应变式传感器改.ppt

第4章 应变式传感器,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主要用途测量力、力矩、压力、加速度、重量等本章内容工作原理及性能了解传感器结构、种类掌握测量电路以及补偿方法了解应变式传感器的应用,概述,电阻式应变传感器作为测力的主要传感器，测力范围小到肌肉纤维，大到登月火箭，精确度可到 0.010.1%。有拉压式（柱、筒、环元件）、弯曲式、剪切式。应变式传感器特征：不同材料类型:金属应变片、半导体应变片应用范围:应变力、压力、转矩、位移、加速度；主要优点:使用简单、精度高、范围大体积小。,各种电子秤,广泛应用于,概述,概述,电阻应变片金属材料和半导体材料,4.1 应变式传感器的工作原理,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。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种传感器,最常用的传感元件为电阻应变片。应用范围：用于位移、加速度、力、压力、力矩等各种参数测量。,4.1 应变式传感器的工作原理,电阻应变式传感器特点：精度高、测量范围广；使用寿命长、性能稳定可靠；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；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,对于金属材料 电阻应变效应金属导体在外力作用下发生机械形变时,其阻值随着所受机械变形(伸长或缩短)的变化而发生变化的现象。对于半导体材料 压阻效应半导体材料在受到外力作用时,其电阻率 发生变化的现象。,4.1 应变式传感器的工作原理,4.1 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？,图4-1 金属丝应变效应,电阻丝的电阻R为,4.1 应变式传感器的工作原理,1.对于金属材料,电阻率几乎不变,2.对于半导体材料,压电效应为主,电阻应变效应,压阻效应,定义：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。,金属材料 取值为2左右，常数,半导体材料 取值为50100之间，易受温度影响。,4.1 应变式传感器的工作原理,4.2 电阻应变片的特性,(1)种类及结构(2)电阻应变片性能参数(3)灵敏系数(4)横向效应(5)应变片的温度误差及补偿,(1)种类及结构,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,丝式应变片：金属电阻应变片的典型结构。将一根高电阻率金属丝(直径0.025mm左右)绕成栅形,粘贴在绝缘的基片和覆盖层之间并引出导线构成。,4-2,？栅形结构,为了获得大的电阻变化量,(1)种类及结构丝式,丝式应变片制作简单、性能稳定、成本低、易粘贴。分为丝绕式和短接式。,丝绕式应变片因圆弧部分参与变形,横向效应较大；短接式应变片敏感栅平行排列,两端用直径比栅线直径大510被的镀银丝短接而成,克服了横向效应。,(1)种类及结构丝式,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变化,应变片,箔式应变片：利用照相制版或光刻技术,将厚度约为0.0030.01mm的金属箔片制成敏感栅。,(1)种类及结构箔式,箔式应变片优点: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。横向效应小散热条件好,允许电流大,提高了输出灵敏度生产效率高,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。,(1)种类及结构箔式,半导体应变片 特性与金属应变片相比较优点：灵敏度高；横向效应小、体积小、频响高；易于集成缺点：温度稳定性能差；灵敏度分散度大；在较大应力作用下,非线性误差大。机械强度低,(1)种类及结构半导体式,1)电阻值：应变片原始阻值标准化,120 常用。2)几何参数：敏感栅基长 和宽度b,制造厂常用3)灵敏系数k：表示应变片变换性能的重要参数。4)绝缘电阻：应变片与试件间的阻值,越大越好,一般为10105)其他性能参数(允许电流、工作温度、应变极限、滞后、蠕变、零漂以及疲劳寿命、横向灵敏度等),(2)电阻应变片性能参数,(3)灵敏系数K,定义K=(R/R)/x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,引起的电阻相对变化(R/R)与其单向应力引起的试件表面轴向应变(x)之比。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，这是因为栅端圆弧部分存在横向效应。,电阻丝轴向相对变形，或称纵向应变,电阻,电阻丝径向相对变形，或称横向应变，电阻,(4)横向效应,4-3,横向效应栅状结构敏感栅的电阻变化一定小于纯直线敏感栅的电阻变化的现象。产生原因：应变片的纵向应与测量的形变方向一致；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必须采取措施减小横向效应的影响(改进结构等),(5)应变片的温度误差及补偿,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(1)电阻温度效应(2)试件材料和电阻丝材料的线膨胀系数的影响(3)温度系数和线膨胀系数引起的虚应变,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: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。,（1)电阻温度系数的影响,当温度变化t时,电阻丝电阻的变化值为 Rt=Rt-R0=R0t（1）,(5)应变片的温度误差及补偿,(2)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0时的长度为L0，温度变化后的长度分别为：,电阻丝,试件,附加应变,附加电阻变化,相对变化总量,对应虚应变,1.自补偿法1)选择自补偿敏感栅材料与试件材料2)组合式自补偿,(5)电阻应变片的温度补偿方法,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,即选择其电阻温度系数0、灵敏系数K0和线膨胀系数s,使式0/K0+(g-s)=0成立,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。,(5)电阻应变片的温度补偿方法,1)选择自补偿利用自身具有温度自补偿作用应变片,(5)电阻应变片的温度补偿方法,2.桥路补偿法利用电桥的和差特性。在不受力的试件上粘贴另一个应变片,初始状态 Uo=A（R1 R4-RB R3）=0,温度变化后Uo=A（R1+R1t）R4-(RB+RBt)R3=0,承受应变后Uo=A（R1+R1t+R1）R4-(RB+RBt)R3=AR1R4=AR1R4K,R1=RBR3=R4,U0,R1,R4,R3,U,Rb,F,F,R1（工作应变片）,Rb（补偿应变片）,R1+R,Rb+R,U0,R1R,R4,R3,U,Rb+R,T K（电桥灵敏度）,Rt,URt,U=Ui-URt,K,(5)电阻应变片的温度补偿方法,3.热敏电阻补偿法热敏电阻适当分压,热敏电阻阻值随温度变化而变化，使其分压与温度变化引起输出变化方向相反(选择具有负温度系数的热敏电阻),4.3 电阻应变片的测量电路,(1)直流电桥单臂电路半桥电路全桥电路(2)交流电桥单臂电路半桥电路全桥电路,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化再转换为电压或电流信号,最终实现被测量的测量。1.测量电桥 电桥按其电源性质的不同可分为直流电桥和交流电桥。直流电桥只能测量电阻,而交流电桥可用于测量电阻、电感和电容的变化。,4.3 电阻应变片的测量电路,直流电桥的工作原理输出平衡条件 工作时，各桥臂阻值发生变化,则输出电桥灵敏度定义为：实际使用中,为了简化桥路设计,同事也为了得到电桥的最大灵敏度,通常R1=R2=R3=R4=Rx。即为等臂电桥。,4.3 电阻应变片的测量电路,前提由于U与R/R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：(1)半桥(2)全桥,4.3 电阻应变片的测量电路,电桥的连接方式,1)半桥单臂 2)半桥双臂 3)全桥,4.3 电阻应变片的测量电路,1)半桥单臂 输出,灵敏度为：,等臂半桥灵敏度为：,4.3 电阻应变片的测量电路,2)半桥双臂(一个受拉、一个受压),等臂输出时,等臂半桥灵敏度为：,Uo与（R1/R1）呈线性关系,差动电桥无非线性误差,而且电桥电压灵敏度KU=E/2,比单臂工作时提高一倍,同时还具有温度补偿作用。,4.3 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,3)全桥接法(两个受拉、两个受压,应变符号相同接入相对桥臂)等臂输出电压,等臂半桥灵敏度为：,此时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的 4 倍,同时仍具有温度补偿作用。,4.3 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,电桥的工作特性：1)不同的接桥方式具有不同的电桥灵敏度,尽量采用半桥双臂或全桥方式在 条件下,电桥的输出与 成正比；全桥接法可以获得最大的输出,其灵敏度是半桥单臂接法的4倍。,4.3 电阻应变片的测量电路,电桥的工作特性：2)电桥的和差特性 全桥接法：4桥臂均为工作应变片相邻桥臂:应变极性相同时,电桥输出电压与两应变差有关；应变极性相反时,电桥输出电压与两应变和有关。相对桥臂:输出电压与应变的关系和相邻桥臂正好相反。,4.3 电阻应变片的测量电路,电桥和差特性的实际应用：1.提高灵敏度半桥双臂或全桥连接 相对桥臂：同极性 相邻桥臂：反极性2.实现温度补偿全桥自动补偿 半桥双臂：邻臂(同一温度场)3.消除非测量载荷的干扰影响,4.3 电阻应变片的测量电路,例如：R1、R3为应变片，R1受拉、R3受压,设,测量F消除扭矩M的影响,4.3 电阻应变片的测量电路,小结,例 4-1 图4-7(a)为传感器上的圆形实芯弹性体,四个应变片粘贴方向为R1、R4轴向R2,R3圆周向。应变片的初始值R1=R2=R3=R4=100,灵敏度系数K=2,弹性体的泊松系数=0.285,当弹性体受拉时,测得R1、R4的变化为R1=R4=0.2,如将四个应变片如图4-7(b)所示接入直流电桥,当电桥供压U=2 V时,试求电桥的输出Uo。,例题,图 4-7 例4-1应变片的粘贴与接法,解:因为弹性体受拉时,R1、R4受到拉伸,圆周向R2、R3受压缩,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,再计算圆周向的压缩应变。轴向应变量为 圆周s向的应变为所以,与圆半径的相对变化等比，由泊松比的定义有,例题 4-1,由式(4-6)得到R3=R2=KR2=-0.057 写出全桥的输出电压表达式，代入数据后得：,例题4-1,2.交流电桥,供桥电压：交流优点：消除零漂,平衡条件：,图4-8 交流电桥,当应力变化引起Z1=Z0+Z，Z2=Z0-Z变化时电桥输出为,4.4应变式传感器的应用（1）,13,4-10,柱式力传感器,应变式力传感器,（a）实心圆柱；（b）空心圆筒；,空心,实心,(2)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以下的载荷,等截面悬臂梁,等强度悬臂梁,当在自由端受力时，在梁上各处产生的应变大小相等。,双端固定梁,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,BK-2S称重传感器,产品详细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,BK4轮辐式传感器系列,2.应变式压力传感器,t,r,r,t,膜片式压力传感器,筒式压力传感器 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,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。,AK-1型应变式脉动压力传感器,产品特点：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,4.4应变式传感器的应用（2）,4.4应变式传感器的应用（3）,图4-11 液位高度或液体重量传感器,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。,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,常用来测量力、位移、压力、加速度等。,4-1 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？4-2 什么是横向效应?为什么应变片的灵敏度系数比电阻丝的灵敏度系数小？4-3 一应变片的电阻R=120，K=2.05，用做最大应变为=800 m/m的传感元件。当弹性体受力变形至最大应变时，(1)求R和R/R；(2)若将应变片接入电桥单臂，其余桥臂电阻均为120 的固定电阻，供桥电压U=3 V，求传感元件最大应变时单臂电桥的输出电压Uo和非线性误差。,思考题与习题,4-4 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4-4图所示，应变片的灵敏度系数K=2,每受1 kg力在应变片处产生的平均应变=810-31/kg。已知电子秤未放置重物时，应变片的初始电阻R1=100，当电子秤上放置500 g重物时，求(1)应变片的电阻变化量R1和相对变化R1/R1；(2)用单臂电桥做转换电路(R2=R3=R4=100)，电桥电压U=5 V时的输出电压Uo，以及考虑非线性因素时单臂电桥的实际输出;(3)用单臂电桥做转换电路导致的非线性误差。,思考题与习题,题 4-4 图,思考题与习题,4-5 一电阻应变片R=120，灵敏度系数K=2，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，其电阻温度系数为2010-6/，线膨胀温度系数为1610-6/;钢质弹性元件的线膨胀系数为1210-6/。试求:(1)温度变化20时，引起的附加电阻变化；(2)单位温度变化引起的虚应变。,思考题与习题,如图所示,旋转的铁圆盘周边上有凸起部,设置磁铁NS使其夹着凸起部。每当凸起部转到磁铁中间时,因空隙长变窄,故磁通增加。这时在线圈接头处感应出的电压,如图(b)。转速越大,e也越大(高度大)。这个装置就是转速传感器,可用于测定汽车发动机的转速。,汽油流量计 对于转速传感器,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,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具有“磁场强处电阻大”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,产生与轮齿通过数相同的电阻变化(有电流流过时,电流也变化)。汽油流量计就是利用了这个原理制成的。,假币检测仪 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，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检测器。票据、支票的自动读取也基于这个原理。,