传感器原理及应用第3章 电阻应变式传感器.ppt

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1、3.1 弹性敏感元件3.2 电阻应变计3.3 应变式力传感器3.4 应用,3 电阻应变式传感器,返 回 主 目 录,概述,各种电子秤,广泛应用于,概述,概述,第一节 弹性敏感元件 一、概念 变形:物体因外力作用改变原来的尺寸、形状.弹性形变:外力去掉后完全恢复原来的尺寸、形状的变形。,弹性元件:具有弹性形变特点的元件.当弹性敏感元件受拉(压)力时，元件除了产生变形外，其内部横截面之间还存在相互的作用力，内力(N),单位:牛顿.应力:单位横截面积S(单位为mm2)上所受的力，记为.,图3-1 应变示意图,应变:单位长度产生的变形称为相对变形.记为:弹性模量在材料弹性范围内.为常数.记为E:,拉压

2、虎克定律为 或,1.刚度:弹性元件在外力作用下变形大小的量度.用K来表示，(F为外力;x为变形)弹性特性曲线上某点A处的刚度,二、弹性敏感元件的特性,图3-2 弹性特性,图3-3 弹性滞后现象,X,F,2灵敏度弹性敏感元件在单位力作用下产生变形的大小.又称为弹性元件的柔度.是刚度的倒数，用S表示.,3.弹性滞后,弹性滞后现象:弹性元件在加、卸载的正反行程中变形曲线不重合的现象.主要原因是：弹性敏感元件在工作过程中分子间存在内磨擦。,4弹性后效,弹性后效:当载荷从某一数值变化到另一数值时，弹性变形不是立即完成相应的变形，而是经一定的时间间隔逐渐完成变形的现象.,当作用在弹性敏感元件上的力由零增加

3、至F0时，弹性敏感元件的变形首先由零迅速增加至Xl，然后在载荷未改变的情况下继续变形到Xo为止。,力由F0减至零，弹性敏感元件的变形也是先由X0而减至X2,然后继续减小变形，到变形等于零为止。,弹性后效现象的存在将引起测量误差。原因：弹性敏感元件中的分子间存在内磨擦。,5固有振动频率,固有振动频率fo，影响传感器的动态特性。工作频率应避开弹性敏感元件的固有振动频率，希望fo较高。,三、对弹性敏感元件材料的要求,(1)弹性滞后和弹性后效要小；(2)弹性模量的温度系数要小：(3)膨胀系数要小且稳定：(4)有良好的机械加工和热处理性能：(5)要求耐腐蚀，有良好的导电性或高的 绝缘性。,四、常用的弹性

4、敏感元件材料,国外一般使用合金结构钢，例如中碳铬镍钼钢，中碳铬锰硅钢，弹簧钢等，不锈钢。我国通常使用合金钢，碳钢，铜合金和铌基合金,石英玻璃及陶瓷材料。,五、弹性敏感元件的分类,输入到弹性敏感元件上的信号通常为力(力矩)或压力，输出是位移(挠度)或应变，按变换形式分有“力应变”、“力-位移”、“压力-位移”、“力矩角度”等类型。,六、变换力的弹性敏感元件,输入量为力F，输出量是应变、位移的敏感元件.在力的作用下，位移很小，用它的应变作为输出量.元件：实心柱、空心圆柱、矩形柱、等截面圆环、扭 转轴、等截面悬臂梁、等强度悬臂梁。,图3-5 变换力的弹性敏感元件,a）实心柱 b）空心圆柱 c）矩形柱

5、 d、e)等截面圆环 f）等截面悬梁臂 g）等强度悬梁臂 h）扭转轴,1、实心柱敏感元件,又称实心等截面轴、柱式弹性敏感元件.设轴的横截面积为S，轴材料的弹性模量为E，材料的泊松比为。当等截轴承受轴向拉力、压力时，轴向的应变为x x=F/S*E,与轴向垂直方向上的应变为y,特点：加工精度高，灵敏度小，适用于截面较大的 场力。,2环状弹性元件,做成等截面圆环，灵敏度高，用于测量较小的力，加工困难，各个部位的变形及应力不相等。,3悬臂梁,一端固定，一端自由的弹性敏感元件.特点：结构简单、加工方便。输出：应变、挠度。灵敏度比等截面轴及圆环高，用于较小力的测量。等截面悬臂梁、变截面等强度悬臂梁.,A.

6、等截面悬臂梁,任一指定点A，上下表面的应变大小、相等，符号相反.设梁的截面厚度为，宽度为b，总长为L.在距离固定端L处的为,最大应变产生在梁的根部,在等截面梁的不同部位产生的应变是不相等的.,B.等强度悬臂梁,当梁的自由端有力F作用时，沿梁的整个长度上的应变处处相等，灵敏度与梁长度方向的坐标无关。,4.扭转轴,在扭矩T的作用下，扭转轴的表面产生拉伸、压缩应变,七、变换压力的弹性敏感元件,将气体和液体等的压力转换为位移或应变的弹性敏感元件。类型有：弹簧管、波纹管、等截面薄板、膜盒、薄壁圆筒、薄壁半球。,图3-6 变换压力的弹性元件,a）弹簧管 b）波纹管 c)等截面板 d）膜盒 e）薄壁圆筒 f

7、）薄壁半球,第二节 电阻应变计,将被测试件的应变量转换成电阻变化量的敏感元件。基于电阻应变效应制成。压力、荷重、位移、速度、加速度、扭矩等，都可以利用电阻应变计转换为电信号.,电阻应变式传感器：利用电阻应变片将应变转换为电阻变化传感器.在弹性元件上粘贴电阻应变敏感元件构成。,用于测量力、力矩、压力、加速度、重量等.,当被测物理量作用在弹性元件上时,弹性元件的变形引起应变敏感元件的阻值变化,通过转换电路将其转变成电量输出,电量变化的大小反映了被测物理量的大小。,一、基本工作原理,电阻应变效应：导体或半导体材料在外力作用下产生机械变形，其电阻值将发生变化.,（1）应变效应,金属应变片结构：网状敏感

8、栅高阻金属丝、金属箔 基片绝缘材料 盖片保护层,箔式应变片结构,应变片粘贴于被测材料上，被测材料受到外力的作用产生的应变传到应变片上，使应变片的电阻值发生变化，通过测量应变片电阻值的变化就可得知被测量的大小。,设一金属丝导体的初始长度为L,截面半径为r，面积为S，电阻率为，电阻值当导体两端受外施轴向力作用时，几何尺寸、电阻率都将发生变化，引起电阻值的变化。用数学式来表述其变化，将上式微分。,设,电阻丝纵向应变,电阻丝横向应变,电阻相对变化量,又,电阻率相对变化量，大多数的电 阻丝，其值是常数，往往甚小，可以忽略。,为电阻丝材料的泊松比，表示材料径向应变与轴向应变的比例关系，大多数金属材料,因而

9、,即,式中，K为应变片灵敏系数，表示单位应变所引起的电阻相对变化。,第三节 应变式力传感器,将力学量转换为电量的装置称为力传感器，称重传感器，力矩传感器等。,力传感器是应变式力传感器。将力、扭矩、加速度、荷重等非电量转换成电量。敏感元件为各种弹性体，传感元件是应变片。,为了显示、记录应变的大小必须将电阻的变化转换为电压、电流的变化，由测量电路完成，常用的测量电路是桥式电路。,一、电阻应变计测量电路,常规应变片的电阻变化范围很小，测量电路应精确地测量出这些小的电阻变化。通常用的是桥式测量电路.,电阻应变片测量电路（1）直流电桥,，当电阻变化,为了使测量前的输出为0，必须让电桥平衡,半桥单臂工作方

10、式:R1为应变片，其余各臂为固定电阻。,半桥双臂工作方式:Rl、R2为应变片，R3、R4为固定电阻。,全桥四臂工作方式:全桥四臂都为应变片,则,图315 应变片的正负值,的正负值是约定孰成的,如图3-15所示.如图(a)所示:R1受拉,为正;R2受压 为负 如图(b)所示:纵向 为正,横向 为负,如图(c)所示:(轴向)为正;(径向)为负 全桥四臂工作方式的输出灵敏度最高,半桥单臂工作方式结构较简单,但存在非线性问题.,二、电桥电路的温度补偿,环境温度变化时会引起应变片的电阻变化，对测量造成误差。进行温度补偿消除这种误差。两种常用的温度补偿方法。,1.差动电路法若电阻的变化量 包括:应变引起的

11、变化量 和温度引起的变化量,各应变片的 相同,温度引起的电阻变化量不影响桥路的输出电压值，利用双臂或四臂的工作方式，可消除非线性误差，提高灵敏度，进行温度补偿，消除由温度变化引起的零点漂移。,2.热敏电阻法在电路中串入或并入热敏电阻.在应变片的灵敏系数随温度升高而下降的情况下,可采用热敏电阻Rt进行补偿的方法,如图3-16所示.,热敏电阻与应变片处于相同的温度下,只要合理地选择分流电阻R5和负温度系数的热敏电阻Rt的阻值,可使电桥输出电压在温度变化的情况下保持不变,可达到温度补偿的目的.,图3-16 用热敏电阻补偿温度误差,三、应用,应用于应变、压力、弯矩、扭矩、加速度和位移等物理量的测量。,

12、分为两大类：一种是将应变片粘贴在弹性敏感元件上，由弹性元件在被测物理量（如力、压力、加速度等)的作用下，产生成正比的应变，由应变片作为传感元件将应变转换为电阻变化，通过测量电路检测出被测物理量.如：称重测力传感器。,另一种是直接将应变片粘贴在被测构件上，将其接到应变仪上就可以直接从应变仪上读到相应的应变值.例如:电阻应变仪。,1.柱式力传感器柱式力传感器的弹性元件有实心柱与空心柱两种,以实心柱为例,设钢制圆筒截面积为S(单位m2),泊松比为,弹性模量为E(单位为N/m2).,应变片的灵敏系数为K,四片特性相同的应变片对称地贴在圆筒外表面,(如图2-17),并将四片应变片结成全桥形式.可提高检测

13、灵敏度和温度稳定性,最大测力(或荷重)量程可达107N.,图3-17 荷重传感器示意图,这时应变片1、4是纵向应变,应变片2、3是横向应变,而输出电压,若额定荷重为Fm,荷重传感器的最大输出Uom与输入电压Ui之比称为荷重传感器的灵敏度KFU0一般为mV数量级,Ui为V级,KF以mV/V为单位.,例3.1 电阻应变片阻值为120,灵敏系数K=2,沿纵向粘贴于直径为0.05m的圆形钢柱表面,钢材的E=21011N/m2,=0.3,求钢柱受10t(吨)拉力作用时,应变片电阻的变化量R和相对变化量R/R.又若应变片沿钢柱圆周方向粘贴,受同样拉力作用时,应变片电阻的相对变化量为多少?,2悬臂梁式力传感

14、器,在梁固定端附近的上、下表面各粘贴两个应变片并接成全桥工作方式。用于测量500kg以下小载荷。,例3.2 有一应变式等强度悬臂梁式力传感器如图,假设悬臂梁的热膨胀系数与应变片中的电阻热膨胀系数相等,R1=R2,构成半桥双臂电路,设悬臂梁厚度=0.5mm,长度l0为15mm,固定端的宽度b为18mm,材料的弹性模量E=2.0105N/mm2,桥路的输入电压Ui=2V,输出电压为1.0mV,应变计的K=2.0,求作用力F.,解:等强度悬臂梁在沿梁的整个长度上应变处处相等.,=,3电子秤,将重量转换成电信号的称重传感器.用来检测料斗(或容器)、吊车、皮带机、平台等装载物料的重量。将电信号放大显示，

15、控制称重设备(或装置).有动态和静态两种；,按用途和使用场合来分;主要有:料斗秤、吊车秤、皮带秤、平台秤、轨道衡、油罐秤等，,由以下几个部分组成：承重和传力机构。是将被秤物体的重量或力传递给称重传感器的机械系统。包括承重台面、秤桥结构、吊挂连接单元、安全限位装置等。,图所示是采用微处理机的电子秤原理框图,称重传感器:将作用于传力机构的重量或力转换为电量(电压、电流、频率等)输出。称它为一次变换元件。,显示记录仪表,称为二次显示仪表:用于测量称重传感器输出的电信号数值或状态，以指针或数码形式显示出来。,电源:用于向称重传感器测量桥路馈电的电源,要求稳定度较高。可以是交流的或直流的稳压电源。,电子

16、秤与机械秤相比具有以下优点：,(1)响应速度快；(2)结构简单、体积小、重量轻。(3)称重信号(结果)可以远距离传送。,可用计算机进行数据处理、自动显示记录称重结果。实现生产过程自动化：(4)有优良的防潮、防腐蚀性能，能在机械秤无法工作的恶劣环境下工作：稳定性好、机械磨损小、使用方便、寿命长：,常用的电子秤有：,容器电子秤:可以用来称量气体、液体和粉粒状物料 的重量吊车电子秤:用于物料吊送过程中的称重,皮带电子秤:主要对皮带运输机的所载物料的称重;平台电子秤:包括电子地中衡、地面平台秤、电子汽车衡以及低台面轴重计、轮重计等。,4电阻应变仪,专门用于测量电阻应变片应变量的仪器。实际测量时，将应变

17、片贴于被测点上，将其接入应变仪的测量桥路中，通过应变仪直接求得被测点的应变值。,电阻应变仪有静态、动态二大类。要测动态应变则用动态应变仪。测静态应变或变化较为缓慢的应变，可用静态电阻应变仪。,应变式传感器应用,桥梁固有频率测量电路,各种平行双孔梁,力传感器（测力与秤重）,应变式容器内液体重量传感器当容器中溶液增多时,感压膜感受的压力增大。将两个传感器Rt的电桥接成正向串接的双电桥电路,输出电压为,图3-12 应变片容器内液体重量传感器,溶液重量与电桥输出电压之间的关系式Uo=(K1-K2)Q/A 电桥输出电压与柱形容器内感压膜上面溶液的重量呈线性关系.可以测量容器内储存的溶液重量。,应变式加速

18、度传感器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。,应变式加速度传感器,测量时,将传感器壳体与被测对象刚性连接,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 到并产生应变,使应变片的电阻发生变化.引起应变片组成的桥路出现不平衡,输出电压,可得出加速度a值的大小。,微型硅应变压力传感器,小结,工作原理,电阻应变片的种类,应变片的温度误差及补偿,应变片的温度误差,电阻温度系数的影响,电阻应变片的温度补偿方法通常有线路补偿法和应变片自补偿两大类。,电阻应变片的测量电路,直流电桥平衡条件,单臂电桥,交流电桥,应变式传感器应用,力传感器,液体重量传感器,加速度传感器,