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1、第3章 应变式传感器,主要内容 1.电阻应变片原理 2.金属应变片的主要特性 3.应变片测量电路 4.应变式传感器的应用,传感器原理及应用,第3章 应变式传感器,概述,电阻式应变传感器作为测力的主要传感器,测力范围小到肌肉纤维,大到登月火箭,精确度可到 0.010.1%。有拉压式(柱、筒、环元件)、弯曲式、剪切式。 应变式传感器特征: 不同材料类型;金属应变片、半导体应变片 应用范围;应变力、压力、转矩、位移、加速度; 主要优点;使用简单、精度高、范围大体积小。,传感器原理及应用,第3章 应变式传感器,概述,各种电子秤,广泛应用于,传感器原理及应用,第3章 应变式传感器,3.1 电阻应变片原理
2、 (1)应变效应,金属应变片结构: 网状敏感栅高阻金属丝、金属箔 基片绝缘材料 盖片保护层,传感器原理及应用,第3章 应变式传感器,3.1 电阻应变片原理 (1)应变效应,箔式应变片结构,导体或半导体在受到外界力的作用时,产生机械变形,机械变形导致其阻值变化,这种因形变而使阻值发生变化的现象称为应变效应。,第3章 应变式传感器,3.1 电阻应变片原理 (1)应变效应,对于一长为L、横截面积为A、电阻率为的金属丝,其电阻值R为:,如果对电阻丝长度作用均匀应力,则、L、A的变化(d、dL、dA)将引起电阻R变化dR ,dR可通过对上式的全微分求得:,电阻相对变化量为:,若电阻丝是圆形的, 则A=r
3、 ,对r 微分 得dA=2r dr,则:,由材料力学的知识:在弹性范围内,金属丝受拉力时,沿轴向伸长,沿径向缩短,则轴向应变和径向应变的关系为:y=-x 为金属材料的泊松系数。,将(2-4)式、(2-5)代入(2-3)式得:,KS称为金属丝的灵敏系数,表示单位应变所引起的电阻的相对变化。,对于确定的材料,(1+2)项是常数,其数值约在12之间,对金属材料来说,电阻丝灵敏度要比d/x 大的多,可以忽略。,上式表示金属丝的电阻相对变化与轴向应变成正比关系。,根据应力和应变的关系: 应力 =E,即 , 而 dR,所以 dR .,传感器原理及应用,第3章 应变式传感器,3.1 电阻应变片原理 (1)应
4、变效应,对于金属电阻丝 =0.250.5(钢=0.285) k01+2 k01.52 金属应变片灵敏系数k0由材料的几何尺寸决定的 应力 =E 可见 应变 R/R 应力 R/R 通过弹性元件可将位移、压力、振动等物理量将应力转换为应变进行测量,这是应变式传感器测量应变的基本原理。,传感器原理及应用,第3章 应变式传感器,3.1 电阻应变片原理 (2)压阻效应和压阻式传感器,半导体应变片又称压阻式传感器 优点:灵敏度高、耗电少、有正负两种应力效应。 缺点:受温度影响较大。,半导体材料的d/x项的值比(1+2)大的多,其灵敏度系数主要由压阻效应引起的电阻率的变化;灵敏系数远大于金属应变片的灵敏系数
5、。,对半导体,已知固体受力引起的电阻变化为:,传感器原理及应用,第3章 应变式传感器,3.1 电阻应变片原理 (3)应变片种类,按材料分: 金属式: 体型:丝式、箔式、薄膜型 半导体式体式: 体型、薄膜型、扩散型、外延型、PN结型 按结构分:单片、双片、特殊形状 按使用环境:高温、低温、高压、磁场、水下,传感器原理及应用,第3章 应变式传感器,3.1 电阻应变片原理 (3)应变片种类,各种金属箔式应变片,体型半导体电阻应变片,金属应变计,传感器原理及应用,第3章 应变式传感器,3.2 金属应变片的主要特性 (1)应变片的灵敏系数,金属丝做成应变片后电阻应变特性与单根金属丝不同;实验证明,应变片
6、灵敏系数K K0电阻丝灵敏系数,产品的灵敏系数称“标称灵敏系数”。,传感器原理及应用,第3章 应变式传感器,直线电阻丝绕成敏感栅后,虽然长度相同,但应变不同,园弧部分使灵敏系数K下降,这种现象称为横向效应。,3.2 金属应变片的主要特性 (2)横向效应,传感器原理及应用,第3章 应变式传感器,3.2 金属应变片的主要特性 (3)应变片温度误差及补偿,应变片安装在自由膨胀的试件上,如果环境温 度变化,应变片的电阻也会变化,这种变化叠加在测量结果中称应变片温度误差。应变片温度误差来源有两个主要因素: t 误差应变片本身电阻温度系数影响; g 试件材料的线膨胀系数影响 因环境温度改变引起的附加电阻变
7、化与环境温 度变化t有关; 应变片本身的性能参数K、t、s; 试件参数g有关。,传感器原理及应用,第3章 应变式传感器,3.2 金属应变片的主要特性 (3)应变片温度误差及补偿,电阻丝阻值与温度关系:,因试件使应变片电阻产生附加形变造成的电阻变化,温度变化t时电阻丝的电阻变化,传感器原理及应用,第3章 应变式传感器,3.2 金属应变片的主要特性 (3)应变片温度误差及补偿,温度补偿方法有:电桥线路补偿、自补偿、双金属片辅助、热敏电阻补偿、计算机补偿等。 线路补偿: 工作应变片粘贴在被测试件表面上,补偿就变片粘贴在与被测试件材料完全相同的补偿块上,且仅工作应变片承受应变。,传感器原理及应用,第3
8、章 应变式传感器,3.2 金属应变片的主要特性 (3)应变片温度误差及补偿,自补偿方法,利用自身具有温度补偿作用的应变片来补偿,要实现温度补偿必须有满足以下条件:,传感器原理及应用,第3章 应变式传感器,3.2 金属应变片的主要特性 (3)应变片温度误差及补偿,电桥补偿方法,传感器原理及应用,第3章 应变式传感器,3.3 电阻应变片测量电路 (1)直流电桥, 直流电桥的平衡条件 负载RL(开路),电桥平衡时 I0=0 U0=0 对比积相等 邻臂比相等,传感器原理及应用,第3章 应变式传感器,3.3 电阻应变片测量电路 (1)直流电桥,设R1-R1+R1,R2-R2+R2,R3-R3+R1,R4
9、-R4+R4 这时电桥失衡,不平衡输出电压为:, 电压灵敏度,一般情况下R很小,即RR,故上式分母中R项和分子中R的高次项可略去,同时考虑电桥初始是平衡的,即R1R4=R2R3,故有,传感器原理及应用,第3章 应变式传感器,3.3 电阻应变片测量电路 (1)直流电桥, 电压灵敏度,上式表明,电桥输出电压与电桥电源电压成正比,在RR的条件下,电桥输出电压也与桥臂电阻的变化率R/R成正比。所以电桥输出电压可反映被测量引起电阻变化量。,传感器原理及应用,第3章 应变式传感器,讨论: 电桥电压灵敏度Ku越大,应变变化相同情况输出电 压越大; Ku与电桥电源E成正比KuE,但供电受应变片允许 功耗限制;
10、,3.3 电阻应变片测量电路 (1)直流电桥, 电压灵敏度,传感器原理及应用,第3章 应变式传感器,讨论: 设均为全等臂电桥,即初始时R1=R2=R3=R4=R,下面分析这三种连接方式方式的电压输出。 1、半桥单臂,3.3 电阻应变片测量电路 (1)直流电桥,单臂工作片电压灵敏度:,桥路输出电压:, 电压灵敏度,传感器原理及应用,第3章 应变式传感器,3.3 电阻应变片测量电路 (1)直流电桥,单臂工作片电压灵敏度:,桥路输出电压:, 电压灵敏度,2、半桥双臂 工作中电桥的两个桥臂阻值随被测物理量而变化,3、全桥 工作中电桥的四个桥臂阻值随被测物理量而变化,桥路输出电压:,单臂工作片电压灵敏度
11、:, 电压灵敏度,第3章 应变式传感器,传感器原理及应用, 电压灵敏度,传感器原理及应用,第3章 应变式传感器,3.3 电阻应变片测量电路 (1)直流电桥, 电压灵敏度,传感器原理及应用,第3章 应变式传感器,3.3 电阻应变片测量电路 (1)直流电桥,非线性误差补偿,非线性误差:,:为理想值,式中,U。:为真实值,单臂桥的非线性误差:,传感器原理及应用,第3章 应变式传感器,可见非线性误差与R1/R1成正比 为减小非线性误差常采用差动电桥 差动电桥:在试件上安装两个工作片,一个受拉、 一个受压接在电桥的相邻两个臂,电桥输出为:,3.3 电阻应变片测量电路 (1)直流电桥,非线性误差补偿,传感
12、器原理及应用,第3章 应变式传感器,3.3 电阻应变片测量电路 (1)直流电桥 非线性误差补偿,半桥电压灵敏度为:,讨论: 输出电压U0与R1/R1呈线性关系,无非线性误差; 电压灵敏度是单桥的两倍; 具有温度补偿作用。,电桥输出:,传感器原理及应用,第3章 应变式传感器,3.3 电阻应变片测量电路 (1)直流电桥 非线性误差补偿,全桥: 将四臂按对臂同性接四个工作片称全桥。 若R1=R2=R3=R4,全桥电压输出:,全桥电压灵敏度为:,传感器原理及应用,第3章 应变式传感器,3.3 电阻应变片测量电路 (2)交流电桥,直流电桥 优点:所需要的高稳定直流电源较易获得;连接导线要求低,不会引起分
13、布参数,在实现预调平衡时电路简单,仅需对纯电阻加以调节。 缺点:容易受到工频干扰,产生零点漂移。 交流电桥 优点:放大电路简单无零漂,不受干扰,为特定 传感器带来方便; 缺点:需专用测量仪器或电路不易取得高精度。,传感器原理及应用,第3章 应变式传感器,3.3 电阻应变片测量电路 (2)交流电桥,交流电桥输出特征方程:,电桥平衡条件:,传感器原理及应用,第3章 应变式传感器,3.3 电阻应变片测量电路 (2)交流电桥,交流电桥,传感器原理及应用,第3章 应变式传感器,3.3 电阻应变片测量电路(2)交流电桥,交流电桥需满足 对臂复数的模积相等,幅角之和相等。,传感器原理及应用,第3章 应变式传
14、感器,3.3 电阻应变片测量电路 (2)交流电桥,其中:,传感器原理及应用,第3章 应变式传感器,3.3 电阻应变片测量电路 (2)交流电桥,交流电桥输出除满足电阻平衡条件, 还要满足电容平衡条件:,交流电桥输出用复数表示:,传感器原理及应用,第3章 应变式传感器,3.3 电阻应变片测量电路 (2)交流电桥平衡电路:,电容平衡电路,电阻平衡电路,传感器原理及应用,第3章 应变式传感器,3.4 应变式传感器的应用,在检测技术中,除了直接用应变片来测定试件的应变和应力外,还可以利用它制成各种应变 式传感器来测定各种物理量,如力矩、压力、加速度等。 基本构成通常可分两部分:弹性敏感元件及应变片 弹性
15、元件在被测物理量的作用下产生一个与物理量成正比的应变,然后用应变片作为传感元件将应变转换为电阻变化。,传感器原理及应用,第3章 应变式传感器,3.4 应变式传感器的应用 (1)电阻应变仪,按测量应变力的频率可分为静态应变仪和动 态应变仪,按应变力频率又可细分为: 静态 5Hz; 静动态几百Hz; 动态 5KHz; 超动态几十KHz; 交流电桥电阻应变仪主要由电桥、振荡器、 放大器、相敏检波器、滤波器、转换和显示 电路组成。,传感器原理及应用,第3章 应变式传感器,3.4 应变式传感器的应用 (1)电阻应变仪,传感器原理及应用,第3章 应变式传感器,3.4 应变式传感器的应用 (1)电阻应变仪,电桥 测20-200Hz应变力输出调幅调制波; 放大器 将电桥输出的调幅波放大; 振荡器 产生等幅正弦波提供电桥电压和相敏检 波器参考电压; 相敏检波器 如果应变有拉应变和压应变,可通 过相敏检波电路区分双相信号; 相移器 相敏检波器的参考信号与被测信号有严 格的相位关系; 滤波器 为了还原被检测的信号用低通滤波器去 掉高频保留低频应变信号。,传感器原理及应用,