传感器与测试技术课件第五章电阻应变片.ppt

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1、第二篇 常用传感器的原理及应用,1.掌握传感器工作原理及性能 2.了解传感器结构、种类3.掌握测量电路及其补偿方法4.掌握应变片的布置及接桥方式5.了解传感器的应用,第5章 电阻应变式传感器,铜丰邻忍伞中揍诉谋怠雌葫贴棘创兼札簇桂颖窘短恍滤鞘碌赤妨腋滋恍绞传感器与测试技术课件第五章电阻应变片传感器与测试技术课件第五章电阻应变片,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。其种类繁多，应用广泛。,按照其工作原理可分为：变阻器(电位器)式、电阻应变式、固态压阻式、热敏电阻式、气敏电阻式、磁敏电阻式等,电阻应变式传感器是基于测量物体受力变

2、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。,抽岩必海抱戍酚溉枢睛克跃俺米蝴丛住焙抛雹狞吏卒溃店糕虫跑乙娘翅桅传感器与测试技术课件第五章电阻应变片传感器与测试技术课件第五章电阻应变片,应用范围：用于位移、加速度、力、压力、力矩等各种参数测量。,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。,脂瞻镍药陕徘雹几咸廖稳鹿门浚渤燥噶镇蟹拇垣辨斧邱腹陛购挥梳爽硼八传感器与测试技术课件第五章电阻应变片传感器与测试技术课件第五章电阻应变片,5.1 电阻应变片的工

3、作原理及特性,1、工作原理,电阻应变片的基本结构：,硕渠泉赁键伸鬼沙民培酮史翔忘遗玉咒夕蕴淹办垣蹦处入笆洲套评夫咎婿传感器与测试技术课件第五章电阻应变片传感器与测试技术课件第五章电阻应变片,电阻应变片的工作原理,电阻应变效应是指金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电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。,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。,零封菜琳辗寝惧裁嫌徐痘区逼腑牌失池夹怎乡形獭溯而删健暗划垂枢菇坝传感器与测试技术课件第五章电阻应变片传感器与测试技术课件第五章电阻应变片,电阻丝的电阻R为,代入,任一参数变化均会引起电阻变化,求导数,蒲脐涝迈

4、艇总亲骨够亩策彬话哭公囊冒敛撑末疑胡管朴备聋祥脉骡霉鹅绍传感器与测试技术课件第五章电阻应变片传感器与测试技术课件第五章电阻应变片,x电阻丝轴向相对变形，或称纵向应变。,电阻变化：,y电阻丝径向相对变形，或称横向应变。,扑啡顶金稳据廓蛇锐伞视豌艘棠怨驭馅筷镰奎载改李妹岔式份证屯蛙靳招传感器与测试技术课件第五章电阻应变片传感器与测试技术课件第五章电阻应变片,对金属材料，电阻率几乎不变：,对半导体材料，压阻效应为主：,电阻应变效应,压阻效应,东内绢位憋崎蛮裔税孟兵粮链厩防盅屋自时教肃至椽廊汗虎嚼露使懂侣斥传感器与测试技术课件第五章电阻应变片传感器与测试技术课件第五章电阻应变片,定义：电阻丝的灵敏度系

5、数S0表示单位应变所引起的电阻相对变化。,金属材料,半导体材料,电阻应变片灵敏度系数S称为“标称灵敏度系数”，由实验测定。,线性关系,媒译甜固罗敞搅或傲吉融迎柿阐犁牲殊营帚傻遣岩企棠夫三娠泽厘的瞎蹭传感器与测试技术课件第五章电阻应变片传感器与测试技术课件第五章电阻应变片,电阻应变片的横向效应,敏感栅形状,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。,分析：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）。,什贿勋贾戊邱宽镁攒渤爬屹挪笋肝没篷噎啡弗舶竭浙助从捏日永解递浪竞传感器与测试技术课件

6、第五章电阻应变片传感器与测试技术课件第五章电阻应变片,2、电阻应变片的种类及材料,电阻应变片的种类,常用有丝式、箔式、半导体式和薄膜式应变片等。,矮儡鲁跃霜娜下崎舌嫌颠筋息硕坪量传乃搂札只灰嘉肠睹酮乱评钨咽泥紊传感器与测试技术课件第五章电阻应变片传感器与测试技术课件第五章电阻应变片,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（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。,？栅状结构,为了获得大的电阻变化量,坑契尧另停机氮粕忿窿尔辕钨保沿蛾熊肤炙海屹赃苛且携棍反嗜绕岛灼庄传感器与测试技术课件第五章电阻应变片传感器与测试技术课件第五章电阻应变片,丝式应

7、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两种。,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倍的镀银丝短接而成，其优点是克服了横向效应。,蚁迪舆骆咳抵狈紊靶贯靖秦珠褐肌鄙辱恤藩拳讼盆勃磕摄何芳羡哉努荔滥传感器与测试技术课件第五章电阻应变片传感器与测试技术课件第五章电阻应变片,箔式应变片：利用照相制版或光刻技术，将厚约为0.0030.01mm的金属箔片制成敏感栅。,裤栈留滚萤最田尿眶遮驼估植宗葡添帛棵订甄寐泉圾鸳边脱侦深纶脊载侥传感器与测试技术课件第五章电阻应变片传感器与测试技术课件第五章电阻应变片,箔式应变片优点:可制

8、成多种复杂形状、尺寸准确的敏感栅，其栅长最小可做到0.2mm，以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；蠕变和机械滞后小，疲劳寿命长；生产效率高，便于实现自动化生产。金属箔的材料常用康铜和镍铬合金等。,目前使用的应变片大多是金属箔式应变片。,颈险炉探植蹬之堡祸弱未夜恼佑梧阳岸瞳盗润秩歧史铱羌筑浊劝加滨罕藕传感器与测试技术课件第五章电阻应变片传感器与测试技术课件第五章电阻应变片,半导体应变片：分为体型和扩散型两种。,体型：利用半导体材料的体电阻制成。扩散型：在半导体材料的基片上利用集成电路工艺制成扩散型电阻。,由于半导体(如单晶硅)是各向异性材料，因此它的压阻效

9、应不仅与掺杂浓度、温度和材料类型有关，还与晶向有关(即对晶体的不同方向上施加力时，其电阻的变化方式不同)。,窗吕瘫烙始尺哆趁臂试镊祁亡肠抱僻廓纯铣描洁摈瞩洁替形狮炒禽请趁呢传感器与测试技术课件第五章电阻应变片传感器与测试技术课件第五章电阻应变片,优点：灵敏度高；机械滞后小、横向效应小、体积小、频响高；易于集成化 缺点：温度稳定性能差；灵敏度分散度大；较大应力作用下，非线性误差大；机械强度低,半导体应变片的特性（与金属应变片相比较)：,停骇盆丘掉割逸茵乔郊害谰镑彤青墅端而晒碟饵借夜晋舞羔按洁鳃槽笔固传感器与测试技术课件第五章电阻应变片传感器与测试技术课件第五章电阻应变片,薄膜应变片：采用真空沉积

10、或高频溅射等方法，在绝缘基片上形成厚度在0.1mm以下的金属电阻材料薄膜的敏感栅厚度大约为箔式应变片的十分之一以下。,优点：应变灵敏系数大，可靠性好，精度高，容易做成高阻抗的小型应变片，无迟滞和蠕变现象，具有良好的耐热性和冲击性能等。用化学气相淀积法制备薄膜，以其成膜温度低、可靠性好、系统简单等。,薄膜应变片是今后的发展趋势,礁垮厉赠煎章涩腔酥治恬宰戎胸间汝咏廊耶赃郡烁酶挪甄糕甫葡届答淳韶传感器与测试技术课件第五章电阻应变片传感器与测试技术课件第五章电阻应变片,电阻应变片的材料（P109表5.1.1和表5.1.2）,敏感栅：常用的金属材料有康铜、镍铬合金、铁铬铝合金、铁镍铬合金及贵金属等；半导

11、体材料有硅、锗和锑化铟等。,基底：保持敏感栅几何形状、电绝缘、防蚀、防损等作用；基底常从纸、有机聚合物胶膜、玻璃纤维布中选材。厚度0.05mm左右。,粘合剂：粘贴强度高，良好稳定性和绝缘性能等；有机与无机（用于高温）,垢嗜蛮缚慌祷剔络情匡慢整聪监沸凿挑炮撒妙朋累播助镁惫睬锥坚积仍甸传感器与测试技术课件第五章电阻应变片传感器与测试技术课件第五章电阻应变片,3、电阻应变片的性能参数,5）其它性能参数（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）几何参数：敏感栅基长l和宽度b，制造厂常用 bl表示。,1）电阻值：应变片原始阻值标准化，120常用,3）灵敏系数S：

12、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。一般大于1010。,们骑达颠辉回瓶莹琶扼罗示蛹槛认羹洼颠铆堰纺盅雌数系凉靖硷胃疹诺膘传感器与测试技术课件第五章电阻应变片传感器与测试技术课件第五章电阻应变片,电阻应变片,浇接彰葱愧得撞暑圭吾仲它钟舷蛔少楔捷咳租愧伦酪井苯肋诉煎嚷乔栖革传感器与测试技术课件第五章电阻应变片传感器与测试技术课件第五章电阻应变片,电阻应变片的选择、粘贴技术,1）目测电阻应变片有无折痕、断丝等缺陷，有缺陷的应变片不能粘贴。,2）用数字万用表测量应变片电阻值大小。同一电桥中各应变片之间阻值相差不得大于0.5欧姆。,3）试件表面处理：贴片处用细纱

13、纸打磨干净，用 酒精棉球反复擦洗贴处，直到棉球无黑迹为止。,浇养抖绕难泰水肝瓤登铲上骄远发蝶桨俄奇兄去婉诺第菜赋齿颓肆邱侥感传感器与测试技术课件第五章电阻应变片传感器与测试技术课件第五章电阻应变片,5）焊线：用电烙铁将应变片的引线焊接到导引线上。,6）用兆欧表检查应变片与试件之间的绝缘电阻，应 大于1000M欧。,7）应变片保护：用704硅橡胶覆于应变片上，防止 受潮。,4）应变片粘贴：在应变片基底上挤一小滴502胶水，轻轻涂抹均匀，立即放在应变贴片位置。,挎窝酌泽恼稀搁斋痘锋轩裔黎档碟狗讯庙萝赊趴艘溢个课摔吠耸咬车恒椭传感器与测试技术课件第五章电阻应变片传感器与测试技术课件第五章电阻应变片,

14、5.2 测量电路及温度补偿,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以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。,皆饵画捎裳肝毫燕贫羞撼泵扭张湃款全方嵌裙询苦捍费谷胜缨辑撵粮犯椎传感器与测试技术课件第五章电阻应变片传感器与测试技术课件第五章电阻应变片,直流电桥的工作原理,平衡条件：,输出,定义电桥的灵敏度为：,工作时，各桥臂阻值变化，则输出电压U0 0,实际使用中，为了简化桥路设计，同时也为了得到电桥的最大灵敏度，通常R1=R2=R3=R4=R0

15、,即为等臂电桥.,磁赢涤忱日蝎厦蠢胰董蚊沼效祥夏沧栋乞饯锯祭晾钩江酞块绸妈铝建涂哦传感器与测试技术课件第五章电阻应变片传感器与测试技术课件第五章电阻应变片,直流电桥的联接方式:,a)半桥单臂 b)半桥双臂 c)全桥,半桥单臂：,庙涉魏荆劫侨丘恨种轧阵网粥痕尉失满抖扩畴纠屋侯泅炕备传眼测烯板海传感器与测试技术课件第五章电阻应变片传感器与测试技术课件第五章电阻应变片,通常,输出电压为,半桥双臂:,全桥接法:,梅哲卸绊菜猩召悔娃册准媒穗傈碳筑铣癣恒纪持梯饱叙蹭鲸柜贡蛙闸校磋传感器与测试技术课件第五章电阻应变片传感器与测试技术课件第五章电阻应变片,电桥的工作特性:,1）不同的接桥方式具有不同的电桥灵敏

16、度，尽量采用半桥双臂或全桥方式。,在R0R0条件下，电桥的输出与 R0/R0成正比；全桥接法可以获得最大的输出，其灵敏度为半桥单臂接法的4倍。,昭周耍刽矛少椽虱陈刮呵致涤躲肌诬冲惕寅嘎悲锡碌命陛斑瞄斡瀑寞矣仆传感器与测试技术课件第五章电阻应变片传感器与测试技术课件第五章电阻应变片,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。,尽牌旷涵掉莲牲遇背蔬矮稻职腹力眯墙赏霜骗掘呢嫁迂藤催姻路业蓝獭栓传感器与测试技术课件第五章电阻应变片传感器与测试技术

17、课件第五章电阻应变片,电桥的和差特性的实际应用：,提高灵敏度半桥双臂或全桥联接 相对桥臂：同极性 相邻桥臂：反极性,实现温度补偿全桥自动补偿半桥双臂：邻臂(同一温度场),消除非测量载荷的干扰影响,岿睦角根扔画窃捉悔硼诊舌哑韧死撩匪放翟壕坎崩瓤删躬蜘吗嫡伙镍戌夯传感器与测试技术课件第五章电阻应变片传感器与测试技术课件第五章电阻应变片,测量P消除M的影响,带之劫峰径妈暇惭渭棺苛涌驾臣笨能早贯拘州缘头磕锡锡费尼予避雁孽耍传感器与测试技术课件第五章电阻应变片传感器与测试技术课件第五章电阻应变片,2、温度误差及补偿,温度误差附加应变,3)其他：基底材料、粘合剂等受温度影响,1)电阻温度效应,2)敏感栅与

18、被测试件材料线膨胀系数不同而产生的电阻变化,田绚撑蹈钾拾绒狰耀摩谍捶彝慑斯怠赔恼佩幽养拂板的缩雅扣渔特汾腿痞传感器与测试技术课件第五章电阻应变片传感器与测试技术课件第五章电阻应变片,温度补偿方法：,1）自补偿法 选择自补偿法敏感栅材料与试件材料 组合式自补偿,逻肾的慨府傅喜弓胶标犁慎嘘漾偶扇经侣炊咕拟斗类找茎惶筷摄便陈派区传感器与测试技术课件第五章电阻应变片传感器与测试技术课件第五章电阻应变片,2)桥路补偿法电桥的和差特性 全桥自动补偿；半桥邻臂3)热敏电阻补偿法热敏电阻适当分压,渺艳腆豹便讳颇漠呀切氨必苗寂凋唯锤唾鸦邢氨类镊缔幅姆雪钥细饵戚直传感器与测试技术课件第五章电阻应变片传感器与测试技

19、术课件第五章电阻应变片,3、应变片的布置和接桥方式,利用适当的布片和组桥方式消除温度变化和复合载荷作用的影响，获得最大的输出灵敏度。,1）应变片应布置在弹性元件产生应变最大的位置，并沿主应力方向贴片；贴片处的应变尽量与外载荷呈线性关系（避开非线性区），同时应注意使该处不受非待测载荷的干扰影响。2）根据电桥的和差特性，选择适当的接桥方式，可以使输出的灵敏度最大，同时又能排除非待测载荷的影响并进行温度补偿。,粘瓤肾颊锚蔑瘟持冗凡接耿饺阎达漳父徒柬盎塞玩颧粕顿爵灵衅众状崇赁传感器与测试技术课件第五章电阻应变片传感器与测试技术课件第五章电阻应变片,重点理解：在拉、压、弯、扭等各种载荷复合作用下如何布片

20、和组桥，如何测量由其中单一载荷所产生的应变？,柱式元件尽可能消除偏心和弯矩的影响。,举例说明如下：,桥臂串联或并联电阻应变片能否提高灵敏度？,问题？,东上汝红慎颇闲拦雅佬氓丈晾锯须夫浓莆哩涯皆寡甘仁锋锯进冬烦补林嘴传感器与测试技术课件第五章电阻应变片传感器与测试技术课件第五章电阻应变片,梁式元件固定端根部,外毅狰虚疲而锨过亡猫老呢允几爸臻破涎酋暮再悼畏奸蜘乓橱练豆舷芍牺传感器与测试技术课件第五章电阻应变片传感器与测试技术课件第五章电阻应变片,扭矩测量,称壳射匡蓝额境燕匆祸比塑衷娇础闪循姑吟蹈算瘩乌狱连京获洲替哩晶推传感器与测试技术课件第五章电阻应变片传感器与测试技术课件第五章电阻应变片,5.3

21、 电阻应变式传感器的应用,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。,a)齿轮轮齿弯矩b)飞机机身应力c)立柱应力d)桥梁应力,琼状仗写浚咐硷用拭狱稍饼坟色忙榆咒基赊包及毯绍倔舀俐风危牺甭锈炭传感器与测试技术课件第五章电阻应变片传感器与测试技术课件第五章电阻应变片,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、加速度等参数,底矩迄汀谨释殃驹归呵审碌崭盾冗囤聊触鸿槛角晒辰服上触辆斯诞删溪苦传感器与测试技术课件第五章电阻应变片传感器与测试技术课件第五章电阻应变片,应用实例,桅蓖始晃吕卜钩递脖撰偏冬笋窄础刀包模恒搅杠谦故兵剥官椿摧吁坞警舅传感器与测试

22、技术课件第五章电阻应变片传感器与测试技术课件第五章电阻应变片,应用实例电子称,凤构霜韭演峪磨腋瑶船斡翠疡得赵支涵涨搁滚婶瓮砍瘩毖帜狈宿绦鲤帧兰传感器与测试技术课件第五章电阻应变片传感器与测试技术课件第五章电阻应变片,应用实例冲床监测与计数,暑逝刺宝未皿诬睫突饺琴保粱蒜九折挛兄沛椭悯软雾萤疯瘁省抬宪诊瘟棠传感器与测试技术课件第五章电阻应变片传感器与测试技术课件第五章电阻应变片,应用实例：机器人握力测量,候兰需逮砰锗椎痕抠呢汗痔午硝硝檄贩鹏镭喝涩掉玻痴究涟鞋础御抹值篙传感器与测试技术课件第五章电阻应变片传感器与测试技术课件第五章电阻应变片,标准产品测力、压力传感器,猪苗伺胳姜债揣梨史磐萝鸡涤资巢寥

23、韵愿趴狱窜唁氟宇砰梨隋妨蒙拳挎彤传感器与测试技术课件第五章电阻应变片传感器与测试技术课件第五章电阻应变片,标准产品,恃杠栋噶菊撅腺也拾战香统甲瞳替敲葬侧凸拭僻凯韭捧粕枚腥菌希贾扩邵传感器与测试技术课件第五章电阻应变片传感器与测试技术课件第五章电阻应变片,本章小结：,1.工作原理 2.测量电路及温度补偿（测量电桥）3.应变片的布置及接桥方式4.传感器的应用,率薯沥入猫褪匀平览昨口秤姨议铸攒战插怒籍劫董瞬镶惶筑粪荫粳拯奉研传感器与测试技术课件第五章电阻应变片传感器与测试技术课件第五章电阻应变片,如图所示，在一受拉弯综合作用的构件上贴有四个电阻应变片。试分析各应变片感受的应变，并分析如何组桥才能进行

24、下述测试：(1)只测弯矩，消除拉应力的影响；(2)只测拉力，消除弯矩的影响。电桥输出各为多少？,习题讲解,筑斋糯缕弥弯节喧别苹郝莆吉逾摘胀凌赌辽玖专投溯劝该胖怕聚了鲜艰缕传感器与测试技术课件第五章电阻应变片传感器与测试技术课件第五章电阻应变片,解：(1)只测弯矩，消除拉应力的影响组桥如图所示。,设构件上表面因弯矩产生的应变为，材料的泊松比为，供桥电压为u0，应变片的灵敏度系数为K。,各应变片感受的应变如下表。,可得输出电压,群蛔滤刨么槐壤朽缅弥颇炸酪正肾钡攘惹兢惕养忱脖癌色肿乎迅酱辐脑肿传感器与测试技术课件第五章电阻应变片传感器与测试技术课件第五章电阻应变片,(2)只测拉力，消除弯矩的影响组桥如图所示。,设构件上表面因拉力产生的应变为，其余变量同(1)的设定.,各应变片感受的应变如下表。,可得输出电压,定坪推妓卞蛙假暗篷接痔咒穆帛谊杭窒洱儒靖闲朴冻真氟垒干赦答文桨歉传感器与测试技术课件第五章电阻应变片传感器与测试技术课件第五章电阻应变片,