引线的几何形状和相对位置,盖片既保持敏感栅和引线的形状和相对位置,还可保护敏感栅。基底的全长称为基底长,其宽度称为基底宽。(4 4)引线引线是从应变片的敏感栅中引出的细金属线。(3 3)粘
6、结剂粘结剂用于将敏感栅固定于基底上,并将盖片与基底粘贴在一起。第二章第12页/共92页金属箔式应变片金属箔式应变片金属箔式应变片箔式应变片的工作原理基本和电阻丝式应变箔式应变片的工作原理基本和电阻丝式应变片相同。它的电阻敏感元件不是金属丝栅,而是片相同。它的电阻敏感元件不是金属丝栅,而是通过光刻、腐蚀等工序制成的薄金属箔栅,故称通过光刻、腐蚀等工序制成的薄金属箔栅,故称箔式电阻应变片,如图。箔式电阻应变片,如图。第二章第13页/共92页金属薄膜应变片 采用真空蒸发或真空沉积等方法在薄的绝缘基片上形成厚度在以下的金属电阻材料薄膜敏感栅,再加上保护层,易实现工业化批量生产优点:应变灵敏系数大,允许
7、电流密度大,工作范围广,易实现工业化生产问题:难控制电阻与温度和时间的变化关系第15页/共92页金属应变计金属应变计第16页/共92页2.1.2 金属应变片的主要特性(一)灵敏系数灵敏系数(二)横向效应横向效应(三)机械滞后机械滞后(四)零点漂移和蠕变零点漂移和蠕变(五)应变极限应变极限(六)动态特性动态特性第二章第17页/共92页2.1.2.1 2.1.2.1 灵敏度系数灵敏度系数当当金金属属丝丝做做成成应应变变片片后后,其其电电阻阻相相对对变变化化与与应应变变在在很很宽的范围内均为线性关系。即宽的范围内均为线性关系。即K K为金属应变片的为金属应变片的“标称灵敏系数标称灵敏系数”。应变片的
8、灵敏系数应变片的灵敏系数K K恒小于线材的灵敏系数恒小于线材的灵敏系数K KS S。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。第二章第18页/共92页 2.1.2.2 2.1.2.2 横向效横向效应应试件与其上的应变片受单向应力时,其表面处于平面应变状态。对试件与其上的应变片受单向应力时,其表面处于平面应变状态。对于由多条直线和圆弧部分组成敏感栅:于由多条直线和圆弧部分组成敏感栅:直线段:沿轴向拉应变直线段:沿轴向拉应变x,电阻,电阻圆弧段:沿横向压应变圆弧段:沿横向压应变y等,电阻等,电阻l lyxy第二章第19页/共9
9、2页bOlrrdld0横向效应:横向效应:金金属属应应变变片片测测量量应应变变时时,构构件件的的轴轴向向应应变变 使使敏敏感感栅栅电电阻阻发发生生变变化化,其其横横向向应应变变 r r也也将将使使敏敏感感栅栅半半圆圆弧弧部部分分的的电电阻阻发发生生变变化化,应应变变片片的的这这种种既既受受轴轴向向应应变变影影响响,又又受受横横向向应应变变影影响响而而引引起电阻变化的现象称为横向效应起电阻变化的现象称为横向效应。图为图为 应变片敏感栅半应变片敏感栅半圆弧部分的形状。沿圆弧部分的形状。沿轴向应变为轴向应变为,沿横向,沿横向应变为应变为 r r。丝绕式应变片敏感栅半圆弧形部分第二章第20页/共92页
10、2.1.2.3 2.1.2.3 机械滞后机械滞后产生原因: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,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值还与应变片所承受的应变量有关。第二章1机械应变卸载加载指示应变i应变片的机械滞后第21页/共92页 零点漂移和蠕变零点漂移和蠕变零点漂移产生原因: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。第二章如果在一定温度下,使应变片承受恒定的机械应变,如果在一定温度下,使应变片承受恒定的机械应变,其电阻值随时间增加而变化的特性称
11、为蠕变。其电阻值随时间增加而变化的特性称为蠕变。一般蠕变的方向与原应变量的方向相反。一般蠕变的方向与原应变量的方向相反。产生原因:由于胶层之间发生产生原因:由于胶层之间发生“滑动滑动”,使力传到,使力传到敏感栅的应变量逐渐减少。敏感栅的应变量逐渐减少。第22页/共92页2.1.2.5 应变极限在在一一定定温温度度下下,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%10%)时时的最大真实应变值。的最大真实应变值。lim真实应变z指示应变i应变片的应变极限10%1影响因素:粘结剂和基底材料传递变形的性能及应变
12、片的安装质量。第二章第23页/共92页2.1.2.6 2.1.2.6 动态特性动态特性 设设一一频频率率为为 f f 的的正正弦弦应应变变波波在在构构件件中中以以速速度度 v v 沿沿应应变变片片栅栅长长方方向向传传播播,在在某某一一瞬瞬时时 t t,应应变变量量沿沿构构件件分分布布如图所示。如图所示。应变片对应变波的动态响应0应变片1lx1x第二章第24页/共92页设应变波波长为,则有=v/f。应变片栅长为l,瞬时t时应变波沿构件分布为应变片中点的应变为xt为t瞬时应变片中点的坐标。应变片测得的应变为栅长l 范围内的平均应变m,其数值等于l 范围内应变波曲线下的面积除以l,即第二章第25页/
13、共92页平均应变m与中点应变t相对误差为(%)1.620.52误差的计算结果1/201/10由上式可见,相对误差的大小只决定于的比值,表中给出了为1/10和1/20时的数值。第二章第26页/共92页式中应变波在试件中的传播速度;因为f为最高工作频率则若已知应变波在某材料内传播速度若已知应变波在某材料内传播速度,由上式可计算,由上式可计算出栅长为出栅长为l,确定相对误差的应变片粘贴在某种材料上,确定相对误差的应变片粘贴在某种材料上的可测动态应变最高频率。的可测动态应变最高频率。第二章第27页/共92页应变式传感器的特点精度高,测量范围广频率响应较好结构简单,尺寸小,质量轻使用环境广易于小型化、(
14、固态化)价格低第28页/共92页2.1.3 2.1.3 温度特性(误差及其补偿)温度特性(误差及其补偿)2.1.3.1 2.1.3.1 温度误差温度误差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。第二章第29页/共92页设环境引起的构件温度变化为t()时,粘贴在试件表面的应变片敏感栅材料的电阻温度系数为t,则应变片产生的电阻相对变化为第二章第30页/共92页由于敏感栅材料和被测构件材料两者线膨胀系数不同,当t 存在时,引起应变片的附加应变,其值为e试件材料线膨胀系数;g敏感栅材料线膨
15、胀系数。相应的电阻相对变化为相应的电阻相对变化为K应变片灵敏系数。应变片灵敏系数。第二章第31页/共92页温度变化形成的总电阻相对变化:相应的虚假应变为上式为应变片粘贴在试件表面上,当试件不受外力作用,在温度变化t 时,应变片的温度效应(或热输出)。第二章第32页/共92页 温度补偿(自补偿法和线路温度补偿(自补偿法和线路补偿法)补偿法)单丝自补偿应变片若要应变片在温度变化t时的热输出值为零,必须使即选择应变片时,若使其电阻温度系数和线膨胀系数与满足上式的条件,即可实现温度自补偿。具有这种敏感栅的应变片称为单丝自补偿应变片。第二章第33页/共92页双丝组合式自补偿应变片是由两种不同电阻温度系数
16、(一种为正值,一种为负值)的材料串联组成敏感栅,以达到一定的温度范围内在一定材料的试件上实现温度补偿的,如图。(Ra)t=(Rb)t焊点RaRb第二章这种应变片的自补偿条件要求粘贴在某种试件上的两段敏感栅,随温度变化而产生的电阻增量大小相等,符号相反,即第34页/共92页电路补偿法如图,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。第二章第35页/共92页测量应变时,使用两个应变片,一片贴在被测试件的表面,图中R1称为工作应变片。另一
17、片贴在与被测试件材料相同的补偿块上,图中R2,称为补偿应变片。补偿应变片粘贴示意图R1R2第二章第36页/共92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,即第二章第37页/共92页若此时有应变作用,只会引起电阻若此时有应变作用,只会引起电阻R R1 1发生变化,发生变化,R R2 2不承受应变。故由前式可得输出电压为不承受应变。故由前式可得输出电压为第二章第38页/共92页将补偿片贴在被测试件上,既能起到温度
18、补偿作用,又能提高输出的灵敏度,贴法如图所示。R1R2FFR1R2(b)(a)F图(a)为一个梁受弯曲应变时,应变片R1和R2的变形方向相反,上面受拉,下面受压,应变绝对值相等,符号相反,将它们接入电桥的相邻臂后,可使输出电压增加一倍。当温度变化时,应变片R1和R2的阻值变化的符号相同,大小相等,电桥不产生输出,达到了补偿的目的。(b)图是受单向应力的构件。补偿原理类似。构件受弯曲应力构件受单向应力第二章第39页/共92页电桥补偿法U0R1R4R3URbFFR1RbR1+RRb-RU0R1 RR4R3URb R第二章第40页/共92页2.1.4 电阻应变片的测量电路 1 1 直流(交流)电桥2
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- 传感器 原理 应用 应变
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