第2章 应变式传感器3课件.ppt
2.1.3 应变式传感器的信号测量（调节）电路,1.测量电桥的工作原理 1)平衡电桥的工作原理,当电桥平衡时，Uo=0，则有,R1R4=R2R3,1,2.1.3 应变式传感器的信号测量（调节）电路 1.测量电,初始时，把R1用应变片代替，未发生应变时，通过选择R2，R3，R4的阻值使电桥平衡。当应变片发生应变时，由于应变片的阻值由R1变为（R1+R1），电桥不再平衡，固定R3，R4的阻值，可以通过调节R2，使电桥再次达到平衡。,（R1+R1）R4R2R3（R1+R1）R4=（R2+R2）R3 R1R4+R1 R4=R2R3+R2R3 R1 R4=R2R3,（1）两次平衡（2）通过改变桥臂比，可以改变量程应用：求出了R1，就可以求出相应的应变。,2,初始时，把R1用应变片代替，未发生应变时，通过选择R2，R3,2）不平衡电桥的工作原理初始平衡，若应变片电阻变化为R，其它桥臂固定不变，电桥输出电压Uo0，则电桥不平衡，输出电压为,初始平衡条件，假设n=R2/R1R4/R3，,R1R4=R2R3,略去分母中的微小项R1/R1，则有,3,2）不平衡电桥的工作原理初始平衡条件,电桥的电压灵敏度为：分析：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，但供电电压的提高受两方面的限制：一是应变片的允许温升；二是电桥电阻的温度误差。所以一般供电电压为13V。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。,4,电桥的电压灵敏度为：4,分析：由,可求Su的最大值,可知n=1时，Su为最大值。即在供桥电压确定后，当R1=R2，R3=R4时，电桥电压灵敏度最高，(一般取R1=R2=R3=R4)，此时有,？当U值确定后，n取何值时才能使Su最高？,应用：根据上式，如果已知应变，就可以求出输出电压；反之依然。,5,分析：由,2.非线性误差及其补偿方法,U0与R1/R1的关系是非线性的，非线性误差为,理想情况（略去分母中的R1/R1项）：,实际情况（保留分母中的R1/R1项）：,若n=1：,若n=1：,若n=1：,6,2.非线性误差及其补偿方法 U0与R1/R1,例如：对于一般应变片：所受应变通常在5000以下，若取应变片灵敏系数K=2，则R1/R1=K=0.01，计算得非线性误差为0.5%；若K=100，=1000时，R1/R1=0.1，则得到非线性误差为5%，故当非线性误差不能满足测量要求时，必须予以消除。,7,例如：7,图2-9 差动电桥,减小和消除非线性误差的方法(1)差动电桥,8,图2-9 差动电桥 减小和消除非线性误差的方法8,9,R4R3ACBUDUo半桥差动：在试件上安装两个工作应变片，,10,全桥差动：在试件上安装四个工作应变片，两个受拉应变，两个受压,（2）采用高内阻的恒流源电桥 1.电桥输出电压与电阻变化量的关系,解此方程组得：,输出电压为：,11,（2）采用高内阻的恒流源电桥解此方程组得：输出电压为：图2-,若,当第一桥臂电阻变为 时，电桥输出电压为：,若忽略，则此时,2.非线性误差,恒流源与恒压源电路相比，非线性误差减少一倍。,12,若当第一桥臂电阻变为 时，电桥输出电压,2.1.4 应变式传感器的应用,应变片能将应变直接转换成电阻的变化其他物理量（力、压力、加速度等），需先将这些量转换成应变弹性元件应变式传感器的组成：弹性元件、应变片、附件（补偿元件、保护罩等）,13,2.1.4 应变式传感器的应用 应变片能将应变直接转换成电,1.应变式力传感器被测物理量：荷重或力主要用途：作为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。力传感器的弹性元件：柱式、筒式、环式、悬臂式等,14,1.应变式力传感器14,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,15,圆柱（筒）式力传感器1）柱（筒）式力传感器15,2）环式力传感器,图 环式力传感器(a)环式传感器结构图；(b)应力分布,16,2）环式力传感器图 环式力传感器16,对R/h5的小曲率圆环：A、B两点的应变。,这样，测出A、B处的应变，即可得到载荷F。,内贴取“一”,内贴取“”,式中：h圆环厚度；b圆环宽度；E材料弹性模量。,17,对R/h5的小曲率圆环：A、B两点的应变。,主要用来测量流动介质的动态或静态压力。应变片压力传感器大多采用膜片式或筒式弹性元件。在压力p作用下，膜片产生径向应变r和切向应变t，表达式分别为,2.应变式压力传感器,18,主要用来测量流动介质的动态或静态压力。2.应变式压力传感器,图 膜片式压力传感器（a）应变变化图;（b）应变片粘贴,19,图 膜片式压力传感器19,应变变化曲线的特点：当x=0时，rmax=tmax；当x=R时，t=0，r=2rmax。,特点的应用：一般在平膜片圆心处切向粘贴R1、R4两个应变片，在边缘处沿径向粘贴R2、R3两个应变片，然后接成全桥测量电路。避开 位置。,20,应变变化曲线的特点：当x=0时，rmax=tmax；,感压膜感受上面液体的压力。当容器中溶液增多时，感压膜感受的压力就增大。将其上两个传感器Rt的电桥接成正向串接的双电桥电路，此时输出电压为,Uo=U1U2=(K1K2)hg,式中,K1，K2为传感器传输系数。,结论：电桥输出电压与柱式容器内感压膜上面溶液的重量成线性关系，因此可以测量容器内储存的溶液重量。,3.应变式容器内液体重量传感器,21,感压膜感受上面液体的压力。当容器中溶液增,图 应变片容器内液体重量传感器,22,图 应变片容器内液体重量传感器 22,用于物体加速度的测量。依据：a=F/m。,图 电阻应变式加速度传感器结构图,4.应变式加速度传感器,23,用于物体加速度的测量。图 电阻应变式加速度传感器结构,测量原理：将传感器壳体与被测对象刚性连接，当被测物体以加速度a 运动时，质量块受到一个与加速度方向相反的惯性力作用，使悬臂梁变形，该变形被粘贴在悬臂梁上的应变片感受到并随之产生应变，从而使应变片的电阻发生变化。电阻的变化引起应变片组成的桥路出现不平衡，从而输出电压，即可得出加速度a值的大小。适用范围：不适用于频率较高的振动和冲击场合，一般适用频率为1060 Hz范围。,24,测量原理：将传感器壳体与被测对象刚性连接，当,半导体、单晶2.2 压阻式传感器 用半导体应变片制作的传感器称为压阻式传感器。2.2.1 压阻效应 半导体材料在沿某一轴向受外力作用时，其电阻率发生很大变化的现象，称为半导体的压阻效应。2.2.2 工作原理 一个长为，横截面积为A,电阻率为的均匀条形半导体材料，其电阻值为,25,半导体、单晶25,当该均匀条形半导体材料受到一个沿长度方向的纵向应力时，它的几何形状和内部结构要发生变化，会引起电阻值的变化，通过对上式的全微分可求得它的电阻相对变化为：,压阻系数:半导体材料的电阻率的相对变化与应力成正比，二者的比例系数定义为压阻系数。即,式中 为半导体材料的压阻系数，它与半导体材料的种类及应力方向与晶轴方向之间的夹角有关：E为弹性模量，与晶向有关。,26,当该均匀条形半导体材料受到一个沿长度方向的纵向应力时，它,实验表明，对半导体材料而言，,所以：,半导体材料的应变灵敏系数为：,27,实验表明，对半导体材料而言，所以：半导体材料的应变灵敏系数为,2.2.3 测量桥路及温度补偿恒流源供电全桥差动电桥 假设 为温度引起的电阻变化，则输出电压为：,电桥的输出电压与电阻的变化成正比，与恒流源的电流成正比，但与温度无关，因此不受温度的影响。,28,ACBEDUo2.2.3 测量桥路及温度补偿恒流源供电,习题与思考题1.P19-202.解：,无应变时：,有应变时：,3.P22-244.直流电桥：直流电源供电的电桥，由被连接成四边形的四个电阻，其中一个对角线上接电源，另一个对角线上接电压检测器。,29,习题与思考题RU无应变时：有应变时：3.P22-2429,按桥臂的工作方式可分为：（1）电桥单臂变化（2）电桥相邻两臂同向变化（3）电桥相邻两臂反向变化（半差动电桥）（4）电桥四臂差动变化（全差动电桥）输出电压：P26-28,5.解：输出电压分别为：(1)(2),(3),30,按桥臂的工作方式可分为：5.解：输出电压分别为：(3),6.解：（1）电阻相对变化量为：,电阻变化量为：,（2）电桥实际输出电压为：,电桥理想输出电压为：,非线性误差为：,31,6.解：（1）电阻相对变化量为：电阻变,（3）若要减小非线性误差，应（1）采用差动电桥（2）采用高内阻的恒流源电桥,32,（3）若要减小非线性误差，应32,本章小结概念：电阻应变效应；横向效应；压阻效应公式：应变、泊松系数、胡克定律、电阻相对变化与应变的关系公式计算：直流电桥的输出电压推导：金属丝的电阻相对变化应变的关系,33,本章小结33,
