《电阻应变片传感器优秀课件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电阻应变片传感器优秀课件（43页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、应变式传感器第第4 4章章 应变式传感器应变式传感器 4.1 4.1 工作原理工作原理 4.2 4.2 应变片的种类、材料及粘贴应变片的种类、材料及粘贴 4.3 4.3 电阻应变片的特性电阻应变片的特性 4.4 4.4 应变式传感器的测量电路应变式传感器的测量电路 4.5 4.5 应变式传感器的应用应变式传感器的应用 电阻应变片传感器优秀课件应变式传感器=E 4.1 工工 作原理作原理 电阻应变片电阻应变片的工作原理是基于应变效应应变效应。 在在外外力力作作用用下下，被被测测对对象象产产生生微微小小机机械械变变形形，应应变变片片随随着着发发生生相相同同的的变变化化， 电电阻阻值值也也发发生生相
2、相应应变变化化。当当测测得得电电阻阻值值变变化化量量为为R时时，便便可可得得到到被被测测对对象象的的应应变值，变值， 根据应力与应变的关系，得到应力值根据应力与应变的关系，得到应力值 电阻应变片传感器优秀课件应变式传感器 当当电电阻阻丝丝受受到到拉拉力力F作作用用时时， 将将伸伸长长l，横横截截面面积积相相应应减减小小A，电电阻阻率率因因材材料料晶晶格格发发生生变变形形等等因因素素影影响响而而改变了改变了d，从而引起电阻值相对变化量为，从而引起电阻值相对变化量为 dl/l长度相长度相对变化量，用对变化量，用应变应变表示表示设设r为电阻丝的半径，为电阻丝的半径，微分后可得微分后可得dA=2r d
3、r电阻应变片传感器优秀课件应变式传感器得得 通通常常把把单单位位应应变变能能引引起起的的电电阻阻值值变变化化称称为为电电阻阻丝丝的的灵灵敏敏系系数数。 其其物物理理意意义义是是单单位位应应变变所所引引起起的的电电阻阻相相对对变变化量化量，其表达式为，其表达式为 电阻丝的电阻丝的灵敏系数灵敏系数电阻应变片传感器优秀课件应变式传感器灵敏系数灵敏系数K受两个因素影响：受两个因素影响：1.应变片受力后材料几何尺寸的变化，应变片受力后材料几何尺寸的变化， 即即1+2；2.应变片受力后材料的电阻率发生的变化，即（应变片受力后材料的电阻率发生的变化，即（d/）/。3. 对对金金属属材材料料来来说说，电电阻阻
4、丝丝灵灵敏敏度度系系数数表表达达式式中中1+2的的值值要要比比(d/)/大大得得多多，而而半半导导体体材材料料的的(d/)/项项的的值值比比1+2大得多。大得多。 半半导导体体应应变变片片是是用用半半导导体体材材料料制制成成的的，其其工工作作原原理理是是基基于于半半导导体体材材料料的的压压阻阻效效应应。压压阻阻效效应应是是指指半半导导体体材材料料，当当某某一一轴轴向向受受外外力力作作用用时，时， 其电阻率其电阻率发生变化的现象。发生变化的现象。大大量量实实验验证证明明，在在电电阻阻丝丝拉拉伸伸极极限限内内， 电电阻阻的的相相对对变变化化与与应应变变成正比，即成正比，即K为常数为常数。电阻应变片
5、传感器优秀课件应变式传感器当半导体应变片受轴向力作用时，当半导体应变片受轴向力作用时， 其电阻相对变化为其电阻相对变化为 式中d/为半导体应变片的电阻率相对变化量，其值与半导体敏感元件在轴向所受的应变力有关，其关系为 E比比1+2大上百倍，大上百倍，半半导导体体应应变变片片的的灵灵敏敏系系数数比比金金属属丝丝式式高高5080倍倍， 但但半半导导体体材材料料的的温温度度系系数数大大，应应变变时时非非线线性性比比较较严严重重， 使使它它的的应应用用范范围围受受到到一一定定的的限制。限制。 电阻应变片传感器优秀课件应变式传感器4.2 应变片的种类、材料及粘贴应变片的种类、材料及粘贴4.2.1 金属电
6、阻应变片的种类金属电阻应变片的种类 电阻应变片传感器优秀课件应变式传感器丝线式、箔式丝线式、箔式电阻应变片传感器优秀课件应变式传感器4.2.2 金属电阻应变片的材料金属电阻应变片的材料 对电阻丝材料应有如下要求：对电阻丝材料应有如下要求： 灵敏系数大，在大应变范围内保持常数；灵敏系数大，在大应变范围内保持常数； 值大，具有较大的电阻值；值大，具有较大的电阻值； 电电阻阻温温度度系系数数小小，温温度度变变化化会会改改变变其其阻阻值值； 与与铜铜线线的焊接性能好，其它金属接触电势小；的焊接性能好，其它金属接触电势小； 机械强度高，机械强度高， 具有优良的机械加工性能具有优良的机械加工性能。电阻应变
7、片传感器优秀课件应变式传感器应变片的选择应变片的选择使用要求：灵敏度、温度、寿命使用要求：灵敏度、温度、寿命敏感栅和基底材料的选择：温度、时间影响敏感栅和基底材料的选择：温度、时间影响敏感栅长度的选择：敏感栅长度的选择：栅长应不大于测量区域半径的1/5-1/10电阻的选择：电阻的选择： 120、350、 1000敏感栅结构型式的选择敏感栅结构型式的选择电阻应变片传感器优秀课件应变式传感器应应 变变 计计 附附 件件 接线端子接线端子应变粘接剂应变粘接剂贴片用辅助料具：贴片用辅助料具：锡铅焊料 、镀银紫铜丝 、导线 、砂纸 、专用镊子 、烙铁、棉 签 电阻应变片传感器优秀课件应变式传感器1.选选
8、择择粘粘结结剂剂时时必必须须考考虑虑应应变变片片材材料料和和被被测测件件材材料料性性能能，不不仅仅要要求求粘粘接接力力强强，粘粘结结后后机机械械性性能能可可靠靠，而而且且粘粘合合层层要要有有足足够够大大的的剪剪切切弹弹性性模模量量， 良良好好的的电电绝绝缘缘性性，蠕蠕变变和和滞滞后后小小，耐耐湿湿，耐耐油油，耐耐老老化化，动动态态应应力力测测量量时时耐疲劳等。耐疲劳等。2. 还还要要考考虑虑到到应应变变片片的的工工作作条条件件，如如温温度度、相相对对湿湿度度、稳定性要求以及贴片固化时加热加压的可能性等。稳定性要求以及贴片固化时加热加压的可能性等。 4.2.3 金属电阻应变片的粘贴金属电阻应变片
9、的粘贴电阻应变片传感器优秀课件应变式传感器应变片粘贴步骤应变片粘贴步骤检查：外观、电阻值、修整检查：外观、电阻值、修整试件表面处理：光洁度要求、划定位线试件表面处理：光洁度要求、划定位线粘贴：厚度、方法粘贴：厚度、方法固化处理固化处理粘贴质量的检查：电阻值和绝缘电阻值粘贴质量的检查：电阻值和绝缘电阻值接线端子的焊接、导线的固定接线端子的焊接、导线的固定防潮处理防潮处理电阻应变片传感器优秀课件应变式传感器4.3 电阻应变片的特性电阻应变片的特性 4.3.1 弹性敏感元件及其基本特性弹性敏感元件及其基本特性 物体在外力作用下变形， 而当外力去掉后物体又能完全恢复其原来的尺寸和形状，这种变形称为弹性
10、变形。 具有弹性变形特性的物体称为弹性元件弹性元件。 弹性元件在应变片测量技术中占有极其重要的地位。它首先把力、力矩或压力变换成相应的应变或位移，然后传递给粘贴在弹性元件上的应变片，通过应变片将力、力矩或压力转换成相应的电阻值。 电阻应变片传感器优秀课件应变式传感器4.3.3 横向效应横向效应 （a） 应变片及轴向受力图； （b） 应变片的横向效应图解决方式一：短接式应变片 电阻应变片传感器优秀课件应变式传感器 电阻应变片在测量频率较高的动态应变时，应变是以应变波的形式在材料中传播的，它的传播速度与声波相同，对于钢材v5000 m/s。(a)应变波为阶跃波； (b) 理论响应特性； (c) 实
11、际响应特性(b) 应变片有最高工作频率，与基长有关4.3.5 应变片的动态响应特性应变片的动态响应特性电阻应变片传感器优秀课件应变式传感器1. 应变片的温度误差应变片的温度误差 由于测量现场环境温度的改变而给测量带来的附加误差， 称为应变片的温度误差。 产生应变片温度误差的主要因素有下述两个方面。 1) 电阻温度系数的影响 2) 试件材料和电阻丝材料的线膨胀系数的影响4.3.6 应变片的温度误差及补偿应变片的温度误差及补偿电阻应变片传感器优秀课件应变式传感器 2. 电阻应变片的温度补偿方法电阻应变片的温度补偿方法1) 线路补偿法线路补偿法电桥输出电压Uo与桥臂参数的关系为： Uo=A(R1R4
12、-RBR3) 工作应变片R1粘贴在被测试件表面上，补偿应变片RB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, 电阻应变片传感器优秀课件应变式传感器式中, A为由桥臂电阻和电源电压决定的常数。 当R3和R4为常数时，R3=R4，R1和RB对电桥输出电压Uo的作用方向相反。 利用这一基本关系可实现对温度的补偿。Uo=A(R1R4-RBR3) 当当被被测测试试件件不不承承受受应应变变时时，R1和RB又处于同一环境温度为t的温度场中，调整电桥参数使之达到平衡，此时有 电阻应变片传感器优秀课件应变式传感器 当温度升高或降低t=t-t0时，两个应变片因温度而引起的电阻变化量相等，电桥仍
13、处于平衡状态， 即 若此时被测试件有应变的作用，则工作应变片电阻R1又有新的增量R1=R1K，而补偿片因不承受应变，故不产生新的增量， 此时电桥输出电压为 由上式可知，电桥的输出电压Uo仅与被测试件的应变有关， 而与环境温度无关。 电阻应变片传感器优秀课件应变式传感器 应应当当指指出出，若若要要实实现现完完全全补补偿偿，上上述述分分析析过过程程必必须须满足以下满足以下4个条件：个条件： 在应变片工作过程中，保证R3=R4 R1和RB两个应变片应具有相同的电阻温度系数、线膨胀系数、应变灵敏度系数K和初始电阻值R0。 粘贴补偿片的补偿块材料和粘贴工作片的被测试件材料必须一样，两者线膨胀系数相同。
14、两应变片应处于同一温度场。 电阻应变片传感器优秀课件应变式传感器 2) 应变片的自补偿法 这种温度补偿法是利用自身具有温度补偿作用的应变片(称之为温度自补偿应变片)来补偿的。根据温度自补偿应变片的工作原理，要实现温度自补偿，必须有 上式表明，当被测试件的线膨胀系数g已知时，如果合理选择敏感栅材料， 即其电阻温度系数0、灵敏系数K0以及线膨胀系数s，满足上式，则不论温度如何变化，均有Rt/R0=0，从而达到温度自补偿的目的。 电阻应变片传感器优秀课件应变式传感器4.4 电阻应变片的测量电路电阻应变片的测量电路 1. 直流电桥平衡条件直流电桥平衡条件当RL时，电桥输出电压为 当电桥平衡时，当电桥平
15、衡时，Uo=0，则有，则有R1R4=R2R3两两臂臂电电阻阻的的乘乘积积应相等。应相等。 4.4.1 直流电桥直流电桥电阻应变片传感器优秀课件应变式传感器 应应变变片片工工作作时时，其其电电阻阻值值变变化化很很小小，电电桥桥相相应应输输出电压也很小，一般需要加入放大器进行放大。出电压也很小，一般需要加入放大器进行放大。由由于于放放大大器器的的输输入入阻阻抗抗比比桥桥路路输输出出阻阻抗抗高高很很多多，所所以以此此时时仍仍视视电电桥桥为为开开路路情情况况。当当受受应应变变时时，若若应应变变片片电电阻阻变变化化为为R，其其它它桥桥臂臂固固定定不不变变，电电桥桥输输出出电电压压Uo0，则电桥不平衡，输
16、出电压为则电桥不平衡，输出电压为 2. 电压灵敏度电压灵敏度 电阻应变片传感器优秀课件应变式传感器设桥臂比n=R2/R1=R4/R3，R1R1，分母中R1/R1可忽略电阻应变片传感器优秀课件应变式传感器电桥电压灵敏度定义为电桥电压灵敏度定义为 电桥电压灵敏度正比于电桥供电电压， 但供电电压的提高受到应变片允许功耗的限制，所以要作适当选择； 电桥电压灵敏度是桥臂电阻比值n的函数，与电阻丝的灵敏与电阻丝的灵敏系数、放大器放系数、放大器放大倍数区别大倍数区别 当当E值确定后，值确定后，n取何值取何值时才能使时才能使KU最高？。最高？。 电阻应变片传感器优秀课件应变式传感器由dKU/dn = 0求KU
17、的最大值，得 求求得得n=1时时，KU为为最最大大值值。这这就就是是说说，在在供供桥桥电电压压确确定定后后，当当R1=R2=R3=R4时时，电电桥桥电电压压灵灵敏敏度度最最高高，此此时有时有 从从上上述述可可知知，当当电电源源电电压压E和和电电阻阻相相对对变变化化量量R1/R1一一定定时时， 电电桥桥的的输输出出电电压压及及其其灵灵敏敏度度也也是是定定值值，且且与与各各桥桥臂臂电电阻阻阻阻值值大大小小无无关。关。 电阻应变片传感器优秀课件应变式传感器 3. 非线性误差及其补偿方法非线性误差及其补偿方法 略去分母中的R1/R1项，电桥输出电压与电阻相对变化成正比的理想情况下得到的，实际情况则应按
18、下式计算， 即 与与R1/R1的关系是非线性的，非线性误差为的关系是非线性的，非线性误差为 电阻应变片传感器优秀课件应变式传感器如果是四等臂电桥，如果是四等臂电桥，R1=R2=R3=R4，即，即n=1， 则则 对对于于一一般般应应变变片片来来说说，所所受受应应变变通通常常在在5000以以下下，若若取取K=2，则则R1/R1=0.01，代代入入式式计计算算得得非非线线性性误误差差为为0.5%；若若K=100(半半导导体体应应变变片片)，=1000时时，R1/R1=0.1，则则得得到到非非线线性性误误差差为为5%，故故当当非非线线性性误误差不能满足测量要求时，必须予以消除。差不能满足测量要求时，必
19、须予以消除。 电阻应变片传感器优秀课件应变式传感器差动电桥 为了减小和克服非线性误差，常采用差动电桥如图所示，为了减小和克服非线性误差，常采用差动电桥如图所示，电阻应变片传感器优秀课件应变式传感器在在试试件件上上安安装装两两个个工工作作应应变变片片，一一个个受受拉拉应应变变，一一个个受受压压应应变变， 接接入入电电桥桥相相邻邻桥桥臂臂，称称为为半半桥桥差差动动电电路路， 如如图图所所示示。 该该电电桥桥输输出电压为出电压为 若R1=R2，R1=R2，R3=R4，则得 由由式式可可知知，Uo与与R1/R1成成线线性性关关系系，差差动动电电桥桥无无非非线线性性误误差差，而而且且电电桥桥电电压压灵灵
20、敏敏度度KU=E/2，是是单单臂臂工工作作时时的的两两倍，同时还具有温度补偿作用。倍，同时还具有温度补偿作用。 电阻应变片传感器优秀课件应变式传感器 若若将将电电桥桥四四臂臂接接入入四四片片应应变变片片，如如图图所所示示，即即两两个个受受拉拉应应变变，两两个个受受压压应应变变，将将两两个个应应变变符符号号相相同同的的接接入入相相对对桥桥臂臂上上，构构成成全全桥桥差差动动电电路路。若若R1=R2=R3=R4，且且R1=R2=R3=R4，则则 此时全桥差动电路不仅没有非线性误差，而且电压灵敏度为单片工作时的4倍，同时仍具有温度补偿作用。 电阻应变片传感器优秀课件应变式传感器根根据据直直流流电电桥桥
21、分分析析可可知知，由由于于应应变变电电桥桥输输出出电电压压很很小小，一一般般都都要要加加放放大大器器，而而直直流流放放大大器器易易于于产产生生零零漂漂，因因此此应应变电桥多采用交流电桥。变电桥多采用交流电桥。 3.4.2 交流电桥交流电桥电阻应变片传感器优秀课件应变式传感器4.5 应变式传感器的应用应变式传感器的应用 1. 被测物理量为荷重或力的应变式传感器时，2.各种电子称与材料试验机的测力元件、 发动机的推力测试、 水坝坝体承载状况监测等。 应应变变式式力力传传感感器器要要求求有有较较高高的的灵灵敏敏度度和和稳稳定定性性，当传感器在受到侧向作用力或力的作用点少量变化时，不应对输出有明显的影
22、响。 4.5.1 应变式力传感器应变式力传感器电阻应变片传感器优秀课件应变式传感器 圆柱（筒）式力传感器（a） 柱式；（b） 筒式；（c） 圆柱面展开图；（d） 桥路连线图 1. 柱（筒）式力传感器柱（筒）式力传感器电阻应变片传感器优秀课件应变式传感器 2.悬臂梁应变式电子秤悬臂梁应变式电子秤上下表面的应变片也上下表面的应变片也随之拉伸和缩短。得随之拉伸和缩短。得到正负相间的电阻值到正负相间的电阻值的变化，接入桥路后，的变化，接入桥路后，就能产生输出电压就能产生输出电压电阻应变片传感器优秀课件应变式传感器4.5.3 应变式容器内液体重量传感器应变式容器内液体重量传感器两只提高两只提高灵敏度，灵敏度，正向串接的双正向串接的双电桥电路电桥电路电阻应变片传感器优秀课件应变式传感器 应应变变式式加加速速度度传传感感器器主主要要用用于于物物体体加加速速度度的的测测量量。其其基基本本工工作作原原理理是是：物物体体运运动动的的加加速速度度与与作作用用在在它它上上面面的力成正比，的力成正比， 与物体的质量成反比，即与物体的质量成反比，即a=F/m。 为为了了调调节节振振动动系系统统阻阻尼尼系系数，数， 在壳体内充满硅油。在壳体内充满硅油。 4.5.4 应变式加速度传感器应变式加速度传感器电阻应变片传感器优秀课件
