應(yīng)變式傳感器

1、會計學1應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器23金屬導體的電阻值隨其機械變形而發(fā)生變化的現(xiàn)象電阻應(yīng)變效應(yīng)。FFl2rl+dl2(r-dr):電阻率l:金屬導線長度S:金屬導線截面積45K0的大小與絲的材料有關(guān)，與應(yīng)變數(shù)值有關(guān)。1d選材目的：為常數(shù)。即：xCd6常用材料:1)康銅（5060%Cu,40%Ni),K=2.2;2)鎳鉻（80%Ni,20%Cr),K=2.4;應(yīng)變片的標稱靈敏系數(shù)為：/RdRK 測量條件：鋼試件，單向應(yīng)力狀態(tài)。0KK 橫向效應(yīng)引起7取絲繞結(jié)構(gòu)分析8L和b分別稱為應(yīng)變片的基長和寬度9101112原理：壓阻效應(yīng)；優(yōu)點：體積小、靈敏度高（比金屬應(yīng)變片大幾十倍），機械滯后?。蝗秉c：溫度系數(shù)

2、大、非線性差、靈敏度分散性大。1314橫向效應(yīng)分析：xlKLnlRR0)(設(shè)絲總長為L,對n段直線部分：平面應(yīng)變場任意方向的線應(yīng)變?yōu)椋簂x直線段圓弧段對圓弧部分：152sin22cos22xyyxyxxy2cos22yxyxdlll)(drlrryx22yxrll16rrrKLrnRR01 圓弧部分相對總電阻的變化為：210yxKrLn總的電阻變化為：rlRRR17rlRRR2100yxxKrLnKLnlRRyxKrLnKrLnLnl002121令：021KrLnLnlKx021KrLnKy 18yyxxKKRR定義橫向效應(yīng)系數(shù)C：xyKKC/)(yxxCKRR在單向應(yīng)力狀態(tài)下：xyxxCKR

3、R)1 ( )1 (CKKx應(yīng)變片的靈敏系數(shù)：19 減小橫向效應(yīng) 減小Ky短接式箔式?jīng)Q定橫向效應(yīng)大小的因素：橫向部分絲的電阻占總電阻的比例；橫向部分絲的總長度。20討論1：應(yīng)變片本質(zhì)上測量的是哪個物理量，其定義是什么？答:線應(yīng)變答:長度有限,阻值太小。討論2：一根直金屬絲為什么不能實際用于測量線應(yīng)變，而要繞成柵狀？lldl)(lim0應(yīng)變具有點的特征，應(yīng)變片測量到的是柵長內(nèi)的平均線應(yīng)變。21討論3：利用應(yīng)變片測量線應(yīng)變時，利用標稱靈敏系數(shù)計算應(yīng)變，存在哪些原理誤差？1）材料不同引起的誤差:不同的材料，其不同。即使應(yīng)力狀態(tài)相同，應(yīng)變場可能不同;2）應(yīng)力狀態(tài)不同引起的誤差:)1 (CKKx222）

4、應(yīng)力狀態(tài)不同引起的誤差:標定-單向應(yīng)力狀態(tài)；其它應(yīng)力狀態(tài)下：23按標定靈敏系數(shù)計算的應(yīng)變值：誤差特殊：當有24討論4：應(yīng)變片作為敏感元件與彈性體結(jié)合構(gòu)成傳感器時，是否需要對材料或應(yīng)力狀態(tài)分別進行修正？答：不用。因為彈性體材料和應(yīng)變片粘貼處的應(yīng)力狀態(tài)規(guī)律一般不變，可以通過校準確定被測量和讀數(shù)應(yīng)變的關(guān)系，但是，傳感器需要有好的重復性。注：應(yīng)變片既可以作為敏感元件測量應(yīng)變，也可以作為傳感元件測量其它量。25原因：1）基底傳遞衰減；2）存在橫向效應(yīng)。2.橫向效應(yīng)系數(shù)FxFx26橫向效應(yīng)總是起著抵消縱向應(yīng)變的作用； r、lC橫向效應(yīng)小；采用短接式、直角式橫柵減小橫向效應(yīng)。結(jié)論：27在一定溫度下，應(yīng)變片的

5、指示應(yīng)變下降到真實應(yīng)變的90%時的真實應(yīng)變。主要原因：1）應(yīng)變超過應(yīng)變片的比例極限；2）粘接層的厚度導致傳遞應(yīng)變的梯度損失。真實指示28原因：基底和粘結(jié)劑的殘余變形。減小方法：使用前進行多次循環(huán)加、卸載荷。指示zm29零漂：指示隨時間的漂移（未加載、溫度恒定）。原因：敏感柵通電流后的溫度效應(yīng)應(yīng)變片的內(nèi)應(yīng)力固化不充分蠕變：在某一恒定溫度下，對試件加一恒定應(yīng)變，這時指示應(yīng)變隨時間變化的特性。500指示t030標準化的阻值：60 、120 、350 、600 、1000等允許電流：電流產(chǎn)生熱量需要及時散掉；靜態(tài)測量時：典型取值25mA 。RPAIgAg:敏感柵的面積P:敏感柵的功率密度31一、應(yīng)變波

6、的傳播過程機械應(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)變波在構(gòu)件材料中傳播速度：Ev 彈性模量構(gòu)件材料密度應(yīng)變波從基底和粘合劑傳到敏感柵：所需時間為10-8s量級，可以忽略。321、正弦應(yīng)變波：Lx1x20 x0sin2x應(yīng)變波在應(yīng)變片敏感柵長度內(nèi)傳播：應(yīng)變片測量的為柵長內(nèi)線應(yīng)變的平均值。33設(shè)某測試點的應(yīng)變振動方程：距離、速度、波長、頻率的關(guān)系：代入振動方程，得到波動方程：txvf3435:為應(yīng)變波波幅測量誤差e設(shè)L=n時，滿足測試精度要求。結(jié)論：柵長越短，頻帶越寬。3690%100%tk10%tk0.8Lts(a)(b)(c)L可測頻率：371、單臂電橋211RRUIsr432RR

7、UIsrR1R2R3R4USCUsrI1I2ABCD380scU初始平衡時：39電橋電壓靈敏度2)1 (nnUksrU40單臂電橋的工作特性。4142R1+R1R2 - R2R3R4UscUsr相鄰橋臂，電阻一個增加、一個減少.RRRRRR2121，若：43R1+ R1R2 + R2USCUsrR3+R3R4+ R43、 全橋：四臂都是應(yīng)變片，且相鄰電阻變化相反44R1+ R1R2 + R2USCUsrR3+R3R4+ R44546組橋方式組橋方式 輸出電壓輸出電壓USC溫度補償方法溫度補償方法單臂測量單臂測量一相鄰橋臂接溫度一相鄰橋臂接溫度補償片補償片半橋測量半橋測量自動補償自動補償對臂測量

8、對臂測量另外兩個橋臂接兩另外兩個橋臂接兩個溫度補償片個溫度補償片全橋測量全橋測量自動補償自動補償KUsr41)(4121KUsr)(4141KUsr)(414321KUsr47對于單臂電橋：有：48非線性項擬和直線特性：最大非線性偏差：結(jié)論：滿量程輸入時，非線性偏差最大。49max.)(SFSCSCSCfUUUe50按二項式展開：略去高階小量，非線性誤差簡化為：實際輸出電壓：51舉例：對于電阻應(yīng)變片：設(shè)max 2000，K2，則：對于半導體應(yīng)變片：設(shè)max 1000，K125，則：52USCR1R2R3R4USR兩電阻變化異號。53RRRRRRRRUsr212121141212121141KK

9、Usr54結(jié)論：理想為線性，一般情況下非線性誤差比單臂電橋的小。212121141KKUUsrsc擬和直線特性：如果:2155對于全橋:432143212141KKUUsrSC特殊情況：結(jié)論：與半橋相當，理想情況下為線性。56采用恒流源USCR1R2R3R4II1I243213241RRRRRRRRIUsc57當4臂產(chǎn)生應(yīng)變時：USCR1R2R3R4II1I258432143214141KIRKUsc結(jié)論：非線性誤差為恒壓源的一半。432143212141KKUUsrSC恒壓源全橋:59采用雙恒流源I0I01423ABDADABBDscRRIuu043210RKI理論上沒有非線性問題：高精度的

10、特性一致的恒流源比較難實現(xiàn)。60交流電橋電橋的平衡調(diào)節(jié)61例題：有一應(yīng)變式測力傳感器，彈性元件為實心圓柱，直徑D40mm，沿圓柱的軸向和周向各粘貼兩片應(yīng)變片，應(yīng)變片的靈敏系數(shù)K1.9，標稱阻值R100，構(gòu)成全橋。設(shè)力F10,000N,材料的彈性模量E200GPa，泊松比0.3，采用電壓源供電，若應(yīng)變片工作電流為15mA，求電橋輸出電壓。62電阻應(yīng)變儀靜態(tài)電阻應(yīng)變儀動態(tài)電阻應(yīng)變儀6364一個測量通道能接成一個測量電橋，其工作原理如圖。有幾個測量通道，其實就是能接幾個測量電橋。 測量通道切換65橋臂切換法工作原理66換種畫法67應(yīng)變儀半橋切換工作原理應(yīng)變儀內(nèi)部測量通道切換原理68 應(yīng)變儀全橋切換原

11、理69 這種接線方法是單臂半橋接線法擴展，適合于多點測量。條件多通道應(yīng)變儀被測點比較靠近，在同一個溫度場中。例：一根等強度梁，其上粘貼有多片應(yīng)變片。等強度梁在P力作用下，要求測量等強度梁上各點的應(yīng)變。70 公共接線圖71公共接線在應(yīng)變儀上的連接原理72敏感柵的金屬電阻本身隨溫度發(fā)生變化：Rt=R0（1+t) R t=R0tRt：溫度為t時的電阻值；R0：溫度為t0時的電阻值；：電阻溫度系數(shù)C06/10)1250(物理原因：1）電阻率變化； 2）熱脹冷縮。73試件材料與應(yīng)變材料的線膨脹系數(shù)不同引起應(yīng)變片附加形變：l0lslg試件應(yīng)變片應(yīng)變柵伸長：ls=sl0t s :應(yīng)變柵的線膨脹系數(shù)。試件形變

12、：lg=gl0t g :試件線膨脹系數(shù)。74溫度引起的電阻總變化：R t = R t + R t =R 0 t +R0K (g - s)tR t /R 0 = t +K (g - s)t 附加形變：l=lg- ls =(g- s) l0t附加應(yīng)變：=l/l0=(g - s) t附加電阻變化： R t =R 0 K=R 0 K (g - s)t折算成應(yīng)變：tKtKRRsgtt0751、橋路補償法：FFR1R276tRRRR1UsR1R2 R3R4USCtRRR2受力后:特點：可以大大減小溫度誤差，但不能完全消除溫度誤差。77工作片、補償片貼在同一構(gòu)件上，但兩者感受的應(yīng)變符號相反。 工作片、補償片

13、貼在同一構(gòu)件上，但補償片不受力作用。PR2R1R1R278要使：R t =0 則：+K（g -s ）=0求得： = -K（g - s ）特點：制作簡單、成本低；缺點:只能在特定材料的試件上才能得到補償效果。隨溫度變化為非線性時，引起輸出非線性。適用于某一種構(gòu)件材料的自補償應(yīng)變片：79212211RRRRRRRRttt溫度變化時：結(jié)構(gòu)：兩種不同溫度系數(shù)（一正一負）的金屬絲串聯(lián)繞制成敏感柵。21RRRR1R2注意：R為一個橋臂電阻。總電阻：ttRR21要求：特點：補償精度高、靈敏度不受損失。 80敏感柵由同符號電阻溫度系數(shù)的兩種合金絲串接而成。敏感柵的兩部分電阻R1和R2分別接入電橋的相鄰兩臂上。

14、R1R2abc特點：21RR 2121鉑或鉑合金02181優(yōu)點：適合于不同線膨脹系數(shù)的試件，調(diào)整R B，可使熱補償效果達到最佳。缺點：由于補償柵和工作柵感受相同應(yīng)變，所以補償同時抵消有效應(yīng)變，使輸出靈敏度降低；對R 2材料性能要求高,通常為Pt電阻。R1R2 R3R4USCRB UsBttRRRRR2211使得：82溫度升高使應(yīng)變片靈敏度降低輸出UscT并聯(lián)熱敏電阻Rt阻值下降輸出Usc適當選擇電阻R5可起到補償作用。R1R2 UsrUscR3R4R5 Rt 83應(yīng)變式傳感器 = 彈性敏感元件+應(yīng)變片電阻應(yīng)變式傳感器的特點:結(jié)構(gòu)簡單、尺寸小、 重量輕；使用方便、變換電路簡單；精度高、測量范圍大

15、、穩(wěn)定性好； 測力：零點幾N到幾百kN，0.05%F.S 測壓：幾十Pa至1011Pa，0.1%F.S價格便宜、品種多樣；應(yīng)用廣泛。84鉻鋼合金鋼鉻錳彈簧鋼鈹青銅鋁合金4.7.0 常用彈性元件力學特性彈性元件材料性能要求：85特點：結(jié)構(gòu)簡單、可承受很大載荷截面形狀：實心截面、空心截面軸向產(chǎn)生的應(yīng)力、應(yīng)變（=0）橫向產(chǎn)生的應(yīng)變（=900）86lbhl0R1R3F2）梁式力彈性敏感元件A.等截面梁注意：l0是一個變量！87lhFb注意：l是一個常量！888990919293性能要求：1）非線性及遲滯??；零漂和蠕變??；2）重復性好；3）測量結(jié)果與力的作用位置無關(guān)；4）用于動態(tài)測量時，頻帶寬。主要參數(shù)

16、：1）量程；2）精度； 3）工作頻率；4）外形尺寸及安裝方式；5）使用環(huán)境（溫度、濕度、介質(zhì)、振動等）；94特點：結(jié)構(gòu)簡單、適合大載荷測量截面形狀：實心截面、空心截面95彈性工作段96應(yīng)變片串聯(lián)的作用？能否提高靈敏度？F相對兩片串聯(lián)，消除偏心干擾。97軸向產(chǎn)生的應(yīng)力、應(yīng)變橫向產(chǎn)生的應(yīng)變應(yīng)力應(yīng)變分析計算理：98舉例：傳感器的尺寸設(shè)計：額定許用應(yīng)變：1000要求：設(shè)計1000kgf空心柱式力傳感器。彈性元件的材料：40CrNiMoMPab1100MPap800GPaE21029. 0a、橫截面的計算99 EPPA269467. 0101000102108 . 91000cm選外徑 d1的原則：1)

17、不能過小，否則會失穩(wěn),且由于力的偏心產(chǎn)生較大誤差；2)不能過大，否則會由于壁太薄產(chǎn)生失穩(wěn)。100取d1=15mm,mmAdd9 .124212,取d2=13mmb、柱高h的選擇h選擇的原則：1)不能過大，否則會產(chǎn)生失穩(wěn)；2)不能過小，否則應(yīng)變沿軸線分布不均勻。mdh03. 021101c、傳感器輸出計算滿量程下的軸向應(yīng)變?yōu)椋簜鞲衅鞯淖x數(shù)應(yīng)變?yōu)?按全橋計算）：1061EAP273712i恒壓供橋時，橋壓為：gARPu2P-敏感柵上的功率密度（W/mm2);Ag-敏感柵面積（mm2);102gARPu223/107mmWP?。?53mmAg350RVu1 .125310735023取u=10V,K

18、=2，則：mVuKuii69.1341103104采用空心圓柱型彈性元件；在載荷作用的端部附加承彎膜片；采用扁平式彈性元件：105整體稱重 地秤稱軸重 1072、懸臂梁式力傳感器它適于測量500Kg以下的載荷，最小為測幾十克重的力，這種傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、加工容易、應(yīng)變片易粘貼、靈敏度高等特點。10826EbhFlx109EbhPLM26iLEbhP242問題：傳感器的輸出隨載荷的位置而改變。LPhb110MP問題：為什么開孔？111EWMPL 21EWMPL 12EWMPL 1443214ukui電橋輸出為：EWMPL 23112EWMPLEWMPLEWMPLEWMPLukui12124EW

19、LLPuk122結(jié)論：電橋輸出與載荷位置無關(guān)！適合量程：小量程。115特點：測量中等和較小力值。在20區(qū)域內(nèi)截面的內(nèi)力為：PPsin2)(PN軸力:剪力:cos2)(PQ彎矩:sinsin2Pr)(00M11600000cossin2Pr)90(Msinsin2Pr)(00M在090處：在0090處：1sin2Pr)90(000MPP此處應(yīng)變并非最大。為什么在此布片？)90()90(000 MM117便攜式119120SFP正壓力：物體與物體在垂直于接觸表面方向的相互作用力，單位：N。對于流體(氣、液),工程上習慣稱為壓力。壓強：單位面積上作用的正壓力。單位：N/m2或Pa。121適用于測量液

20、體或氣體的壓力.其特性參數(shù)受圓板的周邊的固定情況影響大。膜片結(jié)構(gòu)形式12232441923212)1 ( 316ERp:膜片中心的垂直位移；特點：壓力與位移為非線性關(guān)系。波紋膜片：（正弦波、三角波等）Rp3244 cbaERp1233244cbaERpa,b,c取決于波紋形狀、峰峰值和條紋數(shù)；特點：壓力與位移為非線性關(guān)系，但非線性程度比平膜片小。124膜片在均勻壓力P的作用下，徑向應(yīng)力r和切向應(yīng)力t為：3183222rRhPr31183222rRhPt125式中，R為膜片半徑，r為位置參量，h為膜片厚度，為材料泊松比。利用胡克定律求徑向應(yīng)變和切向應(yīng)變?yōu)椋篍為材料的彈性模量。由此得到的應(yīng)變分布曲

21、線為：22223183rREhPr2222183rREhPt126應(yīng)變分布特點：1）正線應(yīng)變：最大在圓心，方向：徑向或切向；2)負線應(yīng)變：最大在平膜片的固定處，方向沿直徑方向。應(yīng)變分布曲線127平膜片表面應(yīng)力、應(yīng)變分布128一共4個部分；構(gòu)成電橋。129膜片外殼插座130131設(shè)圓筒的內(nèi)半徑為a1;圓筒的外半徑為a2;112aa令：圓筒外表面的周向和軸向應(yīng)力分別為：122Pt12Pz1）圓筒內(nèi)作用壓力PR1R2Pa1a2zt132圓筒外表面的周向和軸向應(yīng)變分別為：PEEztt) 1(212PEEtzz) 1(2112特點：兩個方向的應(yīng)變皆大于零；周向應(yīng)變大于軸向應(yīng)變。133布片方案：兩個周向應(yīng)

22、變片和兩個溫度補償片，恒壓電橋輸出為：KuKuuooi214132內(nèi)表面的周向和軸向應(yīng)力分別為：2) 圓筒外作用壓力Pt1222Pz122PEEztt) 1(2122PEEtzz) 1(21122對應(yīng)的應(yīng)變?yōu)椋?34Pt1222Pz122PEEztt) 1(2122溫度補償片為R1 、R4，恒壓電橋輸出為：tooiKuKuu21)(4132PEt) 1(22232PEEtzz) 1(21122135梁式彈性元件位移傳感器136關(guān)系：被測位移彈簧變形梁位移1370901802703124138 可用于汽車、摩托車、飛機、內(nèi)燃機、機械制造和家用電器等領(lǐng)域，準確控制緊固螺紋的裝配扭矩。量程2500N

23、.m，耗電量10mA，有公制/英制單位轉(zhuǎn)換、峰值保持、自動斷電等功能。140設(shè)振動方程為：tyysin0對質(zhì)量塊進行受力分析。彈簧的作用力為：KxF 注：此處的x為去除掉重力mg引起的彈簧變形后的彈簧變形量。141阻尼力為：dtdxcP 慣性力為：22)(dtxydmR質(zhì)量塊受力平衡分析：0FPRPFRKxF 0)(22KxdtdxcdtxydmtyxmKdtdxmcdtxdsin2022142tyxmKdtdxmcdtxdsin2022令：mK20固有頻率02mc阻尼比上式改寫為：tyxdtdxdtxdsin2202002202mctyxdtdxdtxdsin121202002220解為：00sintxx14300sintxx2022202020202220200041141yyxtyysin0tatyyasinsin002 2022200202220020204141ayx202