传感器与检测技术第二章电阻式传感器.ppt

第二章 电阻式传感器,电阻式传感器的种类繁多，应用广泛，本章学习电阻式传感器的原理及应用，包括：电位器、电阻应变片、半导体应变片等。,2,第2章 电阻式传感器,3,各种电子秤,广泛应用于,第2章 电阻式传感器,4,第2章 电阻式传感器,5,主要内容2.1 电位器式传感器2.2 应变片式电阻传感器,第2章 电阻式传感器,工作原理：将直线位移、角位移转换为与其成为一定函数关系的电阻或电压输出。主要用于测量压力、高度、加速度等。常见的有电视机、收音机音量调节器。,6,2.1 电位器式传感器工作原理,7,按结构形式不同：,按特性不同：线性电位器式传感器 非线性电位器式传感器,2.1 电位器式传感器分类,8,常用电位器式传感器有：直线位移型、角位移型、非线性型。A、C全长为xmax，总电阻为Rmax；A、B长为x，电阻为Rx,如果在电位器A、C之间加上电压Umax为：,当电阻丝直径与材质一定时，则电阻R随导线长度l而变化。,2.1 电位器式传感器,9,如果在电位器A、B之间加上电压Umax则输出电压为：,2.1 电位器式传感器,线性电位器的骨架截面此处处相等、并且由材料均匀的导线按相等的节距绕成。对某一匝节距为t线圈来说，电阻变化量为：,10,2.1 电位器式传感器,电阻灵敏度：电压灵敏度：,11,2.1 电位器式传感器,二、阶梯特性、阶梯误差、分辨率,电刷在与一匝导线接触过程中，虽有小位移，但阻值无变化当电刷离开这一匝，接触下一匝时，电阻突然增加，特性曲线出现阶跃其阶跃值即视在分辨率为,12,2.1 电位器式传感器,在移动过程中，会使得临近的量匝短路，电位器总匝数从n减小到(n-1)，总阻值的变化使得在视在分辨率之中还产生了次要分辨脉冲，即一个小的阶跃。大的阶梯为主要分辨脉冲小的阶梯为次要分辨脉冲,13,2.1 电位器式传感器,视在脉冲为二者之和：例：一个电位器，总电压为10V，匝数为10，电刷从第5匝到第6匝过程中，计算电压的变化情况。,14,2.1 电位器式传感器,15,2.1 电位器式传感器,16,工程上常把实际阶梯曲线简化成理想阶梯曲线,如图2-5所示。这时,电位器(理想阶梯特性的线绕电位器)的电压分辨率定义为:在电刷行程内,电位器输出电压阶梯的最大值与最大输出电压Umax之比的百分数,即为：除了电压分辨率外,行程分辨率定义为:在电刷行程内,能使电位器产生一个可测出变化的电刷最小行程与整个行程之比的百分数,即,2.1 电位器式传感器,17,从图2-5中可见,在理想情况下，特性曲线每个阶梯的大小完全相同,则通过每个阶梯中点的直线即是理论直线（灵敏度），阶梯曲线围绕它上下跳动，从而带来一定误差，这就是阶梯误差。电位器的阶梯误差j通常以理想阶梯特性曲线对理论特性曲线的最大偏差值与最大输出电压值的百分数表示，即,2.1 电位器式传感器,阶梯误差和分辨率的大小都是由线绕电位器本身工作原理所决定的，是一种原理性误差，它决定了电位器可能达到的最高精度。在实际设计中的改善方法：(1)增加匝数,即减小导线直径（小型电位器通常选0.5mm或更细的导线）(2)增加骨架长度（如采用多圈螺旋电位器)。,18,2.1 电位器式传感器,2.1.2 非线性电位器,19,空载时输出电压或电阻与电刷行程之间具有非线性关系。常见有变骨架、变节距、分路电阻或电位给定四种。,变骨架高度式非线性电位器,2.1 电位器式传感器,上面讨论的电位器空载特性相当于负载开路或为无穷大时的情况，为理想情况;而一般情况下,电位器接有负载,由于负载电阻和电位器的比值为有限值,此时所得的特性为负载特性,（负载特性相对于空载特性的偏差称为电位器的负载误差）,对于线性电位器负载误差即是其非线性误差。,20,负载特性与负载误差,2.1 电位器式传感器,当电位器的负载电阻RL（带负载时），则输出电压UL应为（可视为RL与Rx并联，后与（R-Rx）串联）,21,2.1 电位器式传感器,负载特性与负载误差,设：m电位器的负载系数 r电阻的相对变化带入UL表达式，整理得到：理想空载特性(此时，RL=，m=0),22,实际负载特性,2.1 电位器式传感器,负载特性与负载误差,比较(2-19)(2-20)，由于存在RL，使得m0，导致Y与Y0产生偏差。,23,由(2-19)得到右图可知，电位器负载系数m越大（RL越小），相对输出电压Y越小，输出电压U越低，则非线性误差越大；反之，U越高，非线性误差越小。曲线为下垂曲线。,负载特性与负载误差,2.1 电位器式传感器,计算负载误差：,24,由图可见,无论m为何值,X=0和X=1时,即电刷在起始位置和最终位置时,负载误差都为零;当r=X=1/2时,负载误差最大,且增大负载系数时,负载误差也随之增加。对线性电位器,当电刷处于行程中间位置时,其非线性误差最大。,负载特性与负载误差,2.1 电位器式传感器,由于测量领域的不同，电位器结构及材料选抒行所不同。但是其基本结构是相近的。电位器通常都是由骨架、电阻元件及活动电刷组成。,2.1.4 电位器的结构与材料,2.1 电位器式传感器,25,26,1.电位器式传感器的优点:(1)结构简单、尺寸小、重量轻、价格低廉且性能稳定；(2)受环境因素(如温度、湿度、电磁场干扰等)影响小；(3)可以实现输出输入间任意函数关系；(4)输出信号大，一般不需放大。,2.电位器式传感器它的缺点:（1）因为存在电刷与线圈或电阻膜之间摩擦，故需要较大的输入能量；（2）由于磨损不仅影响使用寿命和降低可靠性，而且会降低测量精度，分辨力较低；（3）动态响应较差，适合于测量变化较缓慢的量。,2.1 电位器式传感器特点,27,电位器式传感器常用来测量位移、压力、加速度等参量。1.下图是电位器式位移传感器的结构图。,被测位移使测量轴沿导轨轴向移动时，带动电刷在滑线电阻上产生相同的位移，从而改变电位器的输出电阻。精密电阻与电位器电阻式电桥的两个桥臂，构成电桥测量电路,2.1 电位器式传感器应用,28,2.1 电位器式传感器应用,2、电位器式压力传感器,2023/9/21,29,2、电位器式压力传感器,当被测流体通入弹性敏感元件膜盒的内腔时，在流体压力作用下，膜盒硬中心产生弹性位移，推动连杆上移，使曲柄轴带动电位器的电刷在电阻体上滑动，输出与被测压力成正比的电压信号,2.1 电位器式传感器应用,30,航空飞行高度传感器,2.1 电位器式传感器应用,2023/9/21,31,3、电位器式加速度传感器,惯性敏感元件在被测加速度的作用下，使片状弹簧产生正比于被测加速度的位移，从而引起电刷在电阻体上下滑动，输出与加速度成比例的电压信号,2.1 电位器式传感器应用,2-2 应变式电阻传感器,导体或半导体材料在外界力的作用下，会产生机械变形，其电阻值也将随着发生变化，这种现象称为应变效应。在几何量和机械应变量测量中，最常用的传感器是某些金属或半导体材料制成的电阻应变片。应变式电阻传感器主要由电阻应变片及测量转换电路等组成。,32,2.2 应变式电阻传感器,2.2.1 电阻应变片的工作原理-电阻应变效应,33,金属丝受拉时，l变长、r变小，导致R变大。,2.2 应变式电阻传感器,基本概念：应变为受力情况下，变化的几何量与原几何量的比值。对比 弹簧受力：F=k x 应变：=E,34,弹性模量,应变,应力,2.2 应变式电阻传感器,2.2.1 电阻应变片的工作原理-电阻应变效应,35,设一根长为l，截面积为S，电阻系数为的电阻丝，其电阻值R为：,导线两端受到力F作用时,2.2 应变式电阻传感器,2.2.1 电阻应变片的工作原理-电阻应变效应,36,1.应变效应,金属电阻应变片的基本原理基于电阻应变效应：即，导体产生机械形变时它的电阻值发生变化。一根长L，截面积为S，电阻率为的金属丝电阻为:,2.2 应变式电阻传感器,2.2.1 电阻应变片的工作原理-电阻应变效应,37,当金属丝受拉力作用时，其长度l，截面积S（=r2），电阻率 的相应变化为dL，dS，d，因而引起电阻变化dR。对式上式全微分可得:以R除左式，除右式，式中 金属丝的轴向应变；金属丝的径向应变；电阻率的相对变化量。,且因,，,得电阻相对变化量:,2.2 应变式电阻传感器,38,由材料力学可知，在弹性范围内，金属丝受拉力时，沿轴向伸长，沿径向缩短，那么轴向应变和径向应变的关系可表示为:金属丝材料的泊松系数。综合以上两式可得:令:K0称为金属丝的灵敏系数，表示金属丝产生单位应变时，电阻相对变化的大小。显然，K0越大，单位应变引起的电阻相对变化越大，故越灵敏。,是否有更为简单的方法得到dR/R的表达式？,2.2 应变式电阻传感器,39,受力后材料几何尺寸变化（1+2），材料电阻率的变化（/）/。,令：,1.应变效应,k01+2,2.2.1 电阻应变片的工作原理-电阻应变效应,2.2 应变式电阻传感器,40,2.2 应变式电阻传感器,41,敏感栅由很细的电阻丝（0.010.05mm）或箔式金属片（厚度为310m）组成。,敏感栅常用下列材料制成：（1）康铜（铜镍合金）：最常用；（2）镍鉻合金：多用于动态；（3）镍鉻铝合金：作中、高温应变片；（4）镍鉻铁合金：疲劳寿命要求高的应变片；（5）铂及铂合金：高温动态应变测量。,2.2 应变式电阻传感器,42,电 阻 应 变 片,金 属 应 变 片,半 导 体 应 变 片,丝式,箔式,薄膜式,半导体敏感条,电阻应变的分类图,2.2 应变式电阻传感器,43,2.2 应变式电阻传感器,尺寸小、图形准确横向灵敏度小容许电流大,44,各种金属箔式应变片,2.2.2 金属电阻应变片的主要特性结构与材料,疲劳寿命长生产效率高,2.2 应变式电阻传感器,半导体应变片,半导体应变片外形,45,2.2 应变式电阻传感器,46,基于半导体的“压阻效应”体积小、灵敏度高、机械滞后小温度稳定性差、非线性严重,半导体应变片,2.2 应变式电阻传感器,47,1.应变片的灵敏系数,金属丝做成应变片后电阻应变特性与单根金属丝不同；实验证明，应变片灵敏系数K K0电阻丝灵敏系数，产品的灵敏系数称“标称灵敏系数”。,2.2 应变式电阻传感器,2.2.2 金属电阻应变片的主要特性特性和参数,48,1.应变片的灵敏系数,原因：基底传递衰减；存在横向效应；,2.2 应变式电阻传感器,2.2.2 金属电阻应变片的主要特性特性和参数,2.横向效应,49,直线电阻丝绕成敏感栅后，虽然长度相同，但应变不同。应变片的这种既受轴向应变影响，又受横向应变影响而引起电阻变化的现象称为横向效应。,轴向应变 造成电阻增加，横向应变 造成电阻减少。,2.2 应变式电阻传感器,2.2.2 金属电阻应变片的主要特性特性和参数,3.机械滞后、零漂和蠕变,50,原因：残余变形。,应变片粘贴在被测试件上，当温度恒定时，其加载特性与卸载特性不重合，即为机械滞后。,2.2 应变式电阻传感器,2.2.2 金属电阻应变片的主要特性特性和参数,51,零漂：已安装的应变片，在恒温无应变的条件下，应变片的指示值随时间变化的现象。产生原因：敏感栅通电后的温度效应；应变片的内应力逐渐变化；粘结剂固化不充分等。蠕变：已安装的应变片，在恒温下，受恒定应变长期作用，应变片的指示值随时间变化的现象。产生原因：由于胶层之间发生“滑动”，使力传到敏感栅的应变量逐渐减少。,2.2 应变式电阻传感器,2.2.2 金属电阻应变片的主要特性特性和参数,4.温度效应,52,粘贴在试件上的应变片，除了感受机械应变而产生电阻相对变化外，在环境温度变化时，也会引起电阻的相对变化，产生虚假应变，这种现象称为温度效应。温度变化引起电阻应变的主要原因有两个：,2.2 应变式电阻传感器,2.2.2 金属电阻应变片的主要特性特性和参数,53,其一：设环境引起的构件温度变化为t（）时，粘贴在试件表面的应变片敏感栅材料的电阻温度系数为t，则应变片产生的电阻相对变化为 其二：由于敏感栅材料和被测构件材料两者线膨胀系数不同，当t 存在时，引起应变片的附加应变，其值为 g试件材料线膨胀系数；s敏感栅材料线膨胀系数。,相应的电阻相对变化为 K应变片灵敏系数。,2.2 应变式电阻传感器,54,温度变化形成的总电阻相对变化：相应的虚假应变为上式为应变片粘贴在试件表面上，当试件不受外力作用，在温度变化t 时，应变片的温度效应。用应变形式表现出来，称之为热输出。可见，应变片热输出的大小不仅与应变计敏感栅材料的性能(t,s)有关，而且与被测试件材料的线膨胀系数(g)有关。,2.2 应变式电阻传感器,5.应变极限,55,在一定温度下，应变片的指示应变下降到真实应变的90%时的真实应变。,原因：胶层太厚、胶不完全固化。,2.2 应变式电阻传感器,应变片绝缘电阻Rm:是指已粘贴的应变片的引线与被测试件之间的电阻值。通常要求50100M。最大工作电流：对已安装的应变片，允许通过敏感栅而不影响具工作特性的最大电流称为应变片最大工作电流Imax.,56,2.2 应变式电阻传感器,6.绝缘电阻、最大工作电流,7.动态特性,57,当被测应变值随时间变化的频率很高时，需考虑应变片的动态特性。因应变片基底和粘贴胶层很薄，构件的应变波传到应变片的时间很短(估计约0.2s)，故只需考虑应变沿应变片轴向传播时的动态响应。设一频率为 f 的正弦应变波在构件中以速度 v 沿应变片栅长方向传播，在某一瞬时 t，应变量沿构件分布如图所示。,应变片对应变波的动态响应,0,应变片,1,l,x1,x,2.2 应变式电阻传感器,58,2.2.3 电阻应变片的温度补偿方法,单丝自补偿应变片 制造单丝温度自补偿应变片的基本依据为总的温度误差的表达式，由该式不难看出，实现温度自补偿的条件是：,2.2 应变式电阻传感器,59,补偿原理：当被测试件的线膨胀系数已知时，如果合理选择敏感栅材料，即合理选择敏感栅材料的电阻温度系数、灵敏系数K和线膨胀系数，使式上成立，则不论温度如何变化，均有，从而达到温度自补偿的目的。对于给定的试件，选定的栅丝，可以通过控制栅丝的温度系数t的方法。,2.2.3 电阻应变片的温度补偿方法,2.2 应变式电阻传感器,60,双丝组合式自补偿应变片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,(Ra)t=(Rb)t,补偿效果可达0.45。,2.2.3 电阻应变片的温度补偿方法,2.2 应变式电阻传感器,61,电路补偿法 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。,US,R2,R4,R1,R3,U,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。,2.2.3 电阻应变片的温度补偿方法,2.2 应变式电阻传感器,62,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。,2.2.3 电阻应变片的温度补偿方法,2.2 应变式电阻传感器,63,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,=,2.2 应变式电阻传感器,64,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。,2.2 应变式电阻传感器,65,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,2.2 应变式电阻传感器,2.2.4 应变片电阻的测量电路,66,由于机械应变一般都很小,那么考虑,通常采用直流电桥和交流电桥。,提出问题？,要把微小应变引起的微小电阻变化测量出来；,同时要把电阻相对变化R/R转换为电压或 电流的变化。,应该采用什么测量转换电路？,回答,2.2 应变式电阻传感器,67,一.直流电桥,由四个桥臂R1、R2、R3及R4和一个供桥电源U组成。,电路特点：,当被测量无变化，四桥臂满足一定的关系，输出为零；当被测量发生变化时，测量电桥平衡被破坏，有电压输出。,电路组成,其中，RL为负载电阻 Uo为电桥输出电压。,2.2 应变式电阻传感器,68,1.电桥平衡条件,当电桥平衡时,Uo=0,则有：,R1R4=R2R3,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。,电桥平衡条件,结论：,或,2.2 应变式电阻传感器,戴维南定律分析电路,69,将电源U短路，将RL电源内阻Uo视为负载，则有：,将（2）带入(3)即可得到课本中的表达式(2-40).,2.2 应变式电阻传感器,70,分析：,2.直流电桥电压灵敏度,（1）,R2,R3,R4为电桥固定电阻,这就构成了单臂电桥。,R1为电阻应变片,2.2 应变式电阻传感器,71,（2）当R1产生应变时,若应变片电阻变化为R1，其它桥臂固定不变，电桥输出电压Uo0,分析：,电桥不平衡输出电压为:,设桥臂比n=R2/R1,考虑到平衡条件R2/R1=R4/R3,且R1/R1很小可忽略,2.2 应变式电阻传感器,72,电桥电压灵敏度定义为：,分析：,电桥不平衡输出电压为:,2.2 应变式电阻传感器,73,电桥电压灵敏度Ku=Ku(n)，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。,分析可知：,电桥电压灵敏度,电桥电压灵敏度Ku正比于电桥供电电压U,提出问题？,当U值确定后,n值取何值时使Ku最高？,但供电电压U的提高受到应变片允许功耗的限制，所以要作适当选择;,U Ku,2.2 应变式电阻传感器,74,当dKu/dn=0 时，求Ku的最大值。,即：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,解决办法：,求得n=1时,Ku为最大值,当电桥电压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。,结论：,2.2 应变式电阻传感器,75,3.非线性误差及其补偿方法,理想值,实际值,非线性误差,如果是四等臂电桥,R1=R2=R3=R4,则,提出问题？,的表达式与书中是否一样？如何得到最终的结果（2-45）？,2.2 应变式电阻传感器,76,相邻桥臂，电阻一个增加、一个减少,2.2.4 测量电路-差动电桥,2.2 应变式电阻传感器,77,一般地：,2.2.4 测量电路-差动电桥,2.2 应变式电阻传感器,78,四臂都是应变片，且相邻电阻变化相反,2.2.4 测量电路全桥,2.2 应变式电阻传感器,79,一般地：,2.2 应变式电阻传感器,典型组桥方式,80,全桥四臂工作方式的灵敏度最高，双臂半桥次之，单臂半桥灵敏度最低。采用全桥（或双臂半桥）还能实现温度自补偿。,2.2 应变式电阻传感器,81,2.2 应变式电阻传感器,82,2.2.5 直流电桥的非线性误差及其补偿,2.2 应变式电阻传感器,83,根据e 求出最大应变：假设应变系数=2，要求e0.5%求出 5000,2.2 应变式电阻传感器,2.2.5 直流电桥的非线性误差及其补偿,减小非线性误差的措施,采用差动电桥。采用恒流源供电。,84,2.2 应变式电阻传感器,2.2.5 直流电桥的非线性误差及其补偿,恒流源供电分析,85,2.2 应变式电阻传感器,2.2.5 直流电桥的非线性误差及其补偿,86,交流电桥输出特征方程：,电桥平衡条件：,2.2.6 电桥原理-交流电桥,2.2 应变式电阻传感器,87,交流电桥,2.2.6 电桥原理-交流电桥,2.2 应变式电阻传感器,88,交流电桥需满足:对臂复数的模积相等，幅角之和相等。,交流电桥输出：,2.2.6 电桥原理-交流电桥,2.2 应变式电阻传感器,直、交流电桥的优缺点,89,2.2 应变式电阻传感器,应变效应的应用十分广泛。它可以测量应变应力、弯矩、扭矩、加速度、位移等物理量。电阻应变片的应用可分为两大类：第一类是将应变片粘贴于某些弹性体上，并将其接到测量转换电路，这样就构成测量各种物理量的专用应变式传感器。应变式传感器中，敏感元件一般为各种弹性体，传感元件就是应变片，测量转换电路一般为桥路；第二类是将应变片贴于被测试件上，然后将其接到应变仪上就可直接从应变仪上读取被测试件的应变量。,90,2.2.7 应变片式电阻传感器的应用,2.2 应变式电阻传感器,应变式力传感器,91,F,F,F,F,2.2 应变式电阻传感器,（1）力传感器（测力与秤重）,92,力传感器的弹性元件有：柱式、梁式、环式、轮辐式等：柱式力传感器有空心（筒形）、实心（柱形）在圆筒（柱）上按一定方式粘贴应变片，圆柱（筒）在外力F作用下产生形变，实心圆柱因外 力作用产生的应变为：,式中：L为弹性元件的长度，S为弹性元件的横截面积 F外力；为应力，=F/S；E为弹性模量,2.2 应变式电阻传感器,93,可见减小横截面积S可提高应力与应变的变换灵敏度，但S越小抗弯能力越差，易产生横向干扰，为解决这一矛盾多采用空心圆筒，空心圆筒在同样横截面积情况下，横向刚度大。弹性元件的高度H对传感器的精度和动态特性有影响，试验研究结果建议选用以下公式：实心圆柱 H2D+L 空心圆柱 HD-d+L,（1）力传感器（测力与秤重）,2.2 应变式电阻传感器,94,一般应变片均匀贴在圆柱表面中间部分，R1R3、R2R4串联摆放在两对臂内，当有偏心应力时，一方受拉另一方受压产生 相反变化，可减小弯矩的影响。横向粘贴应变片为温度补偿片有提高灵敏度的作用。R=R1=R2=R3=R4，受力方向相同,桥路连接图,灵敏度按半桥计算电桥输出为：,（1）力传感器,2.2 应变式电阻传感器,95,圆柱面展开图,（1）力传感器（测力与秤重）,2.2 应变式电阻传感器,96,荷重传感器弹性元件形式,（1）力传感器（测力与秤重）,2.2 应变式电阻传感器,悬臂梁式力传感器,97,等截面梁：悬臂梁的横截面积处处相等，所以称等截面梁。当外力F作用在梁的自由端时，固定端产生的应 变最大，粘贴在应变片处的应变为：,式中：是梁上应变片至自由端距离，b、h 分别为梁的宽度和梁的厚度。,（1）力传感器（测力与秤重）,2.2 应变式电阻传感器,98,等强度梁：悬臂梁长度方向的截面积按一定规律变化，是一种特殊形式的悬臂梁。当力作用在自由端时，力距作用点任何截面 积上应力相等，应变片的应变大小为：,（1）力传感器（测力与秤重）,2.2 应变式电阻传感器,99,因为应变片的应变大小与力作用的距离有关，所以应变片应贴在距固定端较近的表面，顺梁的方向贴上下各贴两只。四个应变片组成全桥。上面两个受压时下面两个受拉。这种传感器适用于测量500Kg以下荷重。,（1）力传感器（测力与秤重）,2.2 应变式电阻传感器,100,各种平行双孔梁,（1）力传感器（测力与秤重）,2.2 应变式电阻传感器,101,各种形式梁,（1）力传感器（测力与秤重）,2.2 应变式电阻传感器,102,梁的形式较多，如平行双孔梁、工字梁、S型拉力,（a）双孔梁（b）S形,（1）力传感器（测力与秤重）,2.2 应变式电阻传感器,103,膜片式传感器的弹性敏感元件是一个圆形的金属膜片，金属元件的膜片周边被固定，当膜片一面受压力P作用时，膜片的另一面有径向应变r和切向应变t。应变值分别为：,式中：r 膜片半径 h 膜片厚度 E 膜片弹性模量 膜片泊松比 x 任意点离圆心距离,（2）膜片式压力传感器,2.2 应变式电阻传感器,104,（2）膜片式压力传感器,2.2 应变式电阻传感器,105,膜片式压力传感器应力分布,（2）膜片式压力传感器,2.2 应变式电阻传感器,106,膜片中心处，x=0，r与t都达到正的最大值，这时切向应变和径向应变为：膜片边缘处x=r,切向应变t=0,径向应变r达到负的最大值，径向应变处位置，应在距圆心 的圆环附近。,（2）膜片式压力传感器,2.2 应变式电阻传感器,107,根据应力分布粘贴四个应变片，两个贴在正的最大区域（R2、R3）两个贴在负的最大区域（R1、R4），就是粘贴在的内外两侧。R1、R4测量径向应变r（负），R2、R3测量切向应变t（正），四个应变片组成全桥，即可增大传感器的灵敏度，又起到温度补偿作用。这类传感器一般可测量105106 Pa的压力。,（2）膜片式压力传感器,2.2 应变式电阻传感器,（3）应变式加速度传感器,108,基本结构由悬臂梁、应变片、质量块、机座外壳组成。悬臂梁（等强度梁）自由端固定质量块，壳体内充满硅油，产生必要的阻尼。当壳体与被测物体一起作加速度运动时，悬臂梁在质量块的惯性作用下作反方向运动，使梁体发生形变，粘贴在梁上的应变片阻值发生变化。通过测量阻值的变化求出待测物体的加速度。,壳体,机座,a,F,R1,R2,m,充满硅油,2.2 应变式电阻传感器,109,（3）应变式加速度传感器,2.2 应变式电阻传感器,110,（3）应变式加速度传感器,2.2 应变式电阻传感器,各种悬臂梁,111,2.2 应变式电阻传感器,112,F,F,固定点,固定点,电缆,各种悬臂梁,2.2 应变式电阻传感器,113,应变片在悬臂梁上的粘贴及变形,2.2 应变式电阻传感器,应变式荷重传感器的外形及应变片的粘贴位置,114,2.2 应变式电阻传感器,F,应变式荷重传感器外形及受力位置（续）,F,F,115,2.2 应变式电阻传感器,F,F,116,应变式荷重传感器外形及受力位置（续）,2.2 应变式电阻传感器,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。,117,荷重传感器原理演示,2.2 应变式电阻传感器,汽车衡,118,2.2 应变式电阻传感器,汽车衡（以下参考北京远亚兴业商贸有限公司资料）,119,汽车衡称重系统,120,荷重传感器计算公式,当KF 为常数时，桥路所加的激励源电压Ui 越高，满量程输出电压Uom也越高。,121,荷重传感器应用估算,例2-2 现用上图所示的荷重传感器称重。当桥路电压为6V时，测得桥路的输出电压为24mV，求被测荷重为多少吨。解 从上图所示的荷重传感器铭牌上得到F m=100103N，KF=2mV/V，根据式（2-5）得Uom=24mV。被测荷重,122,荷重传感器应用估算,在上面介绍过的汽车衡示意图中，共使用了4个荷重传感器，量程Fm=20t，灵敏度KF=2.5mV/V，使用4个独立的桥路电源，每一个电源电压均相等，Ui=12V，四个荷重传感器的输出串联，总的输出电压Uo=24mV，请估算汽车的质量。,123,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,124,电子秤,磅秤,超市打印秤,远距离显示,125,电子天平,电子天平的精度可达十万分之一,126,人体秤,127,吊钩秤,便携式,128,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。,129,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。,130,压阻式固态压力传感器,压阻式固态压力传感器,压阻式固态压力传感器的隔离、承压膜片,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。,131,压阻式固态压力传感器内部结构,信号处理电路,132,小型压阻式固态压力传感器,高压进气口,133,低压进气口,绝对压力传感器,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,134,p1进气管,p2进气管,固态压力传感器,小型压阻式固态压力传感器（续）,表压压力传感器,135,p1进气管,投入式液位计,136,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。,投入式液位计外形（续）,压阻式固态压力传感器,137,光柱 显示器,橡胶 背压管,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。,138,投入式液位传感器,安装高度h0处水的表压 p1=gh1,h=h0+h1=h0+p1/（g）,139,例：液位计安装高度为1m，测得压力为98kPa，求水的深度。,投入式液位计液位的计算：,140,利用应变片直接测量应变的专用仪器，在科研和工业生产中常常需要研究机械设备构件或组件承受应变的状况，测量构件形变时应变力，如高压容器（高压气瓶、高压锅炉），生产过程中必须采用应变测量方法检测耐压和变形时压力；火炮生产需了解火炮发射时炮管形变，飞机导弹研制时要在特殊的“风洞”实验场中模拟高空状态下飞行时机身、机翼等各部件的形变情况；汽车制造需测试汽车底盘承压时的形变。按测量应变力的频率可分为静态应变仪和动态应变仪，按应变力频率又可细分为：静态，5Hz；静动态，几百Hz；动态，5KHz；超动态，几十KHz。,电阻应变仪,电阻应变仪,141,主要用于实验应力分析及静态强度研究中测量结构及材料任意点的应变，配上相应的传感器，可以测力、压力、扭矩、位移、温度等物理量，是在研究设计中作非破坏性试验的静态应变及上述各种物理量的测量分析的一种重要工具主要特点:将应变仪与平衡箱二者合为一体，携带方便，是大中专院校实验室进行应力测试的必备仪器。,下图所示的静态应变仪测量范围：19999；分辨率：1；电桥电压：直流2.5V；应变片：120或其他阻值；测量点数：8/16点；,142,电阻应变仪,电阻应变仪（续）,右图所示的静动态 应变仪技术指标：量程：110000频率范围：0-150kHz 平衡方式：手动 精度：0.3%零点飘移：-/：0.1-/24小时：0.5灵敏度变化：-/：0.05%-/24小时：0.3%信噪比：52dB,143,（参考东方振动和噪声技术研究所资料）,144,接线端子,电阻应变仪（续）,与计算机接口的多路电阻应变测量模块,145,材料应变的测量,斜拉桥上的斜拉绳应变测试,146,本章要点：,147,第2章 应变式传感器,电阻式传感器的基本原理，转换电路。了解不同电阻式传感器的结构、性能、灵敏 度差别，分别使用在哪些场合；如何通过电阻式传感器测量力、压力、位移、应变、加速度等非电量参数；金属箔式应变片：直流单臂、半桥、全桥比较。,148,应变片金属丝拉长，电阻增加，反之减少。应变传感器力传感器贴在试件上的应变片的电阻 变化率与应变成比例。半导体传感器可获得比金属大100倍以上的电阻变化。利用应变的传感器重量传感器、压力传感器、力传感器等。电桥电路平衡条件：R1R4=R2R3；用途：求未知电阻值，记录电阻变化率、温度补偿；欧姆定律、基尔霍夫定律：计算电路电压、电流。,本章要点：,第2章 应变式传感器,149,2.3 2.5 2.9,本章作业：,第2章 应变式传感器,150,采用电阻式应变传感器设计一个电子称：基本的系统框图，硬件电路以及软件的流程框图,本章实验：,第2章 应变式传感器,休 息 一 下,151,