应变式传感器改课件

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1、第第4 4章章 应变式传感器应变式传感器 第第4章章 应变式传感器应变式传感器n基本描述基本描述利用电阻应变片将应变转换为电阻变化的传感器利用电阻应变片将应变转换为电阻变化的传感器n主要用途主要用途测量力、力矩、压力、加速度、重量等测量力、力矩、压力、加速度、重量等n本章内容本章内容n工作原理及性能工作原理及性能n了解传感器结构、种类了解传感器结构、种类n掌握测量电路以及补偿方法掌握测量电路以及补偿方法n了解应变式传感器的应用了解应变式传感器的应用应变式传感器改课件第第4 4章章 应变式传感器应变式传感器概述概述 电阻式应变传感器作为测力的主要传感器，测电阻式应变传感器作为测力的主要传感器，测

2、力范围小到肌肉纤维，大到登月火箭，精确度可到力范围小到肌肉纤维，大到登月火箭，精确度可到 0.010.1%0.010.1%。有拉压式（柱、筒、环元件）、弯曲。有拉压式（柱、筒、环元件）、弯曲式、剪切式。式、剪切式。 应变式传感器特征：应变式传感器特征：不同材料类型不同材料类型: :金属应变片、半导体应变片金属应变片、半导体应变片应用范围应用范围: :应变力、压力、转矩、位移、加速度；应变力、压力、转矩、位移、加速度；主要优点主要优点: :使用简单、精度高、范围大体积小。使用简单、精度高、范围大体积小。应变式传感器改课件第第4 4章章 应变式传感器应变式传感器各种电子秤各种电子秤广泛应用于广泛应

3、用于应变式传感器改课件第第4 4章章 应变式传感器应变式传感器概述概述概述概述高高精精度度电电子子汽汽车车衡衡 动态电子秤动态电子秤电子天平电子天平应变式传感器改课件第第4 4章章 应变式传感器应变式传感器概述概述概述概述机械秤包装机机械秤包装机吊秤吊秤应变式传感器改课件第第4 4章章 应变式传感器应变式传感器n电阻应变片电阻应变片金属材料和半导体材料金属材料和半导体材料4.1 应变式传感器的工作原理应变式传感器的工作原理应变式传感器改课件第第4 4章章 应变式传感器应变式传感器n电阻式传感器的基本原理：电阻式传感器的基本原理：将被测物理量的变化转换成电阻将被测物理量的变化转换成电阻值的变化值

4、的变化, ,再经相应的测量电路显示或记录被测量值的变化。再经相应的测量电路显示或记录被测量值的变化。种类繁多、应用广泛。种类繁多、应用广泛。n电阻应变式传感器电阻应变式传感器是基于测量物体受力变形所产生应变的一是基于测量物体受力变形所产生应变的一种传感器种传感器, ,最常用的最常用的传感元件为电阻应变片传感元件为电阻应变片。 应用范围：应用范围：用于位移、加速度、力、压力、力矩等各种参数用于位移、加速度、力、压力、力矩等各种参数测量。测量。4.1 应变式传感器的工作原理应变式传感器的工作原理应变式传感器改课件第第4 4章章 应变式传感器应变式传感器n电阻应变式传感器电阻应变式传感器特点：特点：

5、精度高、测量范围广；精度高、测量范围广；使用寿命长、性能稳定可靠；使用寿命长、性能稳定可靠；结构简单，体积小、重量轻；结构简单，体积小、重量轻；频率响应较好，既可用于静态测量又可用于动态测量；频率响应较好，既可用于静态测量又可用于动态测量；价格低廉，品种多样，便于选择和大量使用。价格低廉，品种多样，便于选择和大量使用。4.1 应变式传感器的工作原理应变式传感器的工作原理应变式传感器改课件第第4 4章章 应变式传感器应变式传感器n对于金属材料对于金属材料 电阻应变效应电阻应变效应金属导体金属导体在外力作用下发生机械形变时在外力作用下发生机械形变时, ,其其阻值阻值随着所受机械变形随着所受机械变形

6、( (伸长或缩短伸长或缩短) )的变化而发生变化的现象。的变化而发生变化的现象。n对于半导体材料对于半导体材料 压阻效应压阻效应半导体半导体材料在受到外力作用时材料在受到外力作用时, ,其其电阻率电阻率 发生变化的发生变化的现象。现象。4.1 应变式传感器的工作原理应变式传感器的工作原理应变式传感器改课件第第4 4章章 应变式传感器应变式传感器4.1 应变式传感器的工作原理应变式传感器的工作原理求R的全微分对于金属和半导体材料，上两项的不同对于金属和半导体材料，上两项的不同 ？图图4-1 4-1 金属丝应变效应金属丝应变效应电阻丝的电阻电阻丝的电阻R R为为应变式传感器改课件第第4 4章章 应

7、变式传感器应变式传感器4.1 应变式传感器的工作原理应变式传感器的工作原理电阻变化电阻变化电阻丝几何尺寸变化引起的电阻丝几何尺寸变化引起的电阻丝电阻率变化引起的电阻丝电阻率变化引起的1.对于金属材料对于金属材料,电阻率几乎不变电阻率几乎不变2.对于半导体材料对于半导体材料,压电效应为主压电效应为主电阻应变效应电阻应变效应压阻效应压阻效应应变式传感器改课件第第4 4章章 应变式传感器应变式传感器n定义：定义：电阻丝的灵敏度系数电阻丝的灵敏度系数K表示单位应变所引起的电阻相对变化。表示单位应变所引起的电阻相对变化。金属材料金属材料 取值为取值为2左右，常数左右，常数半导体材料半导体材料 取值为取值

8、为50100之间，易受之间，易受温度影响。温度影响。4.1 应变式传感器的工作原理应变式传感器的工作原理应变式传感器改课件第第4 4章章 应变式传感器应变式传感器4.2 电阻应变片的特性电阻应变片的特性n(1)种类及结构种类及结构n(2)电阻应变片性能参数电阻应变片性能参数n(3)灵敏系数灵敏系数n(4)横向效应横向效应n(5) 应变片的温度误差及补偿应变片的温度误差及补偿应变式传感器改课件第第4 4章章 应变式传感器应变式传感器(1)种类及结构种类及结构n种类：丝式、箔式、半导体式和薄膜式电阻应变片。种类：丝式、箔式、半导体式和薄膜式电阻应变片。薄膜式应变片是今后发展的方向薄膜式应变片是今后

9、发展的方向应变式传感器改课件第第4 4章章 应变式传感器应变式传感器丝式应变片：丝式应变片：金属电阻应变片的典型结构金属电阻应变片的典型结构。将一根高电阻率金属丝。将一根高电阻率金属丝( (直径直径0.0250.025mmmm左右左右) )绕成栅形绕成栅形, ,粘贴在绝缘的基片和覆盖层之间并引粘贴在绝缘的基片和覆盖层之间并引出导线构成。出导线构成。4-2？栅形？栅形结构结构为了获得大的电为了获得大的电阻变化量阻变化量(1)种类及结构种类及结构丝式丝式应变式传感器改课件第第4 4章章 应变式传感器应变式传感器n丝式应变片制作简单、性能稳定、成本低、易粘贴。分为丝绕式丝式应变片制作简单、性能稳定、

10、成本低、易粘贴。分为丝绕式和短接式。和短接式。n丝绕式应变片因圆弧部分参与变形丝绕式应变片因圆弧部分参与变形,横向效应横向效应较大；较大；n短接式应变片敏感栅平行排列短接式应变片敏感栅平行排列,两端用直径比栅线直径大两端用直径比栅线直径大510被被的镀银丝短接而成的镀银丝短接而成,克服了横向效应。克服了横向效应。(1)种类及结构种类及结构丝式丝式应变式传感器改课件第第4 4章章 应变式传感器应变式传感器 1）敏感栅 直径为0.025mm左右的合金电阻丝丝绕式 丝绕式 2）基 底 绝缘 3）覆盖层 保护 4）引线 与外电路相连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

11、变化 应变片应变式传感器改课件第第4 4章章 应变式传感器应变式传感器n箔式应变片：箔式应变片：利用照相制版或光刻技术利用照相制版或光刻技术,将厚度约为将厚度约为0.0030.01mm的金属箔片制成敏感栅。的金属箔片制成敏感栅。(1)种类及结构种类及结构箔式箔式应变式传感器改课件第第4 4章章 应变式传感器应变式传感器n箔式应变片优点箔式应变片优点:n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,适应不同的测量要求。适应不同的测量要求。n横向效应小横向效应小n散热条件好散热条件好,允许电流大允许电流大,提高了输出灵敏度提高了输出灵敏度n生产效率高生产效率高,便于实现

12、自动化生产便于实现自动化生产 目前使用的金属应变片大多是金属箔式应变片目前使用的金属应变片大多是金属箔式应变片。(1)种类及结构种类及结构箔式箔式应变式传感器改课件第第4 4章章 应变式传感器应变式传感器n半导体应变片半导体应变片n 特性与金属应变片相比较特性与金属应变片相比较n优点：优点：n灵敏度高；灵敏度高；n横向效应小、体积小、频响高；横向效应小、体积小、频响高；n易于集成易于集成n缺点：缺点：n温度稳定性能差；温度稳定性能差；n灵敏度分散度大；灵敏度分散度大；n在较大应力作用下在较大应力作用下,非线性误差大。非线性误差大。n机械强度低机械强度低(1)种类及结构种类及结构半导体式半导体式

13、应变式传感器改课件第第4 4章章 应变式传感器应变式传感器n1)1)电阻值：应变片原始阻值电阻值：应变片原始阻值标准化标准化,120 ,120 常用。常用。n2)2)几何参数：敏感栅基长几何参数：敏感栅基长 和宽度和宽度b,b,制造厂常用制造厂常用n3)3)灵敏系数灵敏系数k k：表示应变片变换性能的重要参数。：表示应变片变换性能的重要参数。n4)4)绝缘电阻：应变片与试件间的阻值绝缘电阻：应变片与试件间的阻值, ,越大越好越大越好, ,一般为一般为10101010n5)5)其他性能参数其他性能参数( (允许电流、工作温度、应变极限、滞后、蠕变、允许电流、工作温度、应变极限、滞后、蠕变、零漂以

14、及疲劳寿命、横向灵敏度等零漂以及疲劳寿命、横向灵敏度等) )(2)电阻应变片性能参数电阻应变片性能参数应变式传感器改课件第第4 4章章 应变式传感器应变式传感器(3)灵敏系数灵敏系数Kn定义定义K=(K=(R/R)/R/R)/x x为应变片的灵敏系数。它表示安装在被测试件为应变片的灵敏系数。它表示安装在被测试件上的应变在其轴向受到单向应力时上的应变在其轴向受到单向应力时, ,引起的电阻相对变化引起的电阻相对变化( (R/R)R/R)与其单向应力引起的试件表面轴向应变与其单向应力引起的试件表面轴向应变(x x) )之比。之比。n注：注：应变片的灵敏系数并不等于其敏感栅整长应变丝的灵敏系数，应变片

15、的灵敏系数并不等于其敏感栅整长应变丝的灵敏系数，这是因为栅端圆弧部分存在这是因为栅端圆弧部分存在横向效应横向效应。电阻丝轴向相对变形，或称纵向应变电阻丝轴向相对变形，或称纵向应变,电阻电阻电阻丝径向相对变形，或称横向应变，电阻电阻丝径向相对变形，或称横向应变，电阻应变式传感器改课件第第4 4章章 应变式传感器应变式传感器(4)横向效应横向效应4 - 3n横向效应横向效应栅状结构敏感栅栅状结构敏感栅的电阻变化一定小于的电阻变化一定小于纯直线敏感栅纯直线敏感栅的电阻变化的现象。的电阻变化的现象。产生原因：产生原因：应变片的纵向应与测量的形变方向一致；应变片的纵向应与测量的形变方向一致；圆弧部分产生

16、了一个负的电阻变化圆弧部分产生了一个负的电阻变化降低了应变片的灵敏度系数降低了应变片的灵敏度系数必须采取措施减小横向效应的影响必须采取措施减小横向效应的影响(改进结构等改进结构等)应变式传感器改课件第第4 4章章 应变式传感器应变式传感器(5)应变片的温度误差及补偿应变片的温度误差及补偿n温度误差温度误差由于测量现场环境温度的改变而给测量带来由于测量现场环境温度的改变而给测量带来的附加误差的附加误差n(1)电阻温度效应电阻温度效应n(2)试件材料和电阻丝材料的线膨胀系数的影响试件材料和电阻丝材料的线膨胀系数的影响n(3)温度系数和线膨胀系数引起的虚应变温度系数和线膨胀系数引起的虚应变 当温度变

17、化当温度变化 时时 应变式传感器改课件第第4 4章章 应变式传感器应变式传感器 敏感栅的电阻丝阻值随温度变化的关系可用下式表示：敏感栅的电阻丝阻值随温度变化的关系可用下式表示： Rt=R0（ 1+t） 式中式中: Rt温度为温度为 t 时的电阻值时的电阻值; R0温度为温度为t0时的电阻值时的电阻值; 金属丝的电阻温度系数金属丝的电阻温度系数; t温度变化值温度变化值, t=t -t0。（1) 电阻温度系数的影响电阻温度系数的影响当温度变化当温度变化t时时, 电阻丝电阻的变化值为电阻丝电阻的变化值为 Rt=Rt- R0= R0t （1）应变式传感器改课件第第4 4章章 应变式传感器应变式传感器

18、(5)应变片的温度误差及补偿应变片的温度误差及补偿n(2)(2)试件材料和电阻丝材料的线膨胀系数的影响试件材料和电阻丝材料的线膨胀系数的影响 设：电阻丝和试件温度设：电阻丝和试件温度00时的长度为时的长度为L L0 0，温度变化后的长，温度变化后的长度分别为：度分别为： 电阻丝电阻丝试件试件附加应变附加应变附加电阻变化附加电阻变化相对变相对变化总量化总量对应虚应变对应虚应变应变式传感器改课件第第4 4章章 应变式传感器应变式传感器n1.1.自补偿法自补偿法n1)1)选择自补偿选择自补偿敏感栅材料与试件材料敏感栅材料与试件材料n2)2)组合式自补偿组合式自补偿(5)电阻应变片的温度补偿方法电阻应

19、变片的温度补偿方法应变式传感器改课件第第4 4章章 应变式传感器应变式传感器当被测试件的线膨胀系数当被测试件的线膨胀系数g g已知时已知时, , 如果合理选择敏感栅如果合理选择敏感栅材料材料, , 即选择其电阻温度系数即选择其电阻温度系数0 0、灵敏系数、灵敏系数K K0 0和线膨胀系和线膨胀系数数s s, , 使式使式0 0/K/K0 0+(+(g g- -s s)=0)=0成立成立, , 则不论温度如何变化则不论温度如何变化, , 均有均有RRt t/ R/ R0 0=0, =0, 从而达到温度自补偿的目的。从而达到温度自补偿的目的。(5)电阻应变片的温度补偿方法电阻应变片的温度补偿方法n

20、1)1)选择自补偿选择自补偿利用自身具有温度自补偿作用应变利用自身具有温度自补偿作用应变片片应变式传感器改课件第第4 4章章 应变式传感器应变式传感器(5)电阻应变片的温度补偿方法电阻应变片的温度补偿方法n2.2.桥路补偿法桥路补偿法利用利用电桥的和差特性电桥的和差特性。在不受力的试件上。在不受力的试件上粘贴另一个应变片粘贴另一个应变片初始状态初始状态 Uo=A（R1 R4- RB R3）=0 温度变化后温度变化后Uo=A（R1+R1t）R4-(RB+RBt)R3=0承受应变后承受应变后Uo=A（R1+R1t+R1）R4-(RB+RBt)R3=AR1R4 = AR1R4KR1=RBR3=R4应

21、变式传感器改课件第第4 4章章 应变式传感器应变式传感器U0R1R4R3URbFFR1（工作应变片）（工作应变片）Rb （补偿应变片）（补偿应变片）R1 +RRb +RU0R1RR4R3URb+R应变式传感器改课件第第4 4章章 应变式传感器应变式传感器T K（电桥灵敏度）RtUiR1RR4R3U0R2RtR5 分流电阻分流电阻 UURt U = Ui - URtK(5)电阻应变片的温度补偿方法电阻应变片的温度补偿方法n3.热敏电阻补偿法热敏电阻补偿法热敏电阻适当分压热敏电阻适当分压热敏电阻阻值随温度变化而变化，使其分压与热敏电阻阻值随温度变化而变化，使其分压与温度变化引起输出变化方向相反温度

22、变化引起输出变化方向相反( (选择具有选择具有负负温度系数温度系数的热敏电阻的热敏电阻) )应变式传感器改课件第第4 4章章 应变式传感器应变式传感器4.3 电阻应变片的测量电路电阻应变片的测量电路n(1)直流电桥直流电桥n单臂电路单臂电路n半桥电路半桥电路n全桥电路全桥电路n(2)交流电桥交流电桥n单臂电路单臂电路n半桥电路半桥电路n全桥电路全桥电路应变式传感器改课件第第4 4章章 应变式传感器应变式传感器 电阻应变片将应变转换为电阻的变化量电阻应变片将应变转换为电阻的变化量, ,测量电路将电阻的变测量电路将电阻的变化再转换为电压或电流信号化再转换为电压或电流信号, ,最终实现被测量的测量。

23、最终实现被测量的测量。1.1.测量电桥测量电桥 电桥按其电源性质的不同可分为电桥按其电源性质的不同可分为直流电桥直流电桥和和交流电桥交流电桥。直流电。直流电桥只能测量电阻桥只能测量电阻, ,而交流电桥可用于测量电阻、电感和电容的变化。而交流电桥可用于测量电阻、电感和电容的变化。4.3 电阻应变片的测量电路电阻应变片的测量电路应变式传感器改课件第第4 4章章 应变式传感器应变式传感器n直流电桥的工作原理直流电桥的工作原理n输出输出n平衡条件平衡条件 工作时，各桥臂阻值发生变化工作时，各桥臂阻值发生变化,则输出则输出电桥灵敏度定义为：电桥灵敏度定义为： 实际使用中实际使用中,为了简化桥路设计为了简

24、化桥路设计,同事也为了得到电桥的最大灵同事也为了得到电桥的最大灵敏度敏度,通常通常R R1 1=R=R2 2=R=R3 3=R=R4 4=R=Rx x。即为即为等臂电桥等臂电桥。4.3 电阻应变片的测量电路电阻应变片的测量电路应变式传感器改课件第第4 4章章 应变式传感器应变式传感器n前提前提n由于由于U与与R/R是非线性关系，故测量中不可避免会存在非是非线性关系，故测量中不可避免会存在非线性误差，为消除非线性误差，常采用以下两种电路：线性误差，为消除非线性误差，常采用以下两种电路：n(1)半桥半桥n(2)全桥全桥4.3 电阻应变片的测量电路电阻应变片的测量电路应变式传感器改课件第第4 4章章

25、 应变式传感器应变式传感器n电桥的连接方式电桥的连接方式1) 1) 半桥单臂半桥单臂 2) 2)半桥双臂半桥双臂 3) 3)全桥全桥4.3 电阻应变片的测量电路电阻应变片的测量电路应变式传感器改课件第第4 4章章 应变式传感器应变式传感器n1)1)半桥单臂半桥单臂 输出输出很小，故很小，故令令又又灵敏度为：灵敏度为： 等臂半桥灵敏度为：等臂半桥灵敏度为： 4.3 电阻应变片的测量电路电阻应变片的测量电路应变式传感器改课件第第4 4章章 应变式传感器应变式传感器n2)半桥双臂半桥双臂(一个受拉、一个受压一个受拉、一个受压)等臂输出时等臂输出时等臂半桥灵敏度为：等臂半桥灵敏度为： Uo与（与（R1

26、/R1）呈）呈线性关系线性关系, 差动差动电桥无非线性误差电桥无非线性误差, 而且电桥电压而且电桥电压灵敏度灵敏度KU=E/2,比单臂工作时提高比单臂工作时提高一倍一倍, 同时还具有温度补偿作用。同时还具有温度补偿作用。4.3 电阻应变片的测量电路电阻应变片的测量电路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特点特点应变式传感器改课件第第4 4章章 应变式传感器应变式传感器n3)全桥接法全桥接法(两个受拉、两个受压两个受拉、两个受压,应变符号相同接入相对桥臂应变符号相同接入相对桥臂) 等臂输出电压等臂输出电压等臂半桥灵敏度为：等臂半桥灵敏度为： 此时全桥差动电路不仅没有非线性此时全桥

27、差动电路不仅没有非线性误差误差, ,而且电压灵敏度是单臂的而且电压灵敏度是单臂的 4 4 倍倍, ,同时仍具有温度补偿作用。同时仍具有温度补偿作用。4.3 电阻应变片的测量电路电阻应变片的测量电路严格的线性关系电桥灵敏度比单臂时提高4倍温度补偿作用特点特点应变式传感器改课件第第4 4章章 应变式传感器应变式传感器n电桥的工作特性：电桥的工作特性：n1)1)不同的接桥方式具有不同的电桥灵敏度不同的接桥方式具有不同的电桥灵敏度, ,尽量采用尽量采用半桥双臂或全半桥双臂或全桥桥方式方式n在在 条件下条件下, ,电桥的输出与电桥的输出与 成正比；成正比；n全桥接法可以获得最大的输出全桥接法可以获得最大

28、的输出, ,其灵敏度是半桥单臂接法的其灵敏度是半桥单臂接法的4 4倍。倍。4.3 电阻应变片的测量电路电阻应变片的测量电路应变式传感器改课件第第4 4章章 应变式传感器应变式传感器n电桥的工作特性：电桥的工作特性：n2)2)电桥的和差特性电桥的和差特性 全桥接法：全桥接法：4 4桥臂均为工作应变片桥臂均为工作应变片相邻桥臂相邻桥臂: :应变极性相同时应变极性相同时, ,电桥输出电压与两应变差有关；应变极性电桥输出电压与两应变差有关；应变极性相反时相反时, ,电桥输出电压与两应变和有关。电桥输出电压与两应变和有关。相对桥臂相对桥臂: :输出电压与应变的关系和相邻桥臂正好相反。输出电压与应变的关系

29、和相邻桥臂正好相反。4.3 电阻应变片的测量电路电阻应变片的测量电路应变式传感器改课件第第4 4章章 应变式传感器应变式传感器n电桥和差特性的实际应用：电桥和差特性的实际应用：n1.1.提高灵敏度提高灵敏度半桥双臂或全桥连接半桥双臂或全桥连接 相对桥臂：同极性相对桥臂：同极性 相邻桥臂：反极性相邻桥臂：反极性n2.2.实现温度补偿实现温度补偿全桥自动补偿全桥自动补偿 半桥双臂：半桥双臂：邻臂邻臂( (同一温度场同一温度场) )n3.3.消除非测量载荷的干扰影响消除非测量载荷的干扰影响4.3 电阻应变片的测量电路电阻应变片的测量电路应变式传感器改课件第第4 4章章 应变式传感器应变式传感器n例如

30、：例如：R1、R3为应变片，为应变片，R1受拉、受拉、R3受压受压设设测量测量F F消除扭矩消除扭矩M M的影响的影响4.3 电阻应变片的测量电路电阻应变片的测量电路应变式传感器改课件第第4 4章章 应变式传感器应变式传感器小结小结 单臂桥单臂桥输出电压输出电压灵敏度灵敏度是否有非是否有非线性误差线性误差电桥种类电桥种类有有半桥半桥全桥全桥无无无无应变式传感器改课件第第4 4章章 应变式传感器应变式传感器例例 4-1 4-1 图图4-7(4-7(a a) )为传感器上的圆形实芯弹性体为传感器上的圆形实芯弹性体, ,四个应变片粘贴四个应变片粘贴方向为方向为R R1 1、R R4 4轴向轴向R R

31、2 2, ,R R3 3圆周向。应变片的初始值圆周向。应变片的初始值R R1 1= =R R2 2= =R R3 3= =R R4 4=100 =100 ,灵敏度系数灵敏度系数K K=2,=2,弹性体的泊松系数弹性体的泊松系数=0.285,=0.285,当弹性体受拉时当弹性体受拉时, ,测得测得R R1 1、R R4 4的变化为的变化为R R1 1=R R4 4=0.2 ,=0.2 ,如将四个应变片如图如将四个应变片如图4-7(4-7(b b) )所示接入直流电桥所示接入直流电桥, ,当电桥供压当电桥供压U U=2 V=2 V时时, ,试求电桥的输出试求电桥的输出U Uo o。例题例题 图图

32、4-7 4-7 例例4-14-1应变片的粘贴与接法应变片的粘贴与接法应变式传感器改课件第第4 4章章 应变式传感器应变式传感器解解: : 因为弹性体受拉时因为弹性体受拉时, ,R R1 1、R R4 4受到拉伸受到拉伸, ,圆周向圆周向R R2 2、R R3 3受压缩受压缩, ,拉伸压缩比取决于泊松比拉伸压缩比取决于泊松比, ,所以需要先求得轴向的拉伸应变所以需要先求得轴向的拉伸应变, ,再计再计算圆周向的压缩应变。算圆周向的压缩应变。轴向应变量为轴向应变量为 圆周圆周s s向的应变向的应变为为所以所以, ,与圆半径的相对变化等比，由泊松比的定义有与圆半径的相对变化等比，由泊松比的定义有例题例

33、题 4-1应变式传感器改课件第第4 4章章 应变式传感器应变式传感器由式由式(4-6)(4-6)得到得到R R3 3=R R2 2= =K KR R2 2=-0.057 =-0.057 写出全桥的输出电压表达式，代入数据后得：写出全桥的输出电压表达式，代入数据后得：例题例题4-1 应变式传感器改课件第第4 4章章 应变式传感器应变式传感器2.交流电桥交流电桥供桥电压：交流供桥电压：交流优点：消除零漂优点：消除零漂平衡条件：平衡条件： 即即和和图图4-8 4-8 交流电桥交流电桥当应力变化引起当应力变化引起Z Z1 1= Z= Z0 0+Z+Z，Z Z2 2=Z=Z0 0-Z-Z变化时变化时电桥

34、输出为电桥输出为 应变式传感器改课件第第4 4章章 应变式传感器应变式传感器4.4应变式传感器的应用（应变式传感器的应用（1）134-10应变式传感器改课件第第4 4章章 应变式传感器应变式传感器柱柱式式力力传传感感器器 应变式力传感器应变式力传感器（a）实心圆柱；（）实心圆柱；（b）空心圆筒；）空心圆筒； 应变式传感器改课件第第4 4章章 应变式传感器应变式传感器R5R8R7R6R1R2R3R4R5R8R7R6R1R2R3R4UoUF空心空心实心实心应变式传感器改课件第第4 4章章 应变式传感器应变式传感器(2)梁式力传感器梁式力传感器等截面梁 结构简单，易加工，灵敏度高适合于测5000N以

35、下的载荷 b0R1R1R4R4l l0 0l lF Fb bh 等等截截面面悬悬臂臂梁梁应变式传感器改课件第第4 4章章 应变式传感器应变式传感器b0R1R1R4R4X Xl lF Fb bh 等等强强度度悬悬臂臂梁梁 当在自由端受力时，在梁上各处当在自由端受力时，在梁上各处产生的应变大小相等。产生的应变大小相等。应变式传感器改课件第第4 4章章 应变式传感器应变式传感器 双端固定梁应变式传感器改课件第第4 4章章 应变式传感器应变式传感器薄壁圆环式力传感器薄壁圆环式力传感器 特点：在外力作用下，各点的应力差别较大特点：在外力作用下，各点的应力差别较大 应变式传感器改课件第第4 4章章 应变式

36、传感器应变式传感器BK-2S称重称重传感器感器产品品详细介介绍采用国际流行的双梁式或剪切S梁结构，拉、压输出对称性好、 测量精度高、结构紧凑，安装方便，广泛用于机电结合秤、料斗秤、包装秤等各种测力、称重系统中 供桥电压 12VDC 输入阻抗 38020 输出阻抗 35010 绝缘电阻 2000M 工作温度 -10+50 应变式传感器改课件第第4 4章章 应变式传感器应变式传感器BK4轮辐式式传感器系列感器系列 采用采用轮辐式式结构，高度低，抗偏构，高度低，抗偏抗抗侧能力能力强，测量精度高，性能量精度高，性能稳定可靠安装方便，是大、中量程精定可靠安装方便，是大、中量程精度度传感器中的最佳形式，广

37、泛用于感器中的最佳形式，广泛用于各种各种电子衡器和各种力子衡器和各种力值测量，如量，如汽汽车衡、衡、轨道衡、吊勾秤、料斗秤道衡、吊勾秤、料斗秤技术参数 量程（t） 1，2，5，10，20，30，50 供桥电压 12VDC 灵敏度 152mV/V 输入阻抗 73020 非线性（%FS） 0.03, 0.05, 0.1 输出阻抗 70010 重复性（%FS） 0.03, 0.05, 0.1 绝缘电阻 2000M 滞后（%FS） 0.03, 0.05, 0.1 工作温度 -10+50 允许过负荷 120%FS 热零点偏移（%FS/10） 应变式传感器改课件第第4 4章章 应变式传感器应变式传感器2.

38、 2. 应变式压力传感器应变式压力传感器 trR4R3R1R2 UU0膜片P Pr rt tR1R2 R3R4rrtt膜片式压力传感器 应变式传感器改课件第第4 4章章 应变式传感器应变式传感器筒式压力传感器筒式压力传感器 测较大压力测较大压力 机床液压系统的压力（机床液压系统的压力（106107Pa），），枪炮的膛内压力（枪炮的膛内压力（108Pa），），动态特性和灵敏度主要由材料的动态特性和灵敏度主要由材料的E值和尺寸决定值和尺寸决定 R1R2R1R2应变式传感器改课件第第4 4章章 应变式传感器应变式传感器组合式压力传感器组合式压力传感器 应变片不直接粘贴在压力感受元件上应变片不直接粘贴

39、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。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。其缺点是固有频率低，不适于测量瞬态过程。应变式传感器改课件第第4 4章章 应变式传感器应变式传感器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应变式传感器改课件第第4 4章章 应变式传感器应变式传感器4.4应变式传感器的应用（应变式传感器的应用（2）15应变式传感器改课件第第4 4

40、章章 应变式传感器应变式传感器4.4应变式传感器的应用（应变式传感器的应用（3）图图4-11 4-11 液位高度或液体重量传感器液位高度或液体重量传感器应变式传感器改课件第第4 4章章 应变式传感器应变式传感器n将应变片粘贴于被测试件上将应变片粘贴于被测试件上, ,直接用来测定试件的应力或应变。直接用来测定试件的应力或应变。应变式传感器改课件第第4 4章章 应变式传感器应变式传感器n将应变片贴于弹性元件上将应变片贴于弹性元件上, ,与弹性元件一起构成应变式传感器与弹性元件一起构成应变式传感器, ,常常用来测量力、位移、压力、加速度等。用来测量力、位移、压力、加速度等。应变式传感器改课件第第4

41、4章章 应变式传感器应变式传感器应变式传感器改课件第第4 4章章 应变式传感器应变式传感器应变式传感器改课件第第4 4章章 应变式传感器应变式传感器应变式传感器改课件第第4 4章章 应变式传感器应变式传感器n4-14-1 什么是应变片的灵敏度系数？什么是电桥转换电路的灵敏什么是应变片的灵敏度系数？什么是电桥转换电路的灵敏度系数？如果测量系统的传感器由应变片和电桥转换电路组成，度系数？如果测量系统的传感器由应变片和电桥转换电路组成，那么传感器的灵敏度系数与前两者的灵敏度系数是什么关系？那么传感器的灵敏度系数与前两者的灵敏度系数是什么关系？n4-24-2 什么是横向效应什么是横向效应? ? 为什么

42、应变片的灵敏度系数比电阻丝的为什么应变片的灵敏度系数比电阻丝的灵敏度系数小？灵敏度系数小？n4-34-3 一应变片的电阻一应变片的电阻R R=120 =120 ，K K=2.05=2.05，用做最大应变为，用做最大应变为=800 =800 m/mm/m的传感元件。当弹性体受力变形至最大应变时，的传感元件。当弹性体受力变形至最大应变时，(1) (1) 求求R R和和R R/ /R R； ( (2) 2) 若将应变片接入电桥单臂，其余桥臂电阻均为若将应变片接入电桥单臂，其余桥臂电阻均为120 120 的固定的固定电阻，供桥电压电阻，供桥电压U U=3 V=3 V，求传感元件最大应变时单臂电桥的输出

43、，求传感元件最大应变时单臂电桥的输出电压电压U Uo o和非线性误差。和非线性误差。思考题与习题思考题与习题应变式传感器改课件第第4 4章章 应变式传感器应变式传感器n4-44-4 用等强度梁作为弹性元件的电子秤，在梁的上方贴一个用等强度梁作为弹性元件的电子秤，在梁的上方贴一个应变片，如题应变片，如题4-44-4图所示，应变片的灵敏度系数图所示，应变片的灵敏度系数K K=2,=2,每受每受1 kg1 kg力力在应变片处产生的平均应变在应变片处产生的平均应变=810=810-3-31/kg1/kg。已知电子秤未放。已知电子秤未放置重物时，应变片的初始电阻置重物时，应变片的初始电阻R R1 1=1

44、00=100，当电子秤上放置，当电子秤上放置500 g500 g重物时，求重物时，求 ( (1) 1) 应变片的电阻变化量应变片的电阻变化量R R1 1和相对变化和相对变化R R1 1/ /R R1 1；( (2) 2) 用单臂电桥做转换电路用单臂电桥做转换电路( (R R2 2= =R R3 3= =R R4 4=100 )=100 )，电桥电压，电桥电压U U=5 =5 V V时的输出电压时的输出电压U Uo o，以及考虑非线性因素时单臂电桥的实际输出，以及考虑非线性因素时单臂电桥的实际输出; ;( (3) 3) 用单臂电桥做转换电路导致的非线性误差。用单臂电桥做转换电路导致的非线性误差。

45、思考题与习题思考题与习题应变式传感器改课件第第4 4章章 应变式传感器应变式传感器题题 4-4 4-4 图图思考题与习题思考题与习题应变式传感器改课件第第4 4章章 应变式传感器应变式传感器n4-54-5 一电阻应变片一电阻应变片R R=120 =120 ，灵敏度系数，灵敏度系数K K=2=2，粘贴在某，粘贴在某钢质弹性元件上。已知电阻应变丝的材料为钢镍合金，其电钢质弹性元件上。已知电阻应变丝的材料为钢镍合金，其电阻温度系数为阻温度系数为20102010-6-6/，线膨胀温度系数为，线膨胀温度系数为16101610-6-6/; /; 钢质弹性元件的线膨胀系数为钢质弹性元件的线膨胀系数为1210

46、1210-6-6/。试求。试求: :(1) (1) 温度变化温度变化2020时，引起的附加电阻变化；时，引起的附加电阻变化；(2) (2) 单位温度变化引起的虚应变。单位温度变化引起的虚应变。思考题与习题思考题与习题应变式传感器改课件第第5 5章章 电感式传感器电感式传感器n如图所示如图所示, ,旋转的铁圆盘旋转的铁圆盘周边上有凸起部周边上有凸起部, ,设置磁设置磁铁铁NSNS使其夹着凸起部。使其夹着凸起部。每当凸起部转到磁铁中每当凸起部转到磁铁中间时间时, ,因空隙长变窄因空隙长变窄, ,故故磁通增加。这时在线圈磁通增加。这时在线圈接头处感应出的电压接头处感应出的电压, ,如如图图(b)(b

47、)。转速越大。转速越大,e,e也越也越大大( (高度大高度大) )。这个装置。这个装置就是就是转速传感器转速传感器, ,可用于可用于测定汽车发动机的转速。测定汽车发动机的转速。应变式传感器改课件第第5 5章章 电感式传感器电感式传感器n 汽油流量计汽油流量计 对于转速传感器对于转速传感器, ,在齿轮停止转动或转动得在齿轮停止转动或转动得非常慢时不能使用。这是因为感应不出电动势非常慢时不能使用。这是因为感应不出电动势, ,或者感应或者感应电动势太小。由钢、锑化合物制成的叫做磁阻元件的晶体电动势太小。由钢、锑化合物制成的叫做磁阻元件的晶体具有具有“磁场强处电阻大磁场强处电阻大”的性质。在磁铁上放置

48、磁阻元件的性质。在磁铁上放置磁阻元件, ,那么当铁的轮齿来到时磁场就变强、电阻增大那么当铁的轮齿来到时磁场就变强、电阻增大, ,产生与轮产生与轮齿通过数相同的电阻变化齿通过数相同的电阻变化( (有电流流过时有电流流过时, ,电流也变化电流也变化) )。汽油流量计就是利用了这个原理制成的。汽油流量计就是利用了这个原理制成的。 应变式传感器改课件第第5 5章章 电感式传感器电感式传感器n 假币检测仪假币检测仪 印刷纸币时使用了能感觉磁性的特印刷纸币时使用了能感觉磁性的特殊的磁性油墨，在检测器的磁场中放置磁阻元件，殊的磁性油墨，在检测器的磁场中放置磁阻元件，那么随纸币的移动磁阻元件的阻值依次发生变化。那么随纸币的移动磁阻元件的阻值依次发生变化。因而产生了检测这个变化波形就能测定假币的假币因而产生了检测这个变化波形就能测定假币的假币检测器。票据、支票的自动读取也基于这个原理。检测器。票据、支票的自动读取也基于这个原理。应变式传感器改课件