ch2電阻應(yīng)變式傳感器及其應(yīng)用PPT教學(xué)課件

1、2.1 應(yīng)變式傳感器2.1.1 金屬電阻應(yīng)變片工作原理基于金屬的應(yīng)變應(yīng)變效應(yīng)：金屬絲的電阻隨著它所受的機(jī)械形變(拉伸或壓縮) 而發(fā)生相應(yīng)的變化的現(xiàn)象稱為金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)。 長(zhǎng)為l、 截面積為A、 電阻率為的金屬或半導(dǎo)體絲, 電阻 若導(dǎo)電絲在軸向受到應(yīng)力的作用, 其長(zhǎng)度變化l, 截面積變化A, 電阻率變化, 而引起電阻變化R, 則lRARlARlA一、 金屬電阻應(yīng)變效應(yīng)FFL+dLd第1頁(yè)/共76頁(yè)ddAA2/d dl l 0(12 )RllkRll式中0/12/R Rp pkl ll l 為單根導(dǎo)電絲的靈敏系數(shù), 表示當(dāng)發(fā)生應(yīng)變時(shí), 其電阻變化率與其應(yīng)變的比值。24dA（材料的泊松系數(shù)） 第

2、2頁(yè)/共76頁(yè)0/12/R Rkl ll l 導(dǎo)電絲的幾何尺寸的改變材料的電阻率發(fā)生變化對(duì)金屬： E很小, 可忽略不計(jì), =0.250.5, 故 k0=1+21.52；對(duì)半導(dǎo)體： E比1+2大得多, 壓阻系數(shù)=(40-50)10-11m2/N, 楊氏模量E=1.671011Pa, 則E50100, 故（1+2）可以忽略不計(jì)?？梢? 半導(dǎo)體靈敏度要比金屬大50100倍。 0/12R RkE 表示壓阻系數(shù)第3頁(yè)/共76頁(yè)二、應(yīng)變計(jì)的結(jié)構(gòu)與分類 LAa結(jié)構(gòu)圖柵寬低阻鍍錫銅絲作為引線u應(yīng)變計(jì)：將應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻變化的傳感元件u結(jié)構(gòu)：電阻應(yīng)變片種類繁多，但基本構(gòu)造大體相同圖示為其構(gòu)造簡(jiǎn)圖：排列成網(wǎng)狀的高阻

3、金屬絲、柵狀金屬箔或半導(dǎo)體片構(gòu)成的敏感柵, 用粘合劑貼在絕緣的基片上。敏感柵上貼有蓋片（即保護(hù)片）。核心部件：敏感柵第4頁(yè)/共76頁(yè)u 應(yīng)變計(jì)的分類對(duì)金屬：u金屬絲式應(yīng)變片：u金屬箔式應(yīng)變片：u薄膜應(yīng)變片：v按尺寸分：v按結(jié)構(gòu)形式分：?jiǎn)纹㈦p片及各種特殊形狀的圖案v按使用環(huán)境分：高低溫、核輻射、高雅、磁場(chǎng)的等v按安裝形式分：粘貼、非粘貼、焊接、火焰噴涂v按材料分：金屬式、半導(dǎo)體式對(duì)半導(dǎo)體：u體型應(yīng)變片：u擴(kuò)散型應(yīng)變片：u薄膜型應(yīng)變片：u外延型應(yīng)變片：uPN結(jié)及其它第5頁(yè)/共76頁(yè)(a)(b)(c) 圖 2.3金屬絲式應(yīng)變片：有U型、V型、H型 金屬絲彎曲部分成圓?。║）形,是最早常用的一種形式

4、，制作簡(jiǎn)單但橫向效應(yīng)較大金屬絲彎曲部分成直角（H）形,兩端用較粗的鍍銀銅線焊接，橫向效應(yīng)較小，制作工藝復(fù)雜(將逐漸被橫向效應(yīng)小、性能更優(yōu)越的箔式應(yīng)變計(jì)所代替) 第6頁(yè)/共76頁(yè)圖2.4 幾種箔式應(yīng)變計(jì)(a)(b)(c)(d)(e)(f)金屬箔式應(yīng)變片：箔式應(yīng)變計(jì)的線柵是通過光刻、腐蝕等工藝制成很薄的金屬薄柵（厚度一般在0.0030.01mm） 第7頁(yè)/共76頁(yè)薄膜應(yīng)變片：薄膜式應(yīng)變計(jì)是采用真空濺射或真空沉積技術(shù)，在薄的絕緣基片上蒸鍍金屬電阻薄膜（厚度在納米量級(jí)），再加上保護(hù)層制成優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高；允許通過的電流密度大；工作溫度范圍廣（可工作于-197317），也可用于核輻射等特殊情況下。敏感元件

5、常用的材料：康銅（銅鎳合金）、鎳鉻合金、鐵鉻鋁合金、鐵鎳鉻合金等，常溫下使用的應(yīng)變計(jì)多由康銅制成。 第8頁(yè)/共76頁(yè)2.1.2 金屬電阻應(yīng)變片主要特性一、應(yīng)變計(jì)的特點(diǎn)靈敏度和精確度高：能測(cè)12微應(yīng)變，誤差一般小于1%；測(cè)量范圍大：從彈性變形一直可測(cè)至塑性變形；尺寸小，重量輕，對(duì)試件工作狀態(tài)和應(yīng)力分布影響很小；具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)；能適應(yīng)高溫、高壓、強(qiáng)磁場(chǎng)以及輻射等惡劣環(huán)境； 價(jià)格低廉、品種多樣，便于選擇和大量使用。 u優(yōu)點(diǎn)：第9頁(yè)/共76頁(yè)在大應(yīng)變下具有較大的非線性； 輸出信號(hào)較微弱，抗干擾能力較差；應(yīng)變式傳感器的性能在很大程度上取決于應(yīng)變計(jì)的性能。一、應(yīng)變計(jì)的特點(diǎn)u缺點(diǎn)：第10頁(yè)/共76頁(yè)二、

6、應(yīng)變計(jì)的靈敏度系數(shù)金屬電阻絲0RKR應(yīng)變計(jì)RKR電阻應(yīng)變計(jì)的靈敏度系數(shù) 應(yīng)變絲的靈敏度系數(shù) 0kK原因：基底傳遞衰減；存在橫向效應(yīng)；第11頁(yè)/共76頁(yè)三、應(yīng)變計(jì)的橫向效應(yīng) lxy敏感柵由許多直線及圓角組成，拉伸被測(cè)試件時(shí)，粘貼在試件上的應(yīng)變計(jì)沿長(zhǎng)度方向拉伸，產(chǎn)生縱向拉伸應(yīng)變x，應(yīng)變計(jì)直線段電阻增加；在垂直方向產(chǎn)生壓應(yīng)變-y，該微段電阻減少，在圓弧的其他各微段，感受的應(yīng)變由+x變化到 y，圓弧段的電阻變化將小于同樣長(zhǎng)度沿x方向的直線段的電阻變化總結(jié)：將同樣長(zhǎng)的金屬線材做成敏感柵后，對(duì)同樣應(yīng)變，應(yīng)變計(jì)敏感柵的電阻變化變小，靈敏度降低，這種現(xiàn)象稱為應(yīng)變計(jì)的橫向效應(yīng)。xxyyRkkR軸向靈敏系數(shù)橫向靈

7、敏系數(shù)第12頁(yè)/共76頁(yè)四、應(yīng)變計(jì)的動(dòng)態(tài)特性 u 應(yīng)變波的傳播過程機(jī)械應(yīng)變以相同于聲波速度的應(yīng)變波形式在材料中傳播。應(yīng)力波從試件通過膠層、基片傳到敏感柵需要一定時(shí)間，沿應(yīng)變計(jì)長(zhǎng)度方向經(jīng)過敏感柵需要更長(zhǎng)一些的時(shí)間，敏感柵電阻的變化是對(duì)某一瞬時(shí)作用于其上應(yīng)力的平均值的反應(yīng)；膠層和基片的總厚度約為0.05mm，由試件經(jīng)過膠層和基片傳到敏感柵的時(shí)間約為510-8s，可以忽略不計(jì)；應(yīng)變波沿敏感柵長(zhǎng)度方向傳播的時(shí)間應(yīng)加以考慮 鋼材聲速為5000m/s，膠層聲速為1000m/s。第13頁(yè)/共76頁(yè)階躍波沿敏感柵軸向傳播，由于應(yīng)變波通過敏感柵需要時(shí)間L/V，當(dāng)階躍波的躍起部分通過敏感柵全部長(zhǎng)度后，電阻變化才達(dá)

8、到最大值 (理論相應(yīng)特性曲線)應(yīng)變計(jì)粘合層對(duì)應(yīng)變中高次諧波的衰減作用 （實(shí)際曲線）vLtk8 . 0u 階躍應(yīng)變波：第14頁(yè)/共76頁(yè)u可測(cè)頻率 ：vLtk8 . 00.350.350.440.8kvvftLL例如:應(yīng)變計(jì)基長(zhǎng)L=20mm，波速v=5000m/s，則tk=3.210-6s，f=110 kHz。 第15頁(yè)/共76頁(yè)當(dāng)測(cè)量按正弦規(guī)律變化的應(yīng)變波時(shí)，由于應(yīng)變計(jì)反映的應(yīng)變波形，是應(yīng)變計(jì)線柵長(zhǎng)度內(nèi)所感受應(yīng)變量的平均值，因此應(yīng)變計(jì)反應(yīng)的波幅將低于真實(shí)應(yīng)變波，從而帶來一定誤差：誤差將隨應(yīng)變計(jì)基長(zhǎng)的增加而加大，當(dāng)基片一定時(shí)將隨頻率的增加而加大 u 正弦應(yīng)變波：應(yīng)變計(jì)正處于應(yīng)變波達(dá)到最大值時(shí)的瞬

9、時(shí)情況：應(yīng)變波的波長(zhǎng)為，應(yīng)變計(jì)的基長(zhǎng)為L(zhǎng)，兩端點(diǎn)的坐標(biāo)為x1和x2，而x1=/4-L/2，x2=/4+L/2 ，此時(shí)應(yīng)變計(jì)在其基長(zhǎng)L內(nèi)測(cè)得的平均應(yīng)變達(dá)到最大值。 第16頁(yè)/共76頁(yè)五、應(yīng)變計(jì)的其他特性參數(shù) u線性度試件的應(yīng)變和電阻的相對(duì)變化R/R，在理論上呈線性關(guān)系。但實(shí)際上，在大應(yīng)變時(shí)，會(huì)出現(xiàn)非線性關(guān)系。應(yīng)變計(jì)的非線性度一般要求在0.05%或1%以內(nèi)。 第17頁(yè)/共76頁(yè)u 應(yīng)變極限 粘貼在試件上的應(yīng)變計(jì)所能測(cè)量的最大應(yīng)變值稱為應(yīng)變極限。在一定的溫度 (室溫或極限使用溫度) 下，對(duì)試件緩慢地施加均勻的拉伸載荷，當(dāng)應(yīng)變計(jì)的指示應(yīng)變值對(duì)真實(shí)應(yīng)變值的相對(duì)誤差大于10%時(shí)，就認(rèn)為應(yīng)變計(jì)已達(dá)到破壞狀態(tài)

10、，此時(shí)的真實(shí)應(yīng)變值就作為該批應(yīng)變計(jì)的應(yīng)變極限。 u機(jī)械滯后和熱滯后貼有應(yīng)變計(jì)的試件進(jìn)行加載和卸載時(shí)，其R/R-特性曲線不重合，把加載和卸載特性曲線的最大差值，稱為應(yīng)變計(jì)的機(jī)械滯后值。 第18頁(yè)/共76頁(yè)u零漂和蠕變恒定溫度下，粘貼在試件上的應(yīng)變計(jì)，在不承受載荷的條件下，電阻隨時(shí)間變化的特性稱為應(yīng)變計(jì)的零漂。零漂的主要原因是，敏感柵通過工作電流后的溫度效應(yīng)，應(yīng)變計(jì)的內(nèi)應(yīng)力逐漸變化，粘接劑固化不充分等。 u 疲勞壽命 已安裝的應(yīng)變計(jì)，在恒定幅值的交變應(yīng)力作用下，可以連續(xù)工作而不產(chǎn)生疲勞損壞的循環(huán)次數(shù)。疲勞壽命反映應(yīng)變計(jì)對(duì)動(dòng)態(tài)應(yīng)變的適應(yīng)能力。應(yīng)變計(jì)的疲勞壽命的循環(huán)次數(shù)一般可達(dá)106次。 指應(yīng)變計(jì)指示

11、應(yīng)變的變化超過規(guī)定誤差，或者應(yīng)變計(jì)的輸出波形上出現(xiàn)毛刺，或者應(yīng)變計(jì)完全損壞而無法工作。第19頁(yè)/共76頁(yè)u最大工作電流允許通過應(yīng)變計(jì)而不影響其工作的最大電流值，工作電流大，應(yīng)變計(jì)輸出信號(hào)就大，因而靈敏度高。R1R2R3R4USCUsr過大的工作電流使應(yīng)變計(jì)過熱，靈敏系數(shù)變化，零漂、蠕變?cè)黾樱踔翢龎膽?yīng)變計(jì)工作電流選?。荷釛l件；敏感柵的幾何尺寸；截面的形狀和大??；基底的尺寸和材料；粘合劑的材料和厚度；試件的散熱性能。通常靜態(tài)測(cè)量時(shí)約取25 mA左右，動(dòng)態(tài)測(cè)量時(shí)可高一些，箔式應(yīng)變計(jì)可取更大些。第20頁(yè)/共76頁(yè)u 絕緣電阻指應(yīng)變計(jì)的引線與被測(cè)試件之間的電阻值，一般以兆歐計(jì)。絕緣電阻過低，會(huì)造成應(yīng)

12、變計(jì)與試件之間漏電而產(chǎn)生測(cè)量誤差。 u 應(yīng)變計(jì)標(biāo)稱電阻值R應(yīng)變計(jì)在未安裝也不受外力的情況下，于室溫時(shí)測(cè)得的電阻值。這是使用應(yīng)變計(jì)時(shí)必須知道的一個(gè)參數(shù)。國(guó)內(nèi)應(yīng)變計(jì)系列習(xí)慣上選用120、175、350、500、1000、1500。 u 幾何尺寸圓弧敏感柵應(yīng)變計(jì)敏感柵基長(zhǎng)L從圓弧頂部算起，箔式應(yīng)變計(jì)則從橫向粗線的內(nèi)沿算起。通常應(yīng)變計(jì)L 約為230mm，箔式應(yīng)變計(jì)最小可達(dá)0.2mm，長(zhǎng)的達(dá)100mm或更長(zhǎng) 第21頁(yè)/共76頁(yè)2.1.3 溫度誤差及其補(bǔ)償一、溫度誤差產(chǎn)生的原因 環(huán)境溫度變化，應(yīng)變計(jì)的電阻也將發(fā)生變化，這種變化疊加在測(cè)量結(jié)果中將產(chǎn)生很大誤差，稱為應(yīng)變計(jì)的溫度誤差。電阻溫度系數(shù)的影響 00(

13、1)ttRR應(yīng)變片阻值隨溫度的關(guān)系： 溫度為t時(shí)的電阻值 溫度為t0時(shí)的電阻值 0ttt 電阻溫度系數(shù) 000tttRRRR溫度變化t，電阻的變化值 ： 第22頁(yè)/共76頁(yè)2.1.3 溫度誤差及其補(bǔ)償一、溫度誤差產(chǎn)生的原因 試件材料與應(yīng)變絲材料線膨脹系數(shù)不一致，使應(yīng)變絲產(chǎn)生附加變形，造成電阻額外變化 試件材料與應(yīng)變絲材料線膨脹系數(shù)不一致試件與電阻絲材料的線膨脹系數(shù)相同，環(huán)境溫度變化，不會(huì)產(chǎn)生附加變形；試件與電阻絲材料的線膨脹系數(shù)不同，環(huán)境溫度變化，電阻絲會(huì)產(chǎn)生附加變形，從而產(chǎn)生附加電阻。第23頁(yè)/共76頁(yè)2.1.3 溫度誤差及其補(bǔ)償二、溫度補(bǔ)償方法 u電橋補(bǔ)償法 工作應(yīng)變片貼在試件上，補(bǔ)償片貼

14、在補(bǔ)償件上，補(bǔ)償件不受力，并接入電橋相鄰臂。溫度變化使工作片與補(bǔ)償片產(chǎn)生的電阻變化R1t的電阻變化RBt相等，電橋輸出Usc與溫度無關(guān)，從而補(bǔ)償了應(yīng)變計(jì)的溫度誤差 第24頁(yè)/共76頁(yè) 工作片、補(bǔ)償片貼在同一試件上，但補(bǔ)償片不受力作用。工作片、補(bǔ)償片貼在同一試件上，但兩者感受的應(yīng)變符號(hào)相反。構(gòu)件作純彎曲形變時(shí)，上部的應(yīng)變?yōu)槔瓚?yīng)變，下部為壓應(yīng)變，兩者絕對(duì)值相等符號(hào)相反，RB與R1的變化值大小相等符號(hào)相反，電橋的輸出電壓增加一倍。此時(shí)RB既起到了溫度補(bǔ)償作用，又提高了靈敏度，而且可補(bǔ)償非線性誤差。 第25頁(yè)/共76頁(yè)u輔助測(cè)溫元件微型計(jì)算機(jī)補(bǔ)償法 方法：在傳感器內(nèi)靠近敏感測(cè)量元件處安裝一個(gè)測(cè)溫元件，

15、 用以檢測(cè)傳感器所在環(huán)境的溫度。常用的測(cè)溫元件有半導(dǎo)體熱敏電阻以及PN結(jié)二極管等。測(cè)溫元件的輸出經(jīng)放大及A/D轉(zhuǎn)換送到計(jì)算機(jī)。 計(jì)算機(jī)在處理傳感器數(shù)據(jù)時(shí)，把測(cè)溫元件測(cè)量的溫度變化對(duì)傳感器的影響加以補(bǔ)償，以達(dá)到提高測(cè)量精度的目的。第26頁(yè)/共76頁(yè)u 應(yīng)變計(jì)自補(bǔ)償法 方法：采用一種特殊的自補(bǔ)償應(yīng)變計(jì)，當(dāng)溫度變化時(shí)，產(chǎn)生的附加應(yīng)變?yōu)榱慊蛳嗷サ窒?。用自補(bǔ)償應(yīng)變計(jì)進(jìn)行溫度補(bǔ)償?shù)姆椒ń袘?yīng)變計(jì)自補(bǔ)償法。采用比較多的是以下兩種自補(bǔ)償應(yīng)變計(jì) ： 溫度自補(bǔ)償應(yīng)變計(jì) 適用于某一種試件材料的自補(bǔ)償應(yīng)變片：要使：R=0 則：求得：特點(diǎn)：制作簡(jiǎn)單、成本低缺點(diǎn)：只能在某種材料得試件上才能得到補(bǔ)償效果。：隨溫度變化為非線性

16、時(shí)，引起輸出非線性。00gstkt 0gsk 被測(cè)試件的線膨脹系數(shù) 選擇合適的敏感柵材料滿足該式，則不論溫度如何變化，均有 00tR R第27頁(yè)/共76頁(yè)u 應(yīng)變計(jì)自補(bǔ)償法 雙金屬敏感柵自補(bǔ)償片（組合式自補(bǔ)償應(yīng)變片） 利用兩種電阻絲材料的電阻溫度系數(shù)符號(hào)不同(一個(gè)為正，一個(gè)為負(fù))的特性，將二者串聯(lián)繞制成敏感柵 R1和R2由于溫度變化而產(chǎn)生的電阻變化為R1t和R2t，大小相等而符號(hào)相反，就可以實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償。 補(bǔ)償效果較前者好，在工作溫度范圍內(nèi)通?？蛇_(dá)到0.14 0C第28頁(yè)/共76頁(yè)2.1.4 電阻應(yīng)變式傳感器測(cè)量電路U/IR R待測(cè)物理量？第29頁(yè)/共76頁(yè)2.1.4 電阻應(yīng)變式傳感器測(cè)量電路

17、一、直流電橋的特性方程及平衡條件14231234() ()ababRRR RUUUURRRR圖為由橋臂R1、 R2 、 R3 、 R4組成的直流電橋。直流電橋的特性方程是指電橋?qū)嵌素?fù)載電流If與各橋臂參數(shù)和電源電壓的關(guān)系式。利用等效電源定理, ab兩端的開路電壓為平衡時(shí)有R1R4-R2R3=03124RRRR或：上式稱為直流電橋平衡條件, 說明欲使電橋達(dá)到平衡, 其相鄰兩臂的比值應(yīng)相等。 第30頁(yè)/共76頁(yè)2.1.4 電阻應(yīng)變式傳感器測(cè)量電路二、直流電橋的電壓靈敏度 電阻應(yīng)變計(jì)工作時(shí), 電阻變化很微小(如1片k=2, 初始電阻120的應(yīng)變計(jì), 受到1000微應(yīng)變時(shí), 其電阻變化僅0.24),

18、引起的不平衡電壓極小, 不能用它來直接推動(dòng)指示儀表, 故需加以放大。 R1 R1R3R4R2bUcda放大器Usc第31頁(yè)/共76頁(yè)R1 R1R3R4R2bUcda放大器Usc設(shè)R1為電橋工作臂, 受應(yīng)變時(shí), 其電阻變化為R1, R2、 R3 、 R4均為固定橋臂。一般放大器的輸入阻抗較電橋的內(nèi)阻要高得多, 可認(rèn)為電橋輸出端處于開路狀態(tài)。在起始時(shí), 電橋處于平衡狀態(tài), 此時(shí)Usc=0。第32頁(yè)/共76頁(yè)R1 R1R3R4R2bUcda放大器Usc當(dāng)有R1時(shí), 電橋輸出電壓為4131124113(1)(1)scRRRRUURRRRRR 設(shè)n= , 考慮到起始平衡條件 , 并略去分母中的 項(xiàng), 得

19、21/RR3412RRRR11/RR第33頁(yè)/共76頁(yè)121(1)scRnUUnR211)1 (nnURRUKscu Ku稱為電橋的電壓靈敏度。 Ku愈大, 說明應(yīng)變計(jì)電阻相對(duì)變化相同的情況下, 電橋輸出電壓愈大, 電橋愈靈敏。提高Ku途徑：提高電源電壓（受應(yīng)變計(jì)允許功耗的限制）；選擇適當(dāng)?shù)臉虮郾萵。 第34頁(yè)/共76頁(yè)電橋電壓U一定時(shí), n 應(yīng)取何值, 電橋靈敏度最高？ 令d Ku /dn=0 即：211)1 (nnURRUKscu0)1 ()1 (42nnnR1= R2, R3 = R4, 電橋的電壓靈敏度最高(電橋的第一種對(duì)稱形式)nR1 = R3, R2 = R4, 線性較好,(電橋的

20、第二種對(duì)稱形式)即n=1 時(shí), Ku 為最大。第35頁(yè)/共76頁(yè)等臂電橋是其中的一個(gè)特例, 這時(shí)有：1111114(1)2scRUURRR114scRUURUKu41電源電壓及電阻相對(duì)變化一定時(shí), 電橋的輸出電壓及其電壓靈敏度將與各橋臂阻值的大小無關(guān)。 第36頁(yè)/共76頁(yè)應(yīng)變式傳感器常采用的為全等臂電橋，根據(jù)橋臂上應(yīng)變片布置情況 全等臂直流電橋又分為單臂、雙臂、全橋情況：(1) 單臂電橋R1=R2=R3=R4=R，R=R1，單臂工作時(shí)，只有一臂工作，即R+R1，可得： 4SCURUR第37頁(yè)/共76頁(yè)(2) 雙臂電橋相鄰臂工作： 相對(duì)臂工作： 2scURUR2scURUR第38頁(yè)/共76頁(yè)(3

21、) 全臂電橋scRUUR靈敏度比較：全橋靈敏度最高，雙臂工作的差動(dòng)電橋靈敏度次之，單臂電橋靈敏度最低 應(yīng)變片粘貼特點(diǎn)：電橋輸出：第39頁(yè)/共76頁(yè)三、交流電橋的平衡條件和電壓輸出 當(dāng)采用交流供橋載波放大時(shí)，應(yīng)變電橋也需交流電源供電，這時(shí)需要考慮分布電容的影響，如圖 2.19 (a)示。交流電橋的一般形式如圖2.19 (b)所示圖 2.19Z1，Z2，Z3，Z4為復(fù)阻抗，電源電壓、輸出電壓均應(yīng)用復(fù)數(shù)表示。第40頁(yè)/共76頁(yè)輸出電壓的特性方程為：14231234()()scZ ZZ ZUUZZZZ 平衡條件：03241ZZZZ4321ZZZZ12341111222233334444jjjjZrjX

22、z eZrjXz eZrjXz eZrjXz e 或設(shè)電橋臂阻抗為交流平衡條件可以寫為： 31241423zzzz模滿足一定的比例關(guān)系，且相對(duì)橋臂的幅角和必須相等第41頁(yè)/共76頁(yè)考慮到電橋的起始平衡條件并略去分母中含Z1項(xiàng)， 得11111111211141(1)scZUUZRZj RCRZj RC第42頁(yè)/共76頁(yè)2.2 壓阻式傳感器 壓阻式傳感器:指利用單晶硅材料的壓阻效應(yīng)制成的傳感器(單晶硅材料在受到力的作用后，電阻率發(fā)生變化，通過測(cè)量電路就可得到正比于力變化的電信號(hào)輸出)。應(yīng)用：壓力、拉力、壓力差和可以轉(zhuǎn)變?yōu)榱Φ淖兓钠渌锢砹浚ㄈ缫何?、加速度、重量、?yīng)變、流量、真空度）的測(cè)量和控制。

23、第43頁(yè)/共76頁(yè)2.2.1 2.2.1 半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng) 固體受到作用力后，電阻率就要發(fā)生變化，這種效應(yīng)稱為壓阻效應(yīng) （半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)特別強(qiáng)）。 金屬材料 半導(dǎo)體材料 )1 (ERRl)1(RR半導(dǎo)體材料的壓阻系數(shù)彈性模量第44頁(yè)/共76頁(yè)對(duì)半導(dǎo)體材料而言，l E (1+)，故(1+)項(xiàng)可以忽略llERR半導(dǎo)體材料的電阻變化主要原因：電阻率變化（應(yīng)變引起） 半導(dǎo)體單晶的應(yīng)變靈敏系數(shù)可表示 ERRKl/上一頁(yè)返 回下一頁(yè)第45頁(yè)/共76頁(yè)上一頁(yè)返 回下一頁(yè)2.2.2 2.2.2 半導(dǎo)體電阻應(yīng)變片 1. 結(jié)構(gòu)型式及特點(diǎn) 半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)應(yīng)用較普遍的有體型、薄膜型、擴(kuò)散型、外延型等 第46頁(yè)/共

24、76頁(yè)1. 體型應(yīng)變片結(jié)構(gòu)型式及特點(diǎn)體型應(yīng)變片結(jié)構(gòu)型式及特點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn)：靈敏系數(shù)大；橫向效應(yīng)和機(jī)械滯后極??；缺點(diǎn)：溫度穩(wěn)定性和線性度差 上一頁(yè)返 回下一頁(yè)第47頁(yè)/共76頁(yè)2. 測(cè)量電路測(cè)量電路 恒壓源 恒流源)/(0tRRRUURIU0電橋輸出電壓與R / R成正比，輸出電壓受環(huán)境溫度的影響。電橋輸出電壓與R成正比，環(huán)境溫度的變化對(duì)其沒有影響。第48頁(yè)/共76頁(yè)2.3 應(yīng)變式傳感器應(yīng)用 電阻應(yīng)變絲、應(yīng)變片，可以直接用來測(cè)定試件的應(yīng)變和應(yīng)力，其他物理量（力、壓力、加速度等），需先將這些量轉(zhuǎn)換成應(yīng)變（彈性元件）還廣泛用作傳感元研制成各種應(yīng)變式傳感器，用來測(cè)定其他物理量，如力、壓力、扭矩、加速度等。

25、待測(cè)物理量（應(yīng)變）R/R （） USC第49頁(yè)/共76頁(yè)2.3.1、應(yīng)變式測(cè)力與稱重傳感器被測(cè)物理量：荷重或力主要用途：作為各種電子稱與材料試驗(yàn)機(jī)的測(cè)力元件、 發(fā)動(dòng)機(jī)的推力測(cè)試、 水壩壩體承載狀況監(jiān)測(cè)等。 力傳感器的彈性元件：柱式、筒式、環(huán)式、懸臂式等第50頁(yè)/共76頁(yè)一、柱（筒）式力傳感器柱式傳感器是稱重(或測(cè)力)傳感器應(yīng)用較普遍的一種形式。它分為圓筒形和柱形兩種 ，如圖圓筒或圓柱在外力F作用下產(chǎn)生的應(yīng)變?yōu)椋?F其結(jié)構(gòu)是在圓筒或圓柱上按一定方式貼上應(yīng)變計(jì)測(cè)量出應(yīng)變即可得到F的大??！測(cè)量應(yīng)變FLFLEEA第51頁(yè)/共76頁(yè)一般將應(yīng)變計(jì)對(duì)稱地貼在應(yīng)力均勻的圓柱表面的中間部分如何粘貼應(yīng)變計(jì)？應(yīng)變片

26、橋路連接方法及信號(hào)輸出:12341423(1)2scRRRRRRRRRRRRUUR 第52頁(yè)/共76頁(yè)溫度補(bǔ)償提高靈敏度 橫向粘貼的應(yīng)變計(jì)作用：柱式的不足:截面積隨載荷改變所導(dǎo)致的非線性(可以進(jìn)行補(bǔ)償)。筒式結(jié)構(gòu)可使分散在端面的載荷集中到筒的表面上來,改善了應(yīng)力線分布;在筒壁上還能開孔,如圖2.25(c)所示,形成許多條應(yīng)力線,從而與載荷在端面的分布無關(guān),并可減少偏心載荷、非均布載荷的影響,使引起的誤差更小。第53頁(yè)/共76頁(yè)二、 懸臂梁式傳感器 懸臂梁式傳感器是一種性能優(yōu)越的稱重測(cè)力傳感器，分為等截面和等強(qiáng)度懸臂梁：在懸臂梁上按一定方式貼上應(yīng)變計(jì)測(cè)量出應(yīng)變即可得到F的大小！F測(cè)量應(yīng)變等截面懸

27、臂梁:26FlEbh E等強(qiáng)度懸臂梁:bh26FlEbh E第54頁(yè)/共76頁(yè)如何粘貼應(yīng)變計(jì)？應(yīng)變片橋路連接方法:等截面懸臂梁:等強(qiáng)度懸臂梁:(a)等截面梁; (b)等強(qiáng)度梁 圖2.30 幾種梁式傳感器外形 第55頁(yè)/共76頁(yè)應(yīng)變片橋路連接方法及信號(hào)輸出:scRUUUkR這樣， 測(cè)出應(yīng)變， 即可得到載荷F。 ()()scRRUfKUf FRRscRUFR 測(cè)量第56頁(yè)/共76頁(yè)懸臂梁式傳感器一般可測(cè)0.5kg以下的載荷,最小可測(cè)幾十克重。懸臂梁式傳感器也可達(dá)到很大的量程,如鋼制工字懸臂梁結(jié)構(gòu)傳感器量程為0.230t,精度可達(dá)0.02%FS。懸臂梁式傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、應(yīng)變計(jì)容易粘貼,靈敏度高等

28、特點(diǎn)。第57頁(yè)/共76頁(yè)三.環(huán)式傳感器 圓環(huán)式傳感器彈性元件的結(jié)構(gòu),如圖2.28所示。a)為拉力環(huán),(b)為壓力環(huán)。環(huán)式常用于測(cè)幾十千克以上的大載荷,與柱式相比,它的特點(diǎn)是應(yīng)力分布變化大,且有正有負(fù),便于接成差動(dòng)電橋。R1R2R3R4R1R2R3R4(a)(b)第58頁(yè)/共76頁(yè)表2.1 幾種應(yīng)變式測(cè)力與稱重傳感器的性能 第59頁(yè)/共76頁(yè)2.3.2、應(yīng)變式壓力傳感器 應(yīng)變式壓力傳感器由電阻應(yīng)變計(jì)、彈性元件、外殼及補(bǔ)償電阻組成。一般用于測(cè)量較大的壓力。它廣泛用于測(cè)量管道內(nèi)部壓力,內(nèi)燃機(jī)燃?xì)獾膲毫?壓差和噴射壓力,發(fā)動(dòng)機(jī)和導(dǎo)彈試驗(yàn)中的脈動(dòng)壓力,以及各種領(lǐng)域中的流體壓力等。第60頁(yè)/共76頁(yè)2.3

29、.2、應(yīng)變式壓力傳感器 一.筒式壓力傳感器 筒式壓力傳感器的彈性元件如圖2.29所示,一端肓孔,另一端有法蘭與被測(cè)系統(tǒng)連接。當(dāng)應(yīng)變管內(nèi)腔與被測(cè)壓力相通時(shí),圓筒部分周向應(yīng)變?yōu)?2(2)(1)pDEd式中,p為被測(cè)壓力,D為圓筒外徑,d為圓筒內(nèi)徑。在薄壁筒上貼有兩片應(yīng)變計(jì)作為工作片,實(shí)心部分貼有兩片應(yīng)變計(jì)作為溫度補(bǔ)償片。 第61頁(yè)/共76頁(yè)R1R2R3R4r00.58r0(a)(b)prt二.膜片式壓力傳感器 該類傳感器的彈性敏感元件為一周邊固定的圓形金屬平膜片。當(dāng)膜片一面受壓力p作用時(shí),膜片的另一面(應(yīng)變計(jì)粘貼面)上的徑向應(yīng)變r(jià)和切向應(yīng)變t為圖2.33 膜片受力時(shí)的應(yīng)變分布和應(yīng)變計(jì)粘貼第62頁(yè)/

30、共76頁(yè)222222223(1)(3)83(1)()8rtpRxEhpRxEh 式中,R為平膜片工作部分半徑，h為平膜片厚度，E為膜片的彈性模量，為膜片的泊松系數(shù)，x為任意點(diǎn)離圓心的徑向距離。 第63頁(yè)/共76頁(yè) 在膜片中心即x=0處,r和t均達(dá)到正的最大值,即22maxmax23 (1)8rtpREh而在膜片邊緣,即x=R處,t=0,而r達(dá)到負(fù)的最大值(最小值)。22min23 (1)4rpREh 第64頁(yè)/共76頁(yè)三.組合式壓力傳感器 組合式壓力傳感器,如圖2.31所示,通常用于測(cè)量小壓力。波紋膜片、膜盒、波紋管等彈性敏感元件感受壓力后,推動(dòng)推桿使梁變形。電阻應(yīng)變計(jì)粘貼于梁的根部感受應(yīng)變。

31、ppp應(yīng)變片第65頁(yè)/共76頁(yè)2.3.3、應(yīng)變式加速度傳感器 應(yīng)變式加速度傳感器如圖2.32所示。在一懸臂梁1的自由端固定一質(zhì)量塊3。當(dāng)殼體4與待測(cè)物一起作加速運(yùn)動(dòng)時(shí),梁在質(zhì)量塊慣性力的作用下發(fā)生形變,使粘貼于其上的應(yīng)變計(jì)2阻值變化。檢測(cè)阻值的變化可求得待測(cè)物的加速度。圖中,5為電引線,6為運(yùn)動(dòng)方向。2146352143第66頁(yè)/共76頁(yè)2.3.4 擴(kuò)散型壓阻式壓力傳感器壓阻式壓力傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖1低壓腔 2高壓腔 3硅杯 4引線 5硅膜片采用N型單晶硅為傳感器的彈性元件，在它上面直接蒸鍍半導(dǎo)體電阻應(yīng)變薄膜 上一頁(yè)返 回下一頁(yè)第67頁(yè)/共76頁(yè)工作原理： 膜片兩邊存在壓力差時(shí)，膜片產(chǎn)生變形，膜片上各點(diǎn)產(chǎn)生應(yīng)力。 四個(gè)電阻在應(yīng)力作用下，阻值發(fā)生變化，電橋失去平衡， 輸出相應(yīng)的電壓，電壓與膜片兩邊的壓力差成正比。 四個(gè)電阻的配置位置： 按膜片上徑向應(yīng)力r和切向應(yīng)力t的分布情況確定。 )31 ()1(83)3()1(8322022202rrhprrhptr設(shè)計(jì)時(shí)，適當(dāng)安排電阻的位置，可以組成差動(dòng)電橋。 上