应变式传感器分析教学内容.ppt

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1、应变式传感器分析传感器原理及应用传感器原理及应用第第2 2章章 应变式传感器应变式传感器概述各种电子秤各种电子秤广泛应用于广泛应用于传感器原理及应用传感器原理及应用第第2 2章章 应变式传感器应变式传感器概述高高精精度度电电子子汽汽车车衡衡动态电子秤动态电子秤电子天平电子天平传感器原理及应用传感器原理及应用第第2 2章章 应变式传感器应变式传感器概述机械秤包装机机械秤包装机吊秤吊秤2.1.1 2.1.1 工作原理工作原理1.1.金属的电阻应变效应金属的电阻应变效应电阻应变效应：当金属丝在外力作用下发生机械变形时 其电阻值将发生变化F l、A、R上一页返 回下一页电阻的相对变化电阻的相对变化对于

2、半径为r的圆导体，A=r2，A/A=2r/r又由材料力学可知，在弹性范围内，上一页返 回下一页为导体的纵向应变，其数值一般很小，常以微应变度量；为电阻丝材料的泊松比，一般金属=0.30.5；为压阻系数，与材质有关；为应力值；E为材料的弹性模量；金属电阻丝的灵敏系数：金属电阻丝的灵敏系数：单位应变所引起的电阻值相对变化量材料的几何尺寸变化引起的（形变效应）材料的电阻率随应变引起的（压阻效应）金属材料：k0以前者为主，则k01+2=1.73.6半 导 体：k0值主要是由电阻率相对变化所决定上一页返 回下一页电阻应变式传感器原理电阻应变式传感器原理2.2.应变片的基本结构与种类应变片的基本结构与种类

3、 1）敏感栅）敏感栅 直径为直径为0.025mm左右的合金电阻丝左右的合金电阻丝丝绕式丝绕式 2）基）基 底底 绝缘绝缘 3）覆盖层）覆盖层 保护保护 4）引线）引线 与外电路相连与外电路相连位移、力、力矩、加速度、压力弹性敏感元件 应变 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 应变片上一页返 回下一页应变片的类型和材料应变片的类型和材料l金属丝式金属丝式 l金属箔式金属箔式 l金属薄膜式金属薄膜式 回线式短接式 上一页返 回下一页金属丝式应变片金属丝式应变片上一页返 回下一页 金属电阻丝应变片的基本结构 1-基片；2-电阻丝；3-覆盖层；4-引出线 金属电

4、阻应变片，材料电阻率随应变产生的变化很小，可忽略金属电阻应变片，材料电阻率随应变产生的变化很小，可忽略应变片电阻的相对变化与应变片纵向应变成正比，应变片电阻的相对变化与应变片纵向应变成正比，并且对同一电阻材料，并且对同一电阻材料，K0=1+2是常数。是常数。其灵敏度系数多在其灵敏度系数多在1.73.6之间。之间。上一页返 回下一页金属箔式应变片 l在绝缘基底上，将厚度在绝缘基底上，将厚度为为0.0030.01mm电阻电阻箔材，利用照相制板或箔材，利用照相制板或光刻腐蚀的方法，制成光刻腐蚀的方法，制成适用于各种需要的形状适用于各种需要的形状 箔式应变片 上一页返 回下一页优点优点：（1）尺寸准确

5、，线条均匀，适应不同的测量要求，尺寸准确，线条均匀，适应不同的测量要求，（2）可制成多种复杂形状尺寸准确的敏感栅）可制成多种复杂形状尺寸准确的敏感栅 （3）与被测试件接触面积大，粘结性能好。）与被测试件接触面积大，粘结性能好。散热条件好，允许电流大，灵敏度提高。散热条件好，允许电流大，灵敏度提高。（4）横向效应可以忽略。）横向效应可以忽略。（5）蠕变、机械滞后小，疲劳寿命长。）蠕变、机械滞后小，疲劳寿命长。缺点：缺点：电阻值的分散性大电阻值的分散性大 阻值调整阻值调整 上一页返 回下一页金属薄膜应变片金属薄膜应变片l采用真空蒸发或真空沉积等方法在薄的绝缘基采用真空蒸发或真空沉积等方法在薄的绝缘

6、基片上形成厚度在片上形成厚度在0.1m以下的金属电阻材料薄以下的金属电阻材料薄膜敏感栅，再加上保护层，易实现工业化批量膜敏感栅，再加上保护层，易实现工业化批量生产生产 l优点：应变灵敏系数大，允许电流密度大，优点：应变灵敏系数大，允许电流密度大，工工作范围广，易实现工业化生产作范围广，易实现工业化生产l问题：难控制电阻与温度和时间的变化关系问题：难控制电阻与温度和时间的变化关系 上一页返 回下一页电阻应变式传感器结构电阻应变式传感器结构X2.1.2金属应变片的主要特性金属应变片的主要特性 （一）（一）灵敏系数灵敏系数（二）（二）横向效应横向效应（三三）温温度度误误差差及及其其补补偿偿上一页返

7、回下一页应变片的电阻值应变片的电阻值Rl应变片在未经安装也不受外力情况下，应变片在未经安装也不受外力情况下，于室温下测得的电阻值于室温下测得的电阻值 l电阻系列：电阻系列：60、120、200、350、500、1000 可以加大应变片承受电压，可以加大应变片承受电压，电阻值大电阻值大 输出信号大，输出信号大，敏感栅尺寸也增大敏感栅尺寸也增大 上一页下一页返 回（一）灵敏系数（一）灵敏系数“标称灵敏系数”：受轴向单向力（拉或压），试件材料为泊松系数=0.285的钢等。一批产品中只能抽样5的产品来测定，取平均值及允许公差值。电阻应变片的灵敏系数k 电阻丝的灵敏系数k0 粘结层传递变形失真还存在有横

8、向效应 原因：上一页返 回下一页（二）横向效应（二）横向效应敏感栅是由多条直线和圆弧部分组成直线段：沿轴向拉应变x，电阻圆弧段：沿轴向压应度y 电阻 K (箔式应变片)上一页下一页返 回l lyxy（二）横向效应（二）横向效应应应变变片片的的横横栅栅部部分分将将纵纵向向丝丝栅栅部部分分的的电电阻阻变变化化抵抵消消了了一一部部分分，从从而而降降低低了了整整个个电电阻阻应应变变片片的的灵灵敏敏度度，带带来来测测量量误误差差，其其大大小小与与敏敏感感栅栅的的构构造造及及尺尺寸寸有有关关。敏敏感感栅栅的的纵纵栅栅愈愈窄窄、愈愈长长，而而横横栅栅愈愈宽宽、愈愈短短，则则横横向向效效应应的的影影响响愈愈小

9、小。（将直的电阻丝绕成敏感栅后,虽然长度不变,应变状态相同,但由于应变片敏感栅的电阻变化较小,因而其灵敏系数K较电阻丝的灵敏系数Ko小，此现象）（三）温度误差及其补偿（三）温度误差及其补偿上一页返 回下一页1、电阻温度系数误差：敏感栅电阻随温度的变化引起的误差。当环境温度变化t 时，敏感栅材料电阻温度系数为，则引起的电阻相对变化为2、试件材料的线膨胀引起的误差。当温度变化t时，因试件材料和敏感栅材料的线膨胀系数不同，应变片将产生附加拉长（或压缩），引起的电阻相对变化 温度误差 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

10、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）当试件与电阻丝材料的线膨胀系数相同时,不论环境温度如何变化,电阻丝的变形仍和自由状态一样,不会产生附加变形。当试件和电阻丝线膨胀系数不同时,由于环境温度的变化,电阻丝会产生附加变形,从而产生附加电阻。设电阻丝和试件在温度为 0 时的长度均为L0，它们的线膨胀系数分别为s和g,若两者不粘贴,则它们的长度分别为 应变片 Ls=L0（1+st）2)试件材料和电阻丝材料的线膨胀系数的影响试件材料和电阻丝材料的线膨胀系数的影响测试件（弹

11、簧件）Lg=L0（1+gt）当二者粘贴在一起时,电阻丝产生的附加变形L,附加应变和附加电阻变化R 分别为 L=Lg-Ls=（g-s）L0t 附加轴向应变=L/L0=（g-s）t R =K0 R0 =K0 R0(g-s)t （2）相应的虚假应变输出由（1）（2）式可得由于温度变化而引起应变片的总电阻变化为温度补偿温度补偿 单丝自补偿法 自补偿法 组合式自补偿法 线路补偿法电桥补偿法、热敏电阻温度补偿 上一页返 回下一页电桥补偿法电桥补偿法U0R1R4R3URbFFR1（工作应变片）（工作应变片）Rb（补偿应变片）（补偿应变片）R1+RRb+RU0R1RR4R3URb+R上一页返 回下一页 当被测

12、试件不承受应变时,R1和RB又处于同一环境温度为t 的温度场中,调整电桥参数，使之达到平衡,有 Uo=A（R1R4-RBR3）=0 （2.1.18）工程上,一般按R1=R2=R3=R4 选取桥臂电阻。当温度升高或降低t=t-t0时,两个应变片的因温度而引起的电阻变化量相等,电桥仍处于平衡状态,即 Uo=A（R1+R1t）R4-(RB+RBt)R3=0 若此时被测试件有应变的作用,则工作应变片电阻R1又有新的增量R1=R1K,而补偿片因不承受应变,故不产生新的增量,此时电桥输出电压为 Uo=AR1R4K 由上式可知,电桥的输出电压Uo仅与被测试件的应变有关,而与环境温度无关。注意：注意：若实现完

13、全补偿若实现完全补偿,上述分析过程必须满足四个条上述分析过程必须满足四个条件件:在应变片工作过程中,保证R3=R4。R1和RB两个应变片应具有相同的电阻温度系数,线膨胀系数,应变灵敏度系数K和初始电阻值R0。粘贴补偿片的补偿块材料和粘贴工作片的被测试件材料必须一样,两者线膨胀系数相同。两应变片应处于同一温度场。电桥补偿法电桥补偿法l优点：优点：l简单、方便，在常温下补偿效果较好，简单、方便，在常温下补偿效果较好，缺点：缺点：l在温度变化梯度较大的条件下，很难做在温度变化梯度较大的条件下，很难做到工作片与补偿片处于温度完全一致的到工作片与补偿片处于温度完全一致的情况，因而影响补偿效果。情况，因而

14、影响补偿效果。应变片的自补偿法应变片的自补偿法l粘粘贴贴在在被被测测部部位位上上的的是是一一种种特特殊殊应应变变片片，当当温温度度变变化化时时，产产生生的的附附加加应应变变为为零零或或相相互互抵抵消消，这这种种应应变变片片称称为为温温度度自自补补偿偿应应变变片片。利利用用这这种种应应变变片片来来实实现现温温度度补补偿的方法称为应变片自补偿法。偿的方法称为应变片自补偿法。la.选择式自补偿应变片选择式自补偿应变片lb.双金属敏感栅自补偿应变片双金属敏感栅自补偿应变片a.选择式自补偿应变片选择式自补偿应变片优点：容易加工，成本低，缺点：只适用特定试件材料，温度补偿范围也较窄。上一页返 回下一页由式

15、由式(2.1.16)可知，实现温度补偿的条件为可知，实现温度补偿的条件为当被测试件的线膨胀系数当被测试件的线膨胀系数g已知时，通过选择敏感栅材料，已知时，通过选择敏感栅材料，使下式成立使下式成立(2.1.21)即可达到温度自补偿的目的。即可达到温度自补偿的目的。R1R2组合自补偿法b.双金属敏感栅自补偿应变片双金属敏感栅自补偿应变片敏感栅丝由两种不同温度系数的金属丝串接组成 选用两者具有不同符号的电阻温度系数调整R1和R2的比例，使温度变化时产生的电阻变化满足 通过调节两种敏感栅的长度来控制应变片的温度自补偿，可达0.45m/的高精度 上一页返 回下一页热敏电阻热敏电阻Rt补偿补偿T K（电桥

16、灵敏度）RtUiR1RR4R3U0R2RtR5分流电阻分流电阻UURt U=Ui-URtK上一页返 回下一页2.1.3 电阻应变片的测量电路电阻应变片的测量电路 上一页返 回下一页1 1 直流电桥直流电桥2 2 非线性误差及其补偿非线性误差及其补偿 1.直流电桥直流电桥l 直流电桥的工作原理直流电桥的工作原理 IL=0时电桥平衡平衡条件:R1R4=R2R3 R1/R2=R3/R4 R1+R1R2R4R3UILRL上一页返 回下一页2不平衡直流电桥的工作原理及灵敏度不平衡直流电桥的工作原理及灵敏度 当电桥后面接放大器时当电桥后面接放大器时,电桥输出端看成开路电桥输出端看成开路.电桥的输出式为：电

17、桥的输出式为：应变片工作时，其电阻变化应变片工作时，其电阻变化R 上一页返 回下一页采用等臂电桥，即采用等臂电桥，即R1=R2=R3=R4=R。此时式。此时式(2.1.24)可写为可写为当当Ri R (i=1,2,3,4)时，略去上式中的高阶微量，则时，略去上式中的高阶微量，则上一页返 回下一页上式表明：Ri R时，电桥的输出电压与应变成线性关系。时，电桥的输出电压与应变成线性关系。若若相相邻邻两两桥桥臂臂的的应应变变极极性性一一致致，即即同同为为拉拉应应变变或或压压应应变变时时，输输出出电电压压为为两两者者之之差差；若若相相邻邻两两桥桥臂臂的的应应变变极极性性不不同同，则则输输出电压为两者之

18、和。出电压为两者之和。若若相相对对两两桥桥臂臂应应变变的的极极性性一一致致，输输出出电电压压为为两两者者之之和和；反反之则为两者之差。之则为两者之差。电电桥桥供供电电电电压压U越越高高，输输出出电电压压U0越越大大。但但是是，当当U大大时时，电电阻阻应应变变片片通通过过的的电电流流也也大大，若若超超过过电电阻阻应应变变片片所所允允许许通通过过的最大工作电流，传感器就会出现蠕变和零漂。的最大工作电流，传感器就会出现蠕变和零漂。增大电阻应变片的灵敏系数增大电阻应变片的灵敏系数K，可提高电桥的输出电压。，可提高电桥的输出电压。上一页返 回下一页略去分母中的R1/R1项,假设R1/R11单臂电桥，即R

19、1桥臂变化R，理想的线性关系 实际输出电压实际输出电压上一页返 回下一页电桥的相对非线性误差为电桥的相对非线性误差为2.2.非线性误差及其补偿非线性误差及其补偿减小非线性误差减小非线性误差采用的措施为采用的措施为：（1）采用半桥差动电桥 R1R2FU0R1R1R4R3UR2R2上一页返 回下一页R1R2R3R4=R，R1R2=R 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上一页返 回下一页特点特点输出电压为：U0R1R1UR2R2R4R4R3R3上一页返 回下一页全桥差动电路全桥差动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特点2.1.4电阻应变式传感器的应用电阻应

20、变式传感器的应用l1 1应变式力传感器应变式力传感器l2 2 应变式压力传感器应变式压力传感器l3.3.应应变变式式液液体体重重量量（或或液液位位）传感器传感器l4 4 应变式加速度传感器应变式加速度传感器上一页返 回下一页上一页返 回下一页柱柱式式力力传传感感器器1应变式力传感器应变式力传感器（a）实心圆柱；（）实心圆柱；（b）空心圆筒；）空心圆筒；R5R8R7R6R1R2R3R4R5R8R7R6R1R2R3R4UoUF(2)梁式力传感器梁式力传感器上一页返 回下一页等截面梁 结构简单，易加工，灵敏度高适合于测5000N以下的载荷 b0R1R1R2R2l l0 0l lF Fb bh 等截面

21、悬臂梁b0R1R1R2R2X Xl lF Fb bh 等强度悬臂梁 双端固定梁薄壁圆环式力传感器薄壁圆环式力传感器上一页返 回下一页在外力作用下，各点的应力差别较大在外力作用下，各点的应力差别较大BK-2S称重称重传感器感器产品品详细介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 上一页返 回下一页BK4轮辐式式传感器系列感器系列采用采用轮辐式式结构，高度低，抗偏构，高度低，抗偏抗抗

22、侧能力能力强，测量精度高，性能量精度高，性能稳定定可靠安装方便，是大、中量程精度可靠安装方便，是大、中量程精度传感器中的最佳形式，广泛用于各种感器中的最佳形式，广泛用于各种电子衡器和各种力子衡器和各种力值测量，如汽量，如汽车衡、衡、轨道衡、吊勾秤、料斗秤道衡、吊勾秤、料斗秤技术参数 量程（t）1，2，5，10，20，30，50 供桥电压 12VDC 灵敏度 152mV/V 输入阻抗 73020 非线性（%FS）0.03,0.05,0.1 输出阻抗 70010 重复性（%FS）0.03,0.05,0.1 绝缘电阻 2000M 滞后（%FS）0.03,0.05,0.1 工作温度-10+50 允许过

23、负荷 120%FS 热零点偏移（%FS/10）上一页返 回下一页2.2.应变式压力传感器应变式压力传感器 上一页返 回下一页trR4R3R1R2 UU0膜片P P r r t tR1R2 R3R4rrtt膜片式压力传感器 筒式压力传感器 测较大压力测较大压力 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 上一页返 回下一页组合式压力传感器 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。上一页返 回下一页AK-1型型应变式脉式脉动压力力传感

24、器感器产品品特点：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上一页返 回下一页3.3.容器内液体重量（液位）传感器容器内液体重量（液位）传感器上一页返 回下一页液位传感器液位传感器式中式中A1、A2传感器的传输系数；传感器的传输系数；g重力加速度重力加速度(m/s2)；被测溶液的密度被测溶液的密度(Kg/m3)。溶液重量溶液重量式中式中Q容器内感压膜上面溶液的重量容器内感压膜上面溶液的重量(N)；D柱形容器的截面积柱形容器的截面积(m2)。上一页返 回下一页4.应变式加速度传感器应变式加速度传感器上一页返 回上一页返 回在低频（在低频（1060Hz）振动测量中得到广泛的应用）振动测量中得到广泛的应用,但不适用于频率较高的振动和冲击。但不适用于频率较高的振动和冲击。应变式加速度传感器结构示意图应变式加速度传感器结构示意图1等强度梁等强度梁2质量块质量块3壳体壳体4电阻应变片电阻应变片电阻应变式传感器应用电阻应变式传感器应用此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢