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1、2.1 应变式传感器 金属电阻应变片的工作原理 1.金属的应变效应 金属丝在外力作用下发生机械变形时其阻值将发生变化的现象 金属丝的电阻值 电阻的相对变化量 第1页/共42页灵敏系数：单位应变引起的电阻值相对变化 材料的几何尺寸变化引起的 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 在电阻丝拉伸极限内，电阻的相对变化与应变成正比，k0为常数 第2页/共42页2.应变片的结构与种类 种类：丝式、箔式、薄膜应变片 1-基片；2-电阻丝；3-覆盖层；4-引出线丝式应变片结构：金属电阻应变片，材料电阻率随应变产
2、生的变化很小，可忽略 对同一电阻材料，k0=1+2是常数。k0多在之间 第3页/共42页箔式应变片：在绝缘基底上，将厚度为电阻箔材，利用照相制板或光刻腐蚀方法，制成各种需要的形状 优点：(1)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 (3)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(4)横向效应可以忽略(5)蠕变、机械滞后小，疲劳寿命长 缺点：电阻值的分散性大 第4页/共42页金属薄膜应变片 采用真空蒸渡、沉积或溅射等方法在薄的绝缘基片上形成厚度 在m以下的金属电阻材料薄膜敏感栅，再加上保护层优点：应变灵敏系数大，允许电流密度
3、大，工作范围广，易实现工业化生产缺点：难控制电阻与温度和时间的变化关系 电阻应变片的特性 性能参数：电阻值、灵敏度、允许电流、应变极限 应变片的电阻值：60、120、200、350、600、1000 电阻值大：可加大应变片承受电压，输出信号大，敏感栅尺寸也增大 第5页/共42页1.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原因：粘结层传递变形失真、存在有横向效应 2.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 ，电阻 圆弧段：沿轴向压应度
4、，电阻k(箔式应变片)第6页/共42页l l横向效应：应变片的横栅部分将纵向丝栅部分的电阻变化抵消了 一部分，从而降低了整个电阻应变片的灵敏度横向效应大小与敏感栅的构造及尺寸有关。敏感栅的纵栅愈窄、愈长，而横栅愈宽、愈短，则横向效应的影响愈小第7页/共42页3.温度误差及其补偿 原因：电阻温度系数的影响 敏感栅电阻丝阻值随温度变化引起的误差 ：敏感栅材料的电阻温度系数 试件材料和电阻丝材料的线膨胀系数的影响 当环境温度变化时，因试件材料和敏感栅材料的线膨胀系数 不同，应变片将产生附加变形，产生附加电阻设应变丝长度 l0，应变丝和试件的线膨胀系数为 温度变化 ，应变丝膨胀至lT1，试件为lT2
5、(1)温度误差 第8页/共42页若附加拉伸变形 附加应变 附加电阻变化 由于温度变化而引起的总电阻变化为 相应的虚假应变量 第9页/共42页(2)温度补偿方法(电桥补偿、应变片补偿)电桥补偿法 U0R1R4R3URBFFR1RB不承受应变时 温度变化 若被测试件受到应变 第10页/共42页R1+RRB-RU0R1RR4R3URBR优点：简单、方便，在常温下补偿效果较好 缺点：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情况，影响补偿效果第11页/共42页 应变片的自补偿法 温度自补偿应变片：温度变化时，产生的附加应变为零或相互抵消a.选择式自补偿应变片 实现温度补偿的条
6、件 被测试件的线膨胀系数已知，选择敏感栅材料，使下式成立 可达到温度自补偿的目的 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 第12页/共42页b.双金属敏感栅(组合式)自补偿应变片 R1R2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，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 第13页/共42页 热敏电阻补偿法 T，k RT，URT，U=Ui URT UiR1RR4R3U0R2RTR5 分流电阻 第14页/共42页 电阻应变片的测量电路 1.电桥电路的工作原理 R1R2R4R3UUoRL电桥平衡条
7、件：R1R4=R2R3 R1/R2=R3/R4 IL=0时电桥平衡 第15页/共42页当电桥后面接放大器时,电桥输出端看成开路 应变片工作时，其电阻变化 采用等臂电桥，即R1=R2=R3=R4=R 若 第16页/共42页结论：时，电桥的输出电压与应变成线性关系。若相邻两桥臂的应变极性一致，输出电压为两者之差；若相邻两桥臂的应变极性不同，输出电压为两者之和。若相对两桥臂应变的极性一致，输出电压为两者之和；反之则为两者之差。电桥供电电压U越高，输出电压越大。但U增大时，电阻 应变片通过的电流也大，若超过电阻应变片所允许通过的 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k，可提
8、高电桥的输出电压。第17页/共42页2.非线性误差及其补偿 单臂电桥，理想的线性关系 电桥实际输出电压 电桥的相对非线性误差为 消除非线性误差的措施：采用半桥差动或全桥差动电路 第18页/共42页(1)采用半桥差动电路 R1R2FU0R1R1R4R3UR2R2R1R2R3R4=R，R1R2=R 输出电压 严格的线性关系电桥灵敏度比单臂时提高一倍 温度补偿作用第19页/共42页(2)采用全桥差动电路 U0R1R1UR2R2R4R4R3R3第20页/共42页 电阻应变式传感器的应用 1.应变式力传感器被测量为荷重或力 (1)柱式力传感器 R5R8R7R6R1R2R3R4UoUR5R8R7R6R1R
9、2R3R4第21页/共42页(2)梁式力传感器 等截面悬臂梁 b0R1R1R4R4l l0 0l lF Fb bh结构简单，易加工，灵敏度高，适合于测5000N以下的载荷 第22页/共42页 等强度悬臂梁 b0R1R1R4R4X Xl lF Fb bh 双端固定梁 第23页/共42页(3)薄壁圆环式力传感器 第24页/共42页2.应变式压力传感器 应用：液体、气体动态和静态压力的测量 trR1R2 R3R4rrt t r r t t(1)膜片式压力传感器 膜 片P P径向应变 切向应变 R4R3R1R2 UU0第25页/共42页(2)筒式压力传感器测量较大压力 圆筒外表面上的环向应变(沿圆周线
10、)薄壁筒 第26页/共42页(3)组合式压力传感器测量小压力 压力敏感元件为膜片或膜盒、波纹管、弹簧管等 应变片粘贴在悬臂梁上，不直接粘贴在压力感受元件 缺点：缺点是固有频率低，不适于测量瞬态过程 第27页/共42页AK-1型应变式脉动压力传感器 产品特点：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 第28页/共42页3.应变式容器内液体重量(或液位)传感器 电桥输出 第29页/共42页4.应变式加速度传感器 低频(1060Hz)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第30页/共42页5.应变式
11、扭矩传感器 扭矩：M=Fl 6.应变式张力传感器 第31页/共42页2.2 压阻式传感器 半导体的压阻效应 定义：单晶半导体材料沿某一轴向受外力作用时，其电阻率会 发生变化压阻式传感器的灵敏系数大，分辨率高。频率响应高，体积小。主要用于测量压力、加速度和载荷等参数半导体材料对温度很敏感，因此压阻式传感器的温度误差较大，必须要有温度补偿。第32页/共42页压阻效应 半导体电阻率 压阻系数，与材料及应力方向与晶轴方向之间的夹角有关 E为半导体材料的弹性模量，与晶向有关材料几何形状变化引起 压阻效应的影响，随电阻率而变化 第33页/共42页半导体材料 半导体单晶的应变灵敏系数 应变灵敏系数还与掺杂浓
12、度有关，它随杂质的增加而减小 第34页/共42页 体型半导体电阻应变片 1.结构型式及特点 优点：灵敏系数比金属电阻应变片的灵敏系数大数十倍 横向效应和机械滞后极小 缺点：温度稳定性和线性度比金属电阻应变片差得多 第35页/共42页2.测量电路 恒压源 恒流源 输出电压受环境温度的影响 环境温度的变化对其没有影响 扩散型压阻式压力传感器 采用N型单晶硅为传感器的弹性元件，在它上面直接蒸镀半导体电阻应变薄膜 第36页/共42页工作原理：膜片两边存在压力差时，膜片产生变形，膜片上各点产生应力。四个电阻在应力作用下，阻值发生变化，电桥失去平衡，输出相应的电压，电压与膜片两边的压力差成正比。四个电阻的
13、配置位置：按膜片上径向应力r和切向应力t的分布情况确定 第37页/共42页优点：体积小，结构比较简单，动态响应也好，灵敏度高，能 测出十几帕的微压，长期稳定性好，滞后和蠕变小，频 率响应高，便于生产，成本低。缺点：测量准确度受到非线性和温度的影响。智能压阻式压力传感器利用微处理器对非线性和温度进行补偿 第38页/共42页 压阻式加速度传感器 悬臂梁直接用单晶硅制成，四个扩散电阻扩散在其根部两面 扩散电阻 质量块 基座 应变梁 a 第39页/共42页 测量电桥及温度补偿 1.恒流源供电电桥 电桥输出 第40页/共42页2.零点温度补偿 UR1R2R4R3U0RsRpVD零漂：扩散电阻值随温度变化 补偿措施：串、并联电阻 串联电阻Rs起调零作用 并联电阻RP起补偿作用3.灵敏度温度补偿 原因：压阻系数随温度变化 补偿措施：串联二极管 第41页/共42页感谢您的观看！第42页/共42页