应变片式传感器.ppt

同学们好！没看31-,新加坡 圣淘沙,2,2.2.3 温度误差及补偿,在外界温度变化的条件下，由于敏感栅温度系数t及栅丝与试件膨胀系数(g及s)之差异性而产生虚假应变输出有时会产生与真实应变同数量级的误差。必须采取补偿温度误差的措施。通常温度误差补偿方法有两类：自补偿法 1单丝自补偿法 2组合式自补偿法线路补偿法,3,2.2.3 温度误差及其补偿1、单丝自补偿法由前式知，若使应变片在温度变化t时的热输出值为零，必须使即 每一种材料的被测试件，其线膨胀系数 都为确定值，可以在有关的材料手册中查到。在选择应变片时，若应变片的敏感栅是用单一的合金丝制成，并使其电阻温度系数 和线膨胀系数 满足上式的条件，即可实现温度自补偿。具有这种敏感栅的应变片称为单丝自补偿应变片。,单丝自补偿应变片的优点是结构简单，制造和使用都比较方便，但它必须在具有一定线膨胀系数材料的试件上使用，否则不能达到温度自补偿的目的。,4,2、组合式自补偿法是由两种不同电阻温度系数（一种为正值，一种为负值）的材料串联组成敏感栅，以达到一定的温度范围内在一定材料的试件上实现温度补偿的，如图。这种应变片的自补偿条件要求粘贴在某种试件上的两段敏感栅，随温度变化而产生的电阻增量大小相等，符号相反，即,(R1)t=(R2)t,补偿效果可达0.45。,5,线路补偿法 如图，电桥输出电压与桥臂参数的关系为 式中A由桥臂电阻和电源电压决定的常数。,USC,R2,R4,R1,R3,E,桥路补偿法,由上式可知，当R3、R4为常数时，Rl和R2对输出电压的作用方向相反。利用这个基本特性可实现对温度的补偿，并且补偿效果较好，这是最常用的补偿方法之一。,6,测量应变时，使用两个应变片，一片贴在被测试件的表面，图中R1称为工作应变片。另一片贴在与被测试件材料相同的补偿块上，图中R2，称为补偿应变片。在工作过程中补偿块不承受应变，仅随温度发生变形。由于R1与R2接入电桥相邻臂上，造成R1t与R2t相同，根据电桥理论可知，其输出电压USC与温度无关。当工作应变片感受应变时，电桥将产生相应输出电压。,7,当被测试件不承受应变时，R1和R2处于同一温度场，调整电桥参数，可使电桥输出电压为零，即上式中可以选择R1=R2=R及R3=R4=R。当温度升高或降低时，若R1t=R2t，即两个应变片的热输出相等，由上式可知电桥的输出电压为零，即,=,8,若此时有应变作用，只会引起电阻R1发生变化，R2不承受应变。故由前式可得输出电压为,由上式可知，电桥输出电压只与应变有关，与温度无关。为达到完全补偿，需满足下列三个条件：R1和R2须属于同一批号的，即它们的电阻温度系数、线膨胀系数、应变灵敏系数K都相同，两片的初始电阻值也要求相同；用于粘贴补偿片的构件和粘贴工作片的试件二者材料必须相同，即要求两者线膨胀系数相等；两应变片处于同一温度环境中。,此方法简单易行，能在较大温度范围内进行补偿。缺点是三个条件不易满足，尤其是条件。在某些测试条件下，温度场梯度较大，R1和R2很难处于相同温度点。,9,根据被测试件承受应变的情况，可以不另加专门的补偿块，而是将补偿片贴在被测试件上，这样既能起到温度补偿作用，又能提高输出的灵敏度，如图所示的贴法。,图(a)为一个梁受弯曲应变时，应变片R1和R2的变形方向相反，上面受拉，下面受压，应变绝对值相等，符号相反，将它们接入电桥的相邻臂后，可使输出电压增加一倍。当温度变化时，应变片R1和R2的阻值变化的符号相同，大小相等，电桥不产生输出，达到了补偿的目的。(b)图是受单向应力的构件，将工作应变片R2的轴线顺着应变方向，补偿应变片R1的轴线和应变方向垂直，R1和R2接入电桥相邻臂，其输出为,构件受弯曲应力,构件受单向应力,10,2.2.4 电阻应变片电阻传感器的测量电路,11,电阻应变片的信号调理电路 由于将应变等机械量转换为电阻的变化，此变化的数量是很微弱的，因此须采用高精度的测量电路电桥测量电路。,12,1.电桥分类：按桥压分：直流电桥；恒流源电桥；恒压源电桥交流电桥按输出方式分：功率电桥（按低阻抗负载）电压电桥（按高阻抗负载）,13,2.常用的几个术语 全桥：半桥：,邻臂,对臂,14,3.电桥平衡条件,直流电桥平衡条件：,或,相对桥臂电阻之积相等。,15,交流电桥平衡条件,或,16,相对桥臂阻抗之积相等可分解为：相对桥臂电阻之积相等 相对应的电容、电阻之积相等,交流电桥平衡条件,17,4.电桥输出公式 直流电桥、交流电桥均适合：,18,电桥输出公式的使用前提条件：1）先决条件是：电桥起始是平衡的；2）无论各电阻如何变化，一定要在平衡点附近；3）仅发生微小变化；4）假定各桥臂电阻起始是相等的。由于，电桥输出公式又可写成:上式为电桥加减特性表达式。,19,电桥输出公式讨论：单臂工作 只有一只电阻R产生R变化时，电桥输出电压,20,双臂工作设R1产生正R的变化，R产生负R的变化，且变化的绝对值相等；即，电桥输出 若R1，R产生R的绝对值相等，符号相同时，即，,则Usc=0，电桥无输出，两工作臂的作用互相抵消。,21,四臂工作 设R1、R3产生正R的变化，R2、R4产生负R的变化，且R绝对值相等，即R1、R3产生正应变，R2、R4产生负应变，且应变的绝对值相等，则电桥的输出 为单臂工作的4倍。,22,说明：虽为直流电桥形式，但对交流电桥形式也完全适用。,电桥加减特性,23,重要结论：当相邻桥臂为异号或相对桥臂为同号的电阻变化时，电桥的输出可相加；当相邻桥臂为同号或相对桥臂为异号的电阻变化时，电桥的输出应相减。电桥输出的八字原则:相邻相减，相对相加。,24,5.交、直流电桥的异同点(以输出为正电压的单臂电桥为例)相同点：输出电压的幅值都与被测 的应变成正比；不同点：,25,一、直流电桥 1.直流电桥平衡条件 电桥如图 2-29 所示,U为电源,R1、R2、R3及R4为桥臂电阻,RL为负载电阻。,26,图2-29 直流电桥,27,当电桥平衡时,Uo=0,则有 R1R4=R2R3 或,（2-41）,式（2-41）称为电桥平衡条件。这说明欲使电桥平衡,其相邻两臂电阻的比值应相等,或相对两臂电阻的乘积相等。,28,2.直流电桥电压灵敏度 R1为工作应变片，R2,R3,R4为电桥固定电阻，这就构成了单臂电桥。应变片工作时,其电阻值变化很小,电桥相应输出电压也很小,一般需要加入放大器放大。由于放大器的输入阻抗比桥路输出阻抗高很多,所以此时仍视电桥为开路情况。当产生应变时,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,29,设桥臂比n=R2/R1,由于R1 R1,分母中R1/R1可忽略,并考虑到平衡条件R2/R1=R4/R3,则上式可写为,（2-43）,30,电乔电压灵敏度定义为,从上式分析发现: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,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。,31,由dku/dn=0求RU的最大值,得 求得n=1时,ku为最大值。这就是说,在电桥电压确定后,当R1=R2=R3=R4时,电桥电压灵敏度最高,此时有 ku=,32,从上述可知,当电源电压U和电阻相对变化量R1/R1一定时,电桥的输出电压及其灵敏度也是定值,且与各桥臂电阻阻值大小无关。3.电桥的非线性误差 由式（2-43）求出的输出电压因略去分母中的R1/R1项而得出的是理想值,实际值计算为,33,非线性误差为=,如果是四等臂电桥,R1=R2=R3=R4,则,=,对于一般应变片来说,所受应变通常在510-3以下,若取KU=2,则R1/R1=KU=0.01,代入上式计算得非线性误差为0.5%;若ku=130,=10-3时,R1/R1=0.130,则得到非线性误差为6%,故当非线性误差不能满足测量要求时,必须予以消除。,34,为了减小和克服非线性误差,常采用差动电桥如图2-29(c)所示,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,该电桥输出电压为,若R1=R2,R1=R2,R3=R4,则得 Uo=,由上式可知,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=U/2,比单臂工作时提高一倍,同时还具有温度补偿作用。,若将电桥四臂接入四片应变片,如图 2-29（d）所示,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片的 4 倍,同时仍具有温度补偿作用。,35,二、交流电桥 根据直流电桥分析可知,由于应变电桥输出电压很小,一般都要加放大器,而直流放大器易于产生零漂,因此应变电桥多采用交流电桥。当采用交流供桥载波放大时,应变电桥也需交流电源供电。应变电桥各臂一般是由应变计或无感精密电阻组成,是纯电阻电桥。但在交流电源供电时,需要考虑分布电容的影响,这相当于应变计并联一个电容(如图2-30所示)。此时桥臂已不是纯电阻性的,这就需要分析各桥臂均为复阻抗时一般形式的交流电桥。交流电桥的一般形式如图2-30 所示,其中Z1,Z2,Z3,Z4为复阻抗。其电源电压,输出电压均应用复数表示。输出电压的特性方程为,36,图2-30 交流电桥,37,所以平衡条件为 或 设电桥臂阻抗为,38,上列各式说明:交流电桥的平衡条件与直流电桥的不同,需要满足两个方程式,即必须不仅各桥臂复阻抗的模满足一定的比例关系,而且相对桥臂的幅角和必须相等。,39,2.交流应变电桥的输出特性及平衡调节 交流电桥的初始状态是平衡的。当工作应变片R1改变R1后，引起Z1变化Z1，可算出：,略去分母中的Z1/Z1项，并设初始Z1=Z2，Z3=Z4,40,举例说明，如图 2-30所示,41,式中C1、C2表示应变片引线分布电容,由交流电路分析可得 要满足电桥平衡条件,即=0,则有 Z1 Z4=Z2 Z3,取Z1=Z2=Z3=Z4，可得,42,整理得,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,43,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。为此在桥路上除设有电阻平衡调节外还设有电容平衡调节。电桥平衡调节电路如图 2-31 所示。当被测应力变化引起Z1=Z0+Z,Z2=Z0-Z变化时,则电桥输出为,44,退出,图2-31 常见调平衡电路,45,2.2.5 应变片式电阻传感器的应用举例,一、应变式测力传感器 被测物理量为荷重或力的应变式传感器,统称为应变式力传感器。其主要用作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。应变式力传感器要求有较高的灵敏度和稳定性,当传感器在受到侧向作用力或力的作用点发生轻微变化时,不应对输出有明显的影响。,46,1.圆柱式测力传感器 图 2-32 所示为柱式、筒式力传感器,应变片粘贴在弹性体外壁应力分布均匀的中间部分,对称地粘贴多片,电桥接线时应尽量减小载荷偏心和弯矩的影响,贴片在圆柱面上的位置及其在桥路中的连接如图 2-30（c）、（d）所示,R1和R3串接,R2和R4串接,并置于桥路对臂上以减小弯矩影响,横向贴片作温度补偿用。,47,图2-32 荷重传感器弹性元件的形式,48,2.梁式力传感器 悬臂梁式传感器是一种低外形、高精度、抗偏、抗侧性能优越的称重测力传感器。采用弹性梁及电阻应变计作敏感转换元件,组成全桥电路。当垂直正压力或拉力作用在弹性梁上时,电阻应变计随金属弹性梁一起变形,其应变使电阻应变计的阻值变化,因而应变电桥输出与拉力(或压力)成正比的电压信号。配以相应的应变仪,数字电压表或其他二次仪表,即可显示或记录重量(或力)。如图2-33所示：图2-33(a)为等截面梁,适合于5000N以下的载荷测量。2-33(b)为等强度梁。图2-33(c)为双孔梁,多用于小量程工业电子秤和商业电子秤。2-33(d)为“S”型弹性元件，适于较小载荷。,49,图2-33 梁式力传感器,50,二、应变式压力传感器 应变式压力传感器主要用来测量流动介质的动态或静态压力。如动力管道设备的进出口气体或液体的压力、发动机内部的压力变化,枪管及炮管内部的压力、内燃机管道压力等。应变片压力传感器大多采用膜片式或筒式弹性元件。图 2-34（a）所示为膜片式压力传感器,应变片贴在膜片内壁,在压力p作用下,膜片产生径向应变r和切向应变t，如图2-34（b）所示。根据应变分布安排贴片，一般在中心贴片，并在边缘沿径向贴片，接成半桥或全桥。现已制出适应膜片应变分布的专用箔式应变花，如图2-34（c）所示。,51,图2-34 膜片上应力分布,52,膜片式应变压力传感器,周边固定的圆形金属膜片,径向负应变,切向正应变,53,三、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，其原理如图 2-35（a）所示。当被测轴受到纯扭力时，其最大剪应力不便于直接测量，但轴表面主应力方向与母线成45角，而且在数值上等于最大剪应力。因而应变片沿与母线45角方向粘贴，并接成桥路见图2-35（b）。,54,图2-35 扭矩传感器,55,图 2-36 所示是应变片式加速度传感器的结构示意图,图中1是自由端安装质量块,等强度梁2,另一端固定在壳体3上。等强度梁上粘贴四个电阻应变敏感元件4。为了调节振动系统阻尼系数,在壳体充满硅油。测量时,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。,四、应变式加速度传感器 应变式加速度传感器主要用于物体加速度的测量。其基本工作原理是:物体运动的加速度与作用在它上面的力成正比,与物体的质量成反比,即a=F/m。,56,图2-36 应变式加速度传感器,57,应变片在悬臂梁上的粘贴及变形,C.应变式传感器应用,58,应变式荷重传感器的外形及应变片的粘贴位置,F,C.应变式传感器应用,59,应变式荷重传感器外形及受力位置（续）,F,F,C.应变式传感器应用,60,应变式荷重传感器外形及受力位置（续）,F,F,61,荷重传感器原理演示,荷重传感器上的应变片在重力作用下产生变形。轴向变短，径向变长。,C.应变式传感器应用,62,应变效应的应用,西南交大传感器实验室,63,汽车衡,应用,64,汽车衡（以下参考北京远亚兴业商贸有限公司资料）,65,汽车衡称重系统,应用,66,荷重传感器用于构件的称重,荷重传感器（共 3个，120度分布，以达到均衡目的，另两个未拍出）,底座,垫块,电缆,67,电子秤,磅秤,超市打印秤,远距离显示,应用,68,电子天平,电子天平的精度可达十万分之一,应用,69,人体秤,应用,70,吊钩秤,便携式,71,应变式数显扭矩扳手,可用于汽车、摩托车、飞机、内燃机、机械制造和家用电器等领域，准确控制紧固螺纹的装配扭矩。量程2500N.m，耗电量10mA，有公制/英制单位转换、峰值保持、自动断电等功能。,应用,72,压阻式固态压力传感器,利用扩散工艺制作的四个半导体应变电阻处于同一硅片上，工艺一致性好，灵敏度相等，漂移抵消，迟滞、蠕变非常小，动态响应快。,隔离、承压膜片可以将腐蚀性的气体、液体与硅膜片 隔离开来。,73,内部结构,信号处理电路,压阻式固态压力传感器,74,小型压阻式固态压力传感器,高压进气口,低压进气口,绝对压力传感器,75,小型压阻式固态压力传感器（续）,呼吸、透析和注射泵设备中用的压力传感器,p1进气管,p2进气管,固态压力传感器,76,小型压阻式固态压力传感器（续）,表压压力传感器,p1进气管,77,投入式液位计,压阻式固态压力传感器用于投入式液位计：p1的进气孔用柔性不锈钢隔离膜片隔离，并用硅油传导压力而与液体相通。,78,投入式液位计外形（续）,压阻式固态压力传感器,光柱显示器,橡胶背压管,79,投入式液位传感器 投入式液位传感器安装方便，适应于深度为 几米 至 几十米，且混有 大 量 污物、杂质的水或其他液体的液位测量。,80,材料应变的测量,斜拉桥上的斜拉绳应变测试,81,作业P364:2.2，2.11,