《传感器与检测技术第二章.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《传感器与检测技术第二章.ppt（32页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第第2 2章章 应变式传感器应变式传感器应变式传感器应变式传感器是电阻传感器的一种。是电阻传感器的一种。电阻传感器种类繁多，应用广泛，电阻传感器种类繁多，应用广泛，其基本原理是将被测物理量的其基本原理是将被测物理量的变化转换为电阻值的变化，再经变化转换为电阻值的变化，再经过相应的测量电路而最后显示被过相应的测量电路而最后显示被测量值的变化。测量值的变化。电阻式传感器电阻式传感器包括：电位器式、应变式、包括：电位器式、应变式、压阻式、压阻式、热电阻等热电阻等电阻元件电阻元件电阻元件电阻元件非电量非电量非电量非电量电阻变化电阻变化电阻变化电阻变化被测量：力、荷重、应变、位移、速度、加速度 2.1
2、2.1 应变式传感器工作原理应变式传感器工作原理 应变式传感器是由弹性元件、电阻应变片及外壳等主要部件组成的用来进行测量的装置，其中电阻应变片是应变式传感器的核心部件。1.定义应变式传感器的工作原理是基于电阻应变片的应变效应。2.原理等式两边微分 式中： 电阻的相对变化； 电阻率的相对变化； 金属丝长度相对变化。 金属丝横截面积的相对变化； 称为金属丝长度方向的应变或轴向应变；由于 = 为金属丝半径的相对变化，即径向应变。由材料力学知道，轴向应变与径向应变r 存在下列关系：式中：金属材料的泊松系数。金属材料电阻率相对变化与其体积相对变化之间有下列关系：式中：C 金属材料的某个常数，例如，康铜（
3、一种铜镍合金）丝，V 体积。式中：K对于一种金属材料在一定应变范围内为常数。称为金属丝的应变灵敏系数 或 应变片的测试原理：使用应变片测量应变或应力时，是将应变片牢固的粘贴在被测弹性试件上，当试件受外力变形时，应变片的金属敏感栅随之相应变形，从而引起应变片电阻的变化。 如果用测量电路和仪器测出应变片的电阻值变化R， 可得到被测试件的应变值，而根据应力-应变关系:式中：E 试件材料弹性模量； 试件的应力； 试件的应变。计算可得应力值。2.2 2.2 应变式传感器的结构类型及特性应变式传感器的结构类型及特性2.2.12.2.1应变式传感器结构类型应变式传感器结构类型1.应变式传感器的结构电阻应变片
4、主要：由电阻丝、基片、覆盖层和引出线四部分组成。1引出线；2覆盖层；3基片；4电阻丝 2.应变式传感器的类型 按应变片敏感栅所用的材料不同，划为 金属应变片 和半导体应变片两大类。 金属应变片分为体型（箔式、丝式）和薄膜型； 半导体应变片分为体型、薄膜型、扩散型、PN结型及其它型。 按应变片的工作温度不同，分为 常温应变片（-3060）、中温应变片（60300）、 高温应变片（300以上）和低温应变片（低于-30）等。 按应变片的用途不同，分为一般用途应变片和特殊用途应变片。 (1)电阻丝式应变片电阻丝式应变片的敏感元件是丝栅状的金属丝，金属丝弯曲部分可制成圆弧（U型）、锐角（V型）或直角（H
5、型），如图2.3所示。 图图2-22-2几种常见的电阻丝式应变片几种常见的电阻丝式应变片( (a)Ua)U型；型；( (b)Vb)V型；型；( (c)Hc)H型型(2)箔式应变片 箔式应变片的工作原理和结构与丝式应变片基本相同，但制造方法不同。 箔式应变片的优点：可制成任意形状的敏感栅；表面积大，散热性能好，可以允许通过比较大的电流；蠕变小，疲劳寿命高；便于成批生产且生产效率比较高等。(3)薄膜应变片 金属薄膜应变片是采用真空溅射或真空沉积的方法制成的。它可以将产生应变的金属或合金直接沉积在弹性元件上而不用粘合剂，这样应变片的滞后和蠕变均很小，灵敏度高。(4)半导体应变片 半导体应变片的工作原
6、理是基于半导体的压阻效应。 压阻效应是指对半导体施加应力时，半导体的电阻率会发生改变的现象。 半导体应变片由硅条、内引线、基底、电极和外引线等五部分构成。 硅条是感压部分；内引线连接硅条和电极，通常用金属丝制成；基底起支撑和绝缘作用，采用胶膜材料；电极用康铜箔；外引线用镀银铜线。图2.5半导体应变片结构图1硅条；2内引线；3基底；4电极；5外引线2.2.2 2.2.2 应变式传感器的特性应变式传感器的特性1.应变片电阻值(R) 应变片在没有粘贴及未参与变形前，在室温下测定的电阻值称为初始电阻值(单位为)。 应变片阻值有一定的系列，如60、120、250、350和1000，其中以120最为常用。
7、应变片电阻值的大小应与测量电路相配合。2.灵敏系数(K) 金属电阻丝的电阻相对变化与它所感受的应变之间具有线性关系，但金属丝做成应变片后，由于基片、粘合剂以及敏感栅的横向效应、电阻应变特性与单根金属丝将有所不同、必须重新用实验来测定。3.横向效应 应变片的灵敏系数K小于金属丝的灵敏系数K0。其原因除了粘合剂、基片传递变形失真外，主要是由于存在横向效应。图2-5敏感栅结构(a)敏感栅的结构；(b)圆弧处受应变的情况 最明显的是在=/2垂直方向的微段，按泊松比关系产生压应变Y。该微段电阻不仅不增加，反而减少。在圆弧的其他各微段上，感受的应变是由+x变化到-x的。这样，圆弧段的电阻变化，显然将小于同
8、样长度沿x方向的直线段的电阻变化。4.线性度 试件的应变和电阻的相对变化R/R,在理论上呈线性关系。但实际上，在大应变时，会出现非线性关系。 应变片的非线性度一般要求在0.05%或1%以内。5.应变极限 粘贴在试件上的应变片所能测量的最大应变值称为应变极限。6.零漂和蠕变 恒定温度下，粘贴在试件上的应变片，在不承受载荷的条件下，电阻随时间变化的特性称为应变片的零漂。 零漂的主要原因是敏感栅通过工作电流后的温度效应、应变片的内应力逐渐变化和粘接剂固化不充分等。 已粘贴的应变片，在温度保持恒定时，承受某一恒定的机械应变并在长时间的作用下，应变片的指示应变会随时间而变化，这种现象称为蠕变。7.最大工
9、作电流 最大工作电流是指允许通过应变片而不影响其工作的最大电流值。 工作电流大，应变片输出信号就大，因而灵敏度高。工作电流的选取，要根据散热条件而定，主要取决于敏感栅的几何形状和尺寸、截面的形状和大小、基底的尺寸和材料、粘合剂的材料和厚度以及试件的散热性能等。 通常允许电流值在静态测量时约取25mA左右。8.绝缘电阻 绝缘电阻指应变片引线与被测试件之间的电阻值，以兆欧计。9.电阻应变片的动态特性（略）10.应变片的温度误差及补偿(1)应变片的温度误差产生的原因 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。 产生的主要因素：敏感栅金属丝电阻本身随温度发生变化 敏感栅的
10、电阻丝阻值随温度变化的关系：式中：Rt温度为t时的电阻值； R0温度为t0时的电阻值； 金属丝的电阻温度系数； t 温度变化值，t =t-t0 。 当温度变化试件材料和电阻丝材料的线膨胀系数的影响 当试件与电阻丝材料的线膨胀系数相同时，不论环境温度如何变化，电阻丝的变形仍和自由状态一样，不会产生附加变形。 当试件和电阻丝线膨胀系数不同时，长度与温度关系：式中：l0温度为t0时的应变丝长度； lst 温度为t时应变丝自由膨胀后的长度； lgt 温度为t时应变丝下试件自由膨胀后的长度； s、g 应变丝与构件材料的线膨胀系数，即温度改变1时，其长度的相对变化； ls、lg 应变丝与构件的长度变化量。
11、 总的电阻变化: (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通常有线路补偿法和应变片自补偿两大类。线路补偿法电桥补偿图2-6 电桥补偿法的原理图(a)测量电路原理图；(b)补偿结构图图2-7 补偿片RB粘贴方法 应变片自补偿 粘贴在被测部位上的是一种特殊应变片，当温度变化时，产生的附加应变为零或者相互抵消，这种特殊的应变片称为温度自补偿应变片。a.选择式自补偿应变片 这种方法需要首先确定被测试件材料，然后根据被测部件材料选择合适的应变片敏感栅材料制作温度自补偿应变片进行温度补偿。b.双金属敏感栅自补偿应变片 图2-8 双金属敏感栅 2.32.3电阻应变片转换电路电阻应变片转换电路
12、 用于测量应变变化而引起的电阻变化的电路通常采用电桥电路， 根据电桥电源的不同，可分为直流电桥和交流电桥。 电桥电路的主要指标是桥路灵敏度、非线性和负载特性。2.3.1直流电桥直流电桥1. 直流电桥工作原理及平衡条件图2-9 直流电桥电路当电桥平衡时，Uo=0，则有 或上式称为电桥平衡条件。2.直流电桥输出电压灵敏度 当电桥中R1为电阻应变片，R2，R3，R4为电桥固定电阻，这就构成了单臂电桥。设桥臂比n=R2/R1=R4/R3，当R1/R11时，分母中R1/R1可忽略，则 设KV为单臂电桥输出电压灵敏度，其物理意义是，单位电阻相对变化量所引起电桥输出电压的变化量。设则从上式分析发现： (1)
13、电桥电压灵敏度正比于电桥供电电压，供电电压越高，电桥电压灵 敏度越高。 (2)电桥电压灵敏度是桥臂电阻比值n的函数，恰当地选择桥臂比n的值，保证电桥具有较高的电压灵敏度。 3.输出电压非线性误差 单臂电桥且R1=R2=R3=R4=R的输出电压时，桥路输出非线性误差。 输出电压实际值 ： 与理想化线性关系的相对非线性误差为 当时 ，上式按台劳级数展开，得略去高次项，有 减小和克服非线性误差，常采用差动电桥半桥差动电路 (a)半桥差动电路 在试件上安装两个工作应变片，一个受拉应变，一个受压应变，接入电桥相邻桥臂，称为半桥差动电路， 电桥输出电压：若R1=R2，R1=R2，R3=R4，则输出电压 电
14、压灵敏度KV为： 半桥电压灵敏度比单臂工作时提高了一倍，同时还具有温度补偿作用。 半桥差动电路全桥差动电路 (b)全桥差动电路 若R1=R2=R3=R4，且R1=R2=R3=R4，则输出电压： 则电压灵敏度KV为： 全桥差动电路不仅没有非线性误差，而且电压灵敏度是单臂时的4倍，同时仍具有温度补偿作用。2.3.22.3.2交流电桥交流电桥 由于应变电桥输出电压很小，一般都要加放大器，而直流放大器易产生零漂，因此应变电桥多采用交流电桥。图2-10交流电桥(a)半桥差动交流电桥；(b)半桥差动交流等效电桥 半桥差动交流等效电桥如图2-10(b)所示，则每一桥臂上复阻抗分别为 式中：C1、C2表示应变
15、片引线分布电容。 由交流电路分析可得： 要满足电桥平衡条件，即,则有 将代入得： 整理得令其实部、虚部分别相等，并整理可得交流电桥的平衡条件为： 及 这种交流电容电桥，除要满足电阻平衡条件外，还必须满足电容平衡条件。电桥平衡调节电路 图2-11交流电桥平衡调节 对这种交流电容电桥，除要满足电阻平衡条件外，还必须满足电容平衡条件。 当被测应力变化引起Z1=Z0+Z，Z2=Z0-Z变化时，则电桥输出为 2.4应变式传感器应用应变式传感器应用 电阻应变片除了能直接用于测量试件的应力、应变外，还可以和弹性敏感元件配合制成各种电阻应变式传感器，用来测量力、扭矩、加速度等物理量。2.4.1应变式测力传感器
16、应变式测力传感器图2-12柱式测力传感器的结构图1接线盒；2压头；3上盖；4膜片；5外壳；6过载保护套；7应变片；8圆筒；9底座；10下压头 图2-13柱式测力传感器的原理示意图 GYF4F型空心柱式传感器的结构图 梁式力传感器的结构 图2-14环式测力传感器的结构图1电缆；2接线盒；3压头；4弹性体；5保护盖；6膜片；7外壳；8应变片；9底座；10拉环图2-15梁式测力传感器的结构如图1压头；2上盖；3外壳；4弹性体；5应变片；6底座；7接线盒图2-16梁式力传感器(a)等截面梁；(b)等强度梁；(c)双孔梁；(d)S形梁 2.4.22.4.2压力传感器压力传感器测量流体压力的应变式传感器有膜片式，筒式，组合式等结构。 膜片式传感器的结构 图2-17膜片上的应力分布(a)膜片式传感器的结构图；(b)膜片的应变示意图2.4.32.4.3应变式扭矩传感器应变式扭矩传感器测量扭矩可以直接将应变片粘贴在被测轴上或采用专门设计的扭矩传感器 图2-18扭矩传感器(a)扭矩传感器测量原理；(b)扭矩测量电路图2.4.42.4.4应变式加速度传感器应变式加速度传感器 图2-19应变式加速度传感器1惯性质量；2弹性元件；3壳体及基座；4应变片
