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1、2.1 2.1 弹性敏感元件弹性敏感元件 物体在外力作用下改变原来尺寸或形状的现象称为变形。若外力去掉后物体又能完全恢复其原来的尺寸和形状，这种变形称为弹性变形。具有弹性变形特性的物体称为弹性元件。弹性元件在传感器技术中占有极其重要的地位。它首先把力、力矩或压力转换成相应的应变或位移，然后配合各种形式的传感元件，将被测力、力矩或压力变换成电量。根据弹性元件在传感器中的作用，它基本上可以分为两种类型：弹性敏感元件和弹性支承。前者感受力、力矩、压力等被测参数，并通过它将被测量变换为应变、位移等，也就是通过它把被测参数由一种物理状态转换为另一种所需要的相应物理状态。它直接起到测量的作用，故称为弹性敏
2、感元件。第1页/共45页2.1 2.1 弹性敏感元件弹性敏感元件 弹性敏感材料的弹性特性 作用在弹性敏感元件上的外力与由该外力所引起的相应变形（应变、位移或转角）之间的关系称为弹性元件的弹性特性。1.1.刚度刚度 刚度是弹性敏感元件在外力作用下抵抗变形的能力。2.2.灵敏度灵敏度 灵敏度是刚度的倒数。与刚度相似，如果元件弹性特性是线性的，则灵敏度为常数；若弹性特性是非线性的，则灵敏度为变数。第2页/共45页 3.3.弹性滞后弹性滞后 弹性元件在弹性变形范围内，弹性特性的加载曲线与卸载曲线不重合的现象称为弹性滞后现象。4.4.弹性后效弹性后效 弹性敏感元件所加载荷改变后，不是立即完成相应的变形，
3、而是在一定时间间隔中逐渐完成变形的现象称为弹性后效现象。由于弹性后效存在，弹性敏感元件的变形不能迅速地随作用力的改变而改变，引起测量误差。图2.1 弹性特性 图2.2 弹性滞后现象 第3页/共45页弹性敏感元件的材料及其基本要求 具有良好的机械特性（强度高、抗冲击、韧性好、疲劳强度高等）和良好的机械加工及热处理性能；良好的弹性特性（弹性极限高、弹性滞后和弹性后效小等）；弹性模量的温度系数小且稳定，材料的线膨胀系数小且稳定；抗氧化性和抗腐蚀性等化学性能良好。弹性敏感元件的变换原理 1 1弹性圆柱弹性圆柱 柱式弹性元件具有结构简单的特点，可承受很大的载荷，根据截面形状可分为圆筒形与圆柱形两种，如图
4、2.3所示。轴向应力的应变量 横向应力的应变量 图2.3 弹性圆柱 第4页/共45页 2.2.悬臂梁悬臂梁 （1）等截面梁。一端固定，另一端自由，且截面为矩形的梁称为等截面悬臂梁。等截面悬臂梁所受作用力 F 与某一位置处的应变关系可按下式计算：（2）等强度梁。等截面梁的不同部位所产生的应变是不相等的，当作用力 F 加在梁的两斜边的交汇点处时，等强度梁各点的应变值为：图2.4 等截面悬臂梁 图2.5 等强度悬臂梁 第5页/共45页3 3薄壁圆筒薄壁圆筒 薄壁圆筒与弹簧管等弹性元件可将气体压力转换为应变。筒壁的每一单元将在轴线方向和圆周方向产生拉伸应力，轴向应力sx与周向应力st相互垂直，应用虎克
5、定律，可求得这种弹性敏感元件 压力-应变关系式：它的应变与圆筒的长度无关，而仅取决于圆筒的半径 r0、厚度 h 和弹性模量 E，而且轴线方向应变与圆周方向应变不相等。图2.6 薄壁圆筒受力分忻 第6页/共45页 4 4弹簧管弹簧管 弹簧管的截面形状为椭圆形、卵形或更复杂的形状。它主要在流体压力测量中作为压力敏感元件，将压力转换为弹簧管端部的位移。图2.7 C形弹簧管的结构与截面示意图 图2.8 螺旋形弹簧管 图2.9 特性曲线 对于椭圆形截面的薄壁弹簧管，管壁厚与短半轴之比应不超过0.70.70.80.8。在一定范围内，其自由端位移 d d 和所受压力 p p之间的关系呈线性特性，如图2.92
6、.9所示。当压力超过某一压力值 p p 时，特性曲线将偏离直线而上翘。第7页/共45页 5 5膜片膜片 （1）圆形平膜片 在压力均匀分布的情况下，圆形平膜片各点对应的纵向应力和横向应力（切向应力）。在圆膜的中心处，r=0，具有最大的正应力（拉应力），且sr=st；在圆膜的边缘处，r=r0，纵向应力sr为最大的负应力（压应力）；当 r0，为正应力（拉应力）；当 r=0.635r0 时，纵向应力sr=0；当 r0.635r0 时，纵向应力sr0，为负应力（压应力）；当 r=0.812r0 时，横向应力st=0，但纵向应力sr0。图2.10 圆形平膜片应力分布 第8页/共45页 （2）波纹膜片 波纹
7、膜片的形状可以做成多种形式，通常采用正弦形、梯形、锯齿形波形。在一定的压力作用下，正弦形波纹膜片给出最大的挠度；锯齿形波纹膜片给出最小的挠度，但它的特性比较接近于直线；梯形波纹膜片的特性介于上述二者之间。6 6波纹管波纹管 金属波纹管的轴向容易变形，即灵敏度非常好，在变形量允许的情况下，压力或轴向力的变化与伸缩量是成比例的，所以利用它可把压力或轴向力转换为位移。图2.13 波纹管外形 图2.11 膜片的轴向截面 图2.12 波纹形状与膜片特性的关系 第9页/共45页 电位式传感器可以测量位移、压力、加速度、容量、高度等多种物理量。线性电位器 线性电位器由绕于骨架上的电阻丝线圈和沿电位器滑动的滑
8、臂，以及安装在滑臂上的电刷组成。线绕电位器传感元件有直线式、旋转式或两者相结合的形式。线性线绕电位器骨架的截面处处相等，由材料和截面均匀的电阻丝等节距绕制而成。2.2 2.2 电位式传感器电位式传感器 图2.14 直线位移电位式传感器示意图 图2.15 电位器式角度传感器 第10页/共45页 线绕电位器的阶梯特性如图2.16所示。对理想阶梯特性的线绕电位器，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之比的百分数，称为电位器的电压分辨率，其公式为 线性电位器误差的大小可由下式计算：由图2.18可见，无论m为何值，X=0和X=1，即电刷分别在起始位置和最终位置时，负载误差都为0；当X=
9、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。图2.16 线绕电位器的理想阶梯特性 图2.17 带负载的电位器电路 图2.18 线性电位器误差df与m、X的曲线关系 第11页/共45页 非线性电位器 非线性电位器是指在空载时其输出电压（或电阻）与电刷行程之间具有非线性函数关系的一种电位器，也称函数电位器。它可以实现指数函数、对数函数、三角函数及其他任意函数，因此可满足控制系统的特殊要求，也可满足传感、检测系统最终获得线性输出的要求。常用的非线性线绕电位器有变骨架式、变节距式、分路电阻式及电位给定式四种。图2.19 变骨架高度式非线性电位器 图2.20 对称变骨架高度式非线性电位
10、器 第12页/共45页电位器式传感器应用 1 1位移传感器位移传感器 电位器式位移传感器常用于测量几毫米到几十米的位移和几度到360的角度。电位器传感器结构简单，价格低廉，性能稳定，能承受恶劣环境条件，输出功率大，一般不需要对输出信号放大就可以直接驱动伺服元件和显示仪表。2 2电位器式压力传感器电位器式压力传感器 电位器式压力传感器由弹簧管和电位器组成。电位器被固定在壳体上，电刷与弹簧管的传动机构相连。当被测压力p变化时，弹簧管的自由端产生位移，带动指针偏转，同时带动电刷在线绕电位器上滑动，就能输出与被测压力成正比的电压信号。图2.21 推杆式位移传感器 图2.22 电位器式压力传感器 第13
11、页/共45页第14页/共45页2.3 电阻应变式传感器 电阻应变式传感器可测量位移、加速度、力、力矩、压力等各种参数，是目前应用最广泛的传感器之一。电阻应变片的种类与结构 1 1丝式应变片丝式应变片 2 2箔式应变片箔式应变片 3 3薄膜应变片薄膜应变片 4 4半导体应变片半导体应变片 1基底；2电阻丝；3覆盖层；4引线图2.23 电阻丝应变片的基本结构 图2.24 箔式应变片 第15页/共45页 电阻的应变效应 金属的电阻应变效应：金属丝的电阻随着它所受的机械变形（拉伸或压缩）的大小而发生相应变化。当金属丝受拉时，其长度伸长dl，横截面将相应减小dS，电阻率也将改变dr r，这些量的变化，必
12、然引起金属丝电阻改变dR，即 令 金属丝的轴向应变量；金属丝的径向应变量。根据材料力学原理，金属丝受拉时，沿轴向伸长，而沿径向缩短，二者之间应变的关系为 第16页/共45页 令 K 称为金属丝的灵敏系数，表示金属丝产生单位变形时，电阻相对变化的大小。显然，越大，单位变形引起的电阻相对变化越大，故灵敏度越高。金属丝的灵敏系数 K 受两个因素影响：第一项（1+2m m），它是由于金属丝受拉伸后，材料的几何尺寸发生变化而引起的；第二项 ，它是由于材料发生变形时，其自由电子的活动能 力和数量均发生变化的缘故，这项可能是正值，也可能为负值，但作为应变片材料都选为正值，否则会降低灵敏度。金属丝电阻的变化主
13、要由材料的几何形变引起。实验证明，在金属丝变形的弹性范围内，电阻的相对变化dR/R与应变e ex是成正比。第17页/共45页应变片的粘贴 1.检查通断。检查通断。第18页/共45页2.在选定贴应变片的位置划出十字线。在选定贴应变片的位置划出十字线。第19页/共45页3.再用细砂纸精磨（再用细砂纸精磨（45度交叉纹）。度交叉纹）。第20页/共45页4.用棉纱或脱脂棉花沾丙酮清洁结构表面，用棉纱或脱脂棉花沾丙酮清洁结构表面，擦几遍后，不可再用手接触表面。擦几遍后，不可再用手接触表面。第21页/共45页5.用透明胶带将应变片与构件在引脚处临时固定，移动胶带位置使应变用透明胶带将应变片与构件在引脚处临
14、时固定，移动胶带位置使应变片达到正确定位。片达到正确定位。第22页/共45页6.在应变片的反面涂上一滴快干胶水，在应变片的反面涂上一滴快干胶水，视应变片面积而定视应变片面积而定，胶水量胶水量不宜过多不宜过多。第23页/共45页7.将塑料薄膜盖在应变片上，用母指按压挤出多余胶水将塑料薄膜盖在应变片上，用母指按压挤出多余胶水,按压时间一般按压时间一般1分分钟，室温低时适当延长。钟，室温低时适当延长。第24页/共45页8.为了使胶水可靠固化，可用电吹风微加热处理（注意距离和均匀）为了使胶水可靠固化，可用电吹风微加热处理（注意距离和均匀）,用万用表测量应变片绝缘电阻值，应大于用万用表测量应变片绝缘电阻
15、值，应大于20M第25页/共45页9.将应变片引线焊接在接线片上，焊点要光滑牢固。引线不能绷紧，将应变片引线焊接在接线片上，焊点要光滑牢固。引线不能绷紧，需形成弧线与接线片相连。需形成弧线与接线片相连。第26页/共45页10.将连接应变仪的导线焊接在接线片上（焊接时间尽量短）将连接应变仪的导线焊接在接线片上（焊接时间尽量短）,把导线用把导线用绝缘胶带固定在构件上，再一次检查应变片质量绝缘胶带固定在构件上，再一次检查应变片质量 第27页/共45页11.11.在应变片周围涂上软硅胶在应变片周围涂上软硅胶(防潮、防损伤）。防潮、防损伤）。第28页/共45页12.硅胶固化后硅胶固化后,应变片粘贴工作完
16、毕。但要再次检查应变片的阻值和绝应变片粘贴工作完毕。但要再次检查应变片的阻值和绝缘情况。缘情况。第29页/共45页13.固定：固定：粘贴、焊接后，用胶布将引线和被测对象固定在一起，防止拉动引线和应变片。第30页/共45页材料受拉应变的测量将应变片粘贴在受力的斜拉桥上的斜拉绳端部的圆柱上，测量每一根斜拉绳的应变，从而计算出所受的拉力，检验拉力是否超过设计值。第31页/共45页管桩材料的受压应变测量预应力管桩的受力预测：工作人员正在贴应变片 应变片粘贴在管桩上，应变片粘贴在管桩上，四片应变片可组成全桥四片应变片可组成全桥第32页/共45页应变片测试原理 用应变片测量应变或应力时，是将应变片粘贴于被
17、测对象上的。在外力作用下，被测对象表面产生微小机械变形，粘贴在其表面上的应变片亦随其发生相同的变化，因此应变片的电阻也发生相应的变化。根据应力-应变关系可以得到应力值s s。通过弹性敏感元件转换作用，将位移、力、力矩、加速度、压力等参数转换为应变，因此可以将应变片由测量应变扩展到测量上述参数，从而形成各种电阻应变式传感器。P34 例2.1测量电路 1 1直流电桥工作原理直流电桥工作原理 输出端电压Uo为 电桥的平衡条件 图2.25 电阻电桥 第33页/共45页2 2电阻应变片测量电桥电阻应变片测量电桥 （1）应变片单臂工作直流电桥 （2）应变片双臂直流电桥（半桥）3 3应变片直流全桥电路应变片
18、直流全桥电路 全桥工作时，输出电压最大，检测的灵敏度最高。图2.26 单臂工作直流电桥 图2.27 双臂直流电桥 图2.28 直流全桥电路 第34页/共45页 4 4应变片的温度误差及其补偿应变片的温度误差及其补偿 （1）温度误差:因环境温度改变而引起电阻变化的两个主要因素是：一、应变片的电阻丝具有一定的温度系数；二、电阻丝材料与测试材料的线膨胀系数不同。由温度变化形成的总电阻变化为 电阻的相对变化量为 （2）温度补偿 单丝自补偿应变片 双丝组合式自补偿应变片 桥式电路补偿法 热敏电阻补偿 图2.29 桥式电路补偿电路 图2.30 热敏电阻补偿电路 第35页/共45页2.4 2.4 电阻应变式
19、传感器的应用电阻应变式传感器的应用 1 1测力传感器测力传感器 电阻应变式传感器的最大用武之地是在称重和测力领域。这种测力传感器由应变计、弹性元件、测量电路等组成。根据弹性元件结构形式（柱形、筒形、环形、梁式、轮辐式等）和受载性质（拉、压、弯曲、剪切等）的不同，它们可分为许多种类。（1）柱式力传感器。圆柱式传感器的弹性元件如图2.31所示。图2.31 应变片粘贴在柱形弹性元件上 第36页/共45页用柱式力传感器可制成称重式料位计。如图2.32所示。（2 2）梁式力传感器：可制成称重电子秤、加速度传感器等。如图2.33所示。P39 例2.3 图2.32 称重式料位计 1等强度悬臂梁；2应变片；3
20、质量块图2.33 应变式加速度传感器 第37页/共45页 2 2压力传感器压力传感器 压力传感器主要用于测量流体的压力。根据其弹性体的结构形式可分为单一式和组合式两种。1插座；2基体；3温度补偿应变计；4工作应变计；5应变筒图2.34 筒式应变压力传感器 第38页/共45页 3 3位移传感器位移传感器 应变式位移传感器是把被测位移量转变成弹性元件的变形和应变，然后通过应变计和应变电桥，输出正比于被测位移的电量。它可用于近测或远测静态或动态的位移量。如图2.35（a）所示为国产YW系列应变式位移传感器结构。这种传感器由于采用了悬臂梁-螺旋弹簧串联的组合结构，因此它适用于10100mm位移的测量。
21、其工作原理如图2.35（b）所示。1测量头；2弹性元件；3弹簧；4外壳；5测量杆；6调整螺母；7应变计图2.35 YW型应变式位移传感器第39页/共45页2.5 压阻式传感器压阻式传感器 压阻效应与压阻系数 半导体材料受到应力作用时，其电阻率电阻率会发生变化，这种现象称为压阻效应。常见的半导体应变片采用锗和硅等半导体材料作为敏感栅。根据压阻效应，半导体和金属丝同样可以把应变转换成电阻的变化。由于半导体材料的各向异性，当硅膜片承受外应力时，同时产生纵向（扩散电阻长度方向）压阻效应和横向（扩散电阻宽度方向）压阻效应。则有 半导体应变片的灵敏系数为测量原理 只要位置合适，可满足 图2.36 膜片上电
22、阻布置图 就可以形成差动效果，通过测量电路，获得最就可以形成差动效果，通过测量电路，获得最大的电压输出灵敏度。大的电压输出灵敏度。第40页/共45页温度补偿 压阻式传感器受到温度影响后，会引起零位漂移和灵敏度漂移，因而会产生温度误差。当温度升高，压阻系数减小，则传感器的灵敏度要减小；反之，灵敏度增大。零位温度一般可用串联电阻的方法进行补偿，如图2.37所示。压阻式传感器的应用 1 1压力测量压力测量 压阻式压力传感器 由外壳、硅杯和引线组成。图2.37 温漂补偿电路1单晶硅膜片；2扩散型应变片；3扩散电阻引线；4电极及引线图2.38 压阻式压力传感器 第41页/共45页 2 2液位测量液位测量
23、 压阻式压力传感器安装在不锈钢壳体内，并由不锈钢支架固定放置于液体底部。这种投入式液位传感器安装方便，适用于几米到几十米混有大量污物、杂质的水或其他液体的液位测量。图2.39 压阻式压力传感器外形图 第42页/共45页小 结 弹性敏感元件在传感器技术中占有极其重要的地位。它首弹性敏感元件在传感器技术中占有极其重要的地位。它首先把力、力矩或压力转换成相应的应变或位移，然后配合各种形式的先把力、力矩或压力转换成相应的应变或位移，然后配合各种形式的传感元件，将被测力、力矩或压力转换成电量。传感元件，将被测力、力矩或压力转换成电量。电位式传感器是把机械量转化为电信号的转换元件，一般用于电位式传感器是把
24、机械量转化为电信号的转换元件，一般用于静态和缓变量的检测。根据电位器的输出特性，可分为线性电位器和静态和缓变量的检测。根据电位器的输出特性，可分为线性电位器和非线性电位器。非线性电位器。电阻应变片传感器的工作原理是基于电阻应变效应，即金属丝电阻应变片传感器的工作原理是基于电阻应变效应，即金属丝的电阻随着它所受的机械变形而发生相应变化。电阻应变式传感器可的电阻随着它所受的机械变形而发生相应变化。电阻应变式传感器可测量位移、加速度、力、力矩、压力等各种参数，是目前应用最广泛测量位移、加速度、力、力矩、压力等各种参数，是目前应用最广泛的传感器之一。的传感器之一。压阻式传感器工作原理是基于半导体材料压阻效应，具有灵压阻式传感器工作原理是基于半导体材料压阻效应，具有灵敏度高、动态性能好、精度高等特点，是应用广泛且发展迅速的一种敏度高、动态性能好、精度高等特点，是应用广泛且发展迅速的一种传感器。传感器。返回目录返回目录第43页/共45页作业：P50:1,2,4,7,10第44页/共45页第2章 电阻式传感器感谢您的观看！第45页/共45页