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1、第八章 力敏传感器 概述返 回 压阻式传感器应变式传感器1课堂教育一、概一、概述述 基本原理：将被测的非电量转换成电基本原理：将被测的非电量转换成电阻值的变化。阻值的变化。 构成电阻的材料种类很多，如导体、构成电阻的材料种类很多，如导体、半导体、电解质溶液等。半导体、电解质溶液等。引起电阻变化的物理原因也很多，如引起电阻变化的物理原因也很多，如导体、半导体的长度变化或内应力变化、导体、半导体的长度变化或内应力变化、温度变化等。温度变化等。2课堂教育3课堂教育一、一、 应变式传感器应变式传感器1、工作原理2、金属应变片的主要特性3、测量电路4、温度误差及其补偿 5、应变式传感器应用返 回4课堂教
2、育1 1、 工作原理工作原理（1 1）电阻应变效应）电阻应变效应F l、A 、 R上一页返 回下一页5课堂教育半径为r的圆导体，A=r2，A/A=2r/r由材料力学可知，在弹性范围内， 上一页返 回下一页为导体的纵向应变，其数值一般很小，常以微应变度量；为电阻丝材料的泊松比，一般金属=0.30.5；为压阻系数，与材质有关；为应力值；E为材料的弹性模量； 6课堂教育（2 2 2 2）金属电阻的灵敏系数）金属电阻的灵敏系数）金属电阻的灵敏系数）金属电阻的灵敏系数材料的几何尺寸变化引起的材料的电阻率随应变引起的（压阻效应）金属材料：k0以前者为主（=0.25=0.250.5(0.5(钢钢钢钢 =0.
3、285=0.285 ） k01.5k01.52 2 半 导 体：k0值主要是由电阻率相对变化所决定上一页返 回下一页7课堂教育（3 3） 应变片的基本结构与种类应变片的基本结构与种类 敏感栅敏感栅直径为直径为0.025mm左右的合金电阻丝左右的合金电阻丝丝绕式丝绕式基基底底绝缘绝缘覆盖层覆盖层保护保护位移、力、力矩、加速度、压力弹性敏感元件 应变 外力作用被测对象表面产生微小机械变形应变片敏感栅随同变形电阻值发生相应变化 应变片上一页返 回下一页8课堂教育应变片的类型和材料应变片的类型和材料l金属丝式金属丝式l金属箔式金属箔式l金属薄膜式金属薄膜式回线式短接式 上一页返 回下一页9课堂教育金属
4、丝式应变片金属丝式应变片上一页返 回下一页 1-基片；2-电阻丝；3-覆盖层；4-引出线 10课堂教育金属箔式应变片 l在绝缘基底上，将厚度为在绝缘基底上，将厚度为0.0030.01mm电阻箔材，利用照相制板或光刻腐蚀的方法，电阻箔材，利用照相制板或光刻腐蚀的方法，制成适用于各种需要的形状。制成适用于各种需要的形状。上一页返 回下一页11课堂教育优点优点：（1）尺寸准确，线条均匀，适应不同的测量要求尺寸准确，线条均匀，适应不同的测量要求;（2）可制成多种复杂形状尺寸准确的敏感栅）可制成多种复杂形状尺寸准确的敏感栅;（3）与被测试件接触面积大，粘结性能好）与被测试件接触面积大，粘结性能好;散热条
5、件好，允许电流大，灵敏度提高散热条件好，允许电流大，灵敏度提高;（4）横向效应可以忽略）横向效应可以忽略;（5）蠕变、机械滞后小，疲劳寿命长。）蠕变、机械滞后小，疲劳寿命长。缺点：缺点：电阻值的分散性大电阻值的分散性大阻值调整阻值调整上一页返 回下一页12课堂教育l采用真空蒸发或真空沉积等方法在薄的绝缘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基片上形成厚度在0.1m以下的金属电阻材以下的金属电阻材料薄膜敏感栅，再加上保护层。料薄膜敏感栅，再加上保护层。l优点：应变灵敏系数大，允许电流密度大，优点：应变灵敏系数大，允许电流密度大，工作范围广，易实现工业化生产工作范围广，易实现工业化
6、生产l问题：难控制电阻与温度和时间的变化关系问题：难控制电阻与温度和时间的变化关系金属薄膜应变片金属薄膜应变片上一页返 回下一页13课堂教育2、金属应变片的主要特性、金属应变片的主要特性（一）（一）应变片的电阻值应变片的电阻值R（二）（二）灵敏系数灵敏系数（三）（三）横向效应横向效应上一页返 回下一页14课堂教育（一）应变片的电阻值（一）应变片的电阻值Rl应变片在未经安装也不受外力情况下，应变片在未经安装也不受外力情况下，在室温下测得的电阻值在室温下测得的电阻值l电阻系列：电阻系列：60、120、200、350、500、1000可以加大应变片承受电压；可以加大应变片承受电压；电阻值大电阻值大输
7、出信号大；输出信号大；敏感栅尺寸也增大。敏感栅尺寸也增大。上一页下一页返 回15课堂教育（二）灵敏系数（二）灵敏系数“标称灵敏系数”：应变片的灵敏系数是通过抽样测定得到的,产品包装上表明的“标称灵敏系数”是出厂时测定该批产品的平均灵敏系数值。电阻应变片的灵敏系数k 电阻丝的灵敏系数k0 粘结层传递变形失真还存在有横向效应 原因：上一页返 回下一页16课堂教育y（三）横向效应（三）横向效应敏感栅是由多条直线和圆弧部分组成直线段：沿轴向拉应变x，电阻圆弧段：沿轴向压应度y 电阻 K (箔式应变片)上一页下一页返 回l lyx17课堂教育横向效应横向效应应应变变片片的的横横栅栅部部分分将将纵纵栅栅部
8、部分分的的电电阻阻变变化化抵抵消消了了一一部部分分，降降低低了了整整个个电电阻阻应应变变片片的的灵灵敏敏度度，带带来来测测量量误误差差，其其大大小小与与敏敏感感栅栅的的构构造造及及尺尺寸寸有关。有关。敏敏感感栅栅的的纵纵栅栅愈愈窄窄、愈愈长长，而而横横栅栅愈愈宽宽、愈愈短，则横向效应的影响愈小。短，则横向效应的影响愈小。18课堂教育3、电阻应变片的测量电路电阻应变片的测量电路 上一页返 回下一页1 1 直流电桥直流电桥2 2 非线性误差及其补偿非线性误差及其补偿 19课堂教育(1)直流电桥直流电桥l直流电桥的工作原理直流电桥的工作原理IL=0时电桥平衡平衡条件 :R1R4=R2R3 R1/R2
9、=R3/R4 上一页返 回下一页R2R4R3UILRL R120课堂教育 2 2、不平衡直流电桥的工作原理及灵敏度、不平衡直流电桥的工作原理及灵敏度 R1R2R3R4UU021课堂教育 应变片工作时，R1其电阻变化为R，设桥臂比n=R2/R1输出电压： 电桥灵敏度定义为:22课堂教育当当n =1 n =1 时时，得得 23课堂教育略去分母中的R1/R1项 ,假设R1/R11单臂电桥，即R1桥臂变化R，理想的线性关系 实际输出电压实际输出电压上一页返 回下一页电桥的相对非线性误差为电桥的相对非线性误差为(2)(2)非线性误差及其补偿非线性误差及其补偿24课堂教育减小非线性误差减小非线性误差采用的
10、措施为采用的措施为： （1）采用半桥差动电桥 R1R2FU0R1R1R4R3UR2R2上一页返 回下一页25课堂教育R1R2R3R4=R，R1R2=R 严格的线性关系电桥灵敏度比单臂时提高一倍温度补偿作用上一页返 回下一页26课堂教育输出电压为：U0R1R1UR2R2R4R4R3R3上一页返 回下一页全桥差动电路全桥差动电路27课堂教育4.温度误差及其补偿温度误差及其补偿上一页返 回下一页( 1)当环境温度变化t 时，敏感栅材料电阻温度系数为 ，则引起的电阻相对变化为(2)试件材料的线膨胀引起的误差。当温度变化t时，因试件材料和敏感栅材料的线膨胀系数不同，应变片将产生附加拉长（或压缩），引起的
11、电阻相对变化. 应变丝的线膨胀系数；应变丝的线膨胀系数；试件的线膨胀系数试件的线膨胀系数28课堂教育相应的虚假应变输出由于温度变化而引起的总电阻变化为29课堂教育温度补偿温度补偿 单丝自补偿法 自补偿法 组合式自补偿法 线路补偿法电桥补偿法、热敏电阻温度补偿 上一页返 回下一页30课堂教育应变片的自补偿法应变片的自补偿法a.单丝自补偿应变法单丝自补偿应变法b.组合式自补偿应变片组合式自补偿应变片31课堂教育a.单丝自补偿法单丝自补偿法优点：容易加工，成本低.缺点：只适用特定试件材料，温度补偿范围也较窄。上一页返 回下一页实现温度补偿的条件为实现温度补偿的条件为当被测试件的线膨胀系数当被测试件的
12、线膨胀系数g已知时，通过选择敏感栅材料使已知时，通过选择敏感栅材料使下式成立下式成立32课堂教育R1R2b.组合自补偿应变片法组合自补偿应变片法敏感栅丝由两种不同温度系数的金属丝串接组成 选用两者具有不同符号的电阻温度系数调整R1和R2的比例，使温度变化时产生的电阻变化满足 通过调节两种敏感栅的长度来控制应变片的温度自补偿，可达0.45 /的高精度 上一页返 回下一页33课堂教育电桥补偿法电桥补偿法U0R1R4R3URbFFR1RbR1+RRb-RU0R1RR4R3URbR上一页返 回下一页34课堂教育电桥补偿法电桥补偿法l优点：优点：简单、方便，在常温下补偿效果较好简单、方便，在常温下补偿效
13、果较好.l缺点：缺点：在温度变化较大的条件下，很难做到工在温度变化较大的条件下，很难做到工作片与梯补偿片处于温度完全一致的情作片与梯补偿片处于温度完全一致的情况，因而影响补偿效果。况，因而影响补偿效果。35课堂教育热敏电阻补偿热敏电阻补偿T KRtUiR1RR4R3U0R2RtR5分流电阻分流电阻UURt U = Ui - URtK上一页返 回下一页36课堂教育5.电阻应变式传感器的应用电阻应变式传感器的应用1 1应变式力传感器应变式力传感器2 2 应变式压力传感器应变式压力传感器3. 3. 应变式液体重量（或液位）传感器应变式液体重量（或液位）传感器4 4 应变式加速度传感器应变式加速度传感
14、器上一页返 回下一页37课堂教育上一页返 回下一页柱柱式式力力传传感感器器（1）应变式力传感器应变式力传感器柱（筒）式力传感器柱（筒）式力传感器（a）实心圆柱；（）实心圆柱；（b）空心圆筒；）空心圆筒；38课堂教育R5R8R7R6R1R2R3R4R5R8R7R6R1R2R3R4UoUF39课堂教育梁式力传感器梁式力传感器上一页返 回下一页等截面梁 结构简单，易加工，灵敏度高适合于测5000N以下的载荷,也可用于小压力测量 b0R1R1R2R2l l0 0l lF Fb bh 等截面悬臂梁40课堂教育b0R1R1R2R2X Xl lF Fb bh 等强度悬臂梁 41课堂教育 双端固定梁42课堂教
15、育薄壁圆环压力传感器薄壁圆环压力传感器上一页返 回下一页在外力作用下，各点的应力差别较大在外力作用下，各点的应力差别较大43课堂教育（2 2） 应变式压力传感器应变式压力传感器 上一页返 回下一页R4R3R1R2 UU0膜片P P膜片式压力传感器 44课堂教育筒式压力传感器 测较大压力测较大压力 机床液压系统的压力（106107Pa），枪炮的膛内压力（108Pa），动态特性和灵敏度主要由材料的E值和尺寸决定 上一页返 回下一页45课堂教育组合式压力传感器 应变片不直接粘贴在压力感受元件上压力敏感元件为膜片或膜盒、波纹管、弹簧管等 通常用于测量小压力。其缺点是固有频率低，不适于测量瞬态过程。上一
16、页返 回下一页46课堂教育AK-1型型应变式脉式脉动压力力传感器感器产品品特点： 采用外壳和膜片为一体的圆膜片结构 尺寸小，安装方便 频响高，精度高，性能稳定可靠 适用于各种动，静态、气、液体介质的压力测量上一页返 回下一页47课堂教育（3 3） 容器内液体重量（液位）传感器容器内液体重量（液位）传感器上一页返 回下一页48课堂教育式中式中A1、A2传感器的传输系数；传感器的传输系数；g重力加速度重力加速度(m/s2)；被测溶液的密度被测溶液的密度(Kg/m3)。如如不变，则不变，则与与h有关，构成液位计有关，构成液位计溶液重量溶液重量式中式中Q容器内感压膜上面溶液的重量容器内感压膜上面溶液的重量(N)；D柱形容器的截面积柱形容器的截面积(m2)。上一页返 回下一页49课堂教育（4）应变式加速度传感器应变式加速度传感器上一页返 回上一页返 回在低频（在低频（1060Hz）振动测量中得到广泛的应用）振动测量中得到广泛的应用,但不适用于频率较高的振动和冲击。但不适用于频率较高的振动和冲击。应变式加速度传感器结构示意图应变式加速度传感器结构示意图1等强度梁等强度梁2质量块质量块3壳体壳体4电阻应变片电阻应变片50课堂教育51课堂教育52课堂教育53课堂教育54课堂教育55课堂教育56课堂教育
