第3章電阻應(yīng)變片式傳感器ppt課件

1、測(cè)量電路測(cè)量電路式中 電阻絲的電阻率；L電阻絲的長(zhǎng)度；A電阻絲的截面積AlRdAldAAldlAdR2AAllRR 當(dāng)電阻絲受到軸向的拉力F作用時(shí)，將伸長(zhǎng)l，橫截面積相應(yīng)減小A，電阻率因材料晶格發(fā)生變形等因素影響而改變了，從而引起了電阻值的變化，對(duì)式（3.1全微分，得：則相對(duì)變化量為dAdAldlRdRldlAdArdr21ldlAdArdr21dddAdAldlRdR212dRdRK21圖3.4 應(yīng)變片軸向受力及橫向效應(yīng) 3. 測(cè)量原理 在外力作用下，被測(cè)對(duì)象產(chǎn)生微小機(jī)械變形，應(yīng)變片隨著發(fā)生相同的變化，同時(shí)應(yīng)變片電阻值也發(fā)生相應(yīng)變化。當(dāng)測(cè)得應(yīng)變片電阻值變化量為R 時(shí)，便可得到被測(cè)對(duì)象的應(yīng)變值

2、， 根據(jù)應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系，應(yīng)變與應(yīng)力成正比，即 ， E -試件材料的彈性模量。=E R1R2R4R3ACBEDIoRLUoZ1UoU(a)Z2Z3Z4R1R2R4R3oUC1C2U(b)圖3.5 直流電橋和交流電橋ERRRRRRRRERRRERRRUUUUADABBDo4321324143321103241RRRR3241RRRR3241RRRRRRRRR4321341211113443211414332111111)(RRRRRRRRRRERRRRRRRERRRRRRRREUo圖圖 3.6 單臂測(cè)量電橋ERRnnUo112)1 (EnnRRUKoU211)1 ( 電橋電壓靈敏度定義為 電橋電

3、壓靈敏度KU正比于電橋供電電壓E，E越高， KU 越高 ，但供電電壓的提高受到應(yīng)變片允許功耗的限制，所以要適當(dāng)選擇橋臂電阻比值n， 保證電橋具有較高的電壓靈敏度444411EKKERRERREUUoR1 R1R4R3ACBEDR2 R2Uo(a )R1 R1ACBEDR2 R2Uo(b )R3 R3R4 R4圖3.7 半橋差動(dòng)ERRRRRRRRRUo433221111若R1=R2，R1=R2，R3=R4，則得 KERREUo2211ERRRRRRRRRRRRRRRRUo4433221133224411R1 R1R4R3ACBEDR2 R2Uo(a)R1 R1ACBEDR2 R2Uo(b)R3

4、R3R4 R4 由于變形程度相同，R1=R2=R3=R4，且R1=R2=R3=R4= R，EKRREUUo圖3.8 全橋差動(dòng)三三. 應(yīng)變片測(cè)量交流電橋應(yīng)變片測(cè)量交流電橋 引入原因：由于應(yīng)變電橋輸出電壓很小，一般都引入原因：由于應(yīng)變電橋輸出電壓很小，一般都要加放大器，而直流放大器易于產(chǎn)生零漂，因此應(yīng)變要加放大器，而直流放大器易于產(chǎn)生零漂，因此應(yīng)變電橋多采用交流電橋。電橋多采用交流電橋。 由于供橋電源為交流電源，引線分布電容使得二由于供橋電源為交流電源，引線分布電容使得二橋臂應(yīng)變片呈現(xiàn)復(fù)阻抗特性，即相當(dāng)于兩只應(yīng)變片各橋臂應(yīng)變片呈現(xiàn)復(fù)阻抗特性，即相當(dāng)于兩只應(yīng)變片各并聯(lián)了一個(gè)電容。并聯(lián)了一個(gè)電容。U圖

5、3-9 交流電橋 Z1UoU(a)Z2Z3Z4R1R2R4R3oUC1C2U(b)Z1UoU(a)Z2Z3Z4R1R2R4R3oUC1C2U(b)UZZZZZZZZU43213241032413241, 0ZZZZZZZZ即00U11111jeZjXRZ22222jeZjXRZ33333jeZjXRZ44444jeZjXRZ3241ZZZZ3241當(dāng) ，此時(shí)電橋達(dá)到平衡。 ，所以平衡條件為 )1)(1 (34111211340ZZZZZZZZZZUU 11ZZ略去分母中 并設(shè) 21ZZ 34ZZ 那么 )(4110ZZUU44332222111111RZRZCRjRZCRjRZ式中, C1、C

6、2表示應(yīng)變片引線分布電容。 每一橋臂上復(fù)阻抗分別為交流電橋輸出： )(43213241ZZZZZZZZUUo電橋平衡條件：Uo=0，即 Z1Z4=Z2Z3 整理可得 3222411111RCRjRRCRjR變形為： 24241313CRjRRCRjRR交流電橋的平衡條件實(shí)部、虛部分別相等）：3412RRRR2112CCRRR1R2R4R3ACR5DUoU(a)R1R2R4R3ACR5UoU(b)BBR6R1R2R4R3ACUoU(c)BC1C2C3C4R1R2R4R3ACCUoU( d )BRD(a)串聯(lián)法 (b)并聯(lián)法 (c)差動(dòng)法 (d)阻容法圖3-10 交流電橋平衡調(diào)節(jié)max13135R

7、RrrR式中31, rr 分別為R1與R2和R3與R4的偏差。l并聯(lián)電阻法：3.10圖(b)中調(diào)節(jié)R5可改變橋臂AD和CD得阻值比，使電橋滿足平衡條件?？烧{(diào)平衡范圍取決于R6的值。R6愈小，可調(diào)范圍愈大，但測(cè)量誤差也愈大。因此在保證精度的前提下要選得小些。lR5可采用與R6相同的阻值。R6可按下式確定： max331136RrRrRR注意：在同時(shí)具有電阻和電容調(diào)平裝置進(jìn)行阻抗調(diào)平過(guò)程中，兩者應(yīng)不斷交替調(diào)整，才能取得滿意的平衡結(jié)果。 當(dāng)被測(cè)應(yīng)力變化引起 Z1=Z10+Z, Z2=Z20Z 變化時(shí)Z10=Z20=Z0），則電橋輸出為 00021212ZZUZZZUUo14231234()()oZ

8、ZZ ZUUZZZZAALLRRE式中： 半導(dǎo)體材料的壓阻系數(shù)半導(dǎo)體材料的所受應(yīng)變力E半導(dǎo)體材料的彈性模量半導(dǎo)體材料的應(yīng)變KEllllRR)21(2 所以當(dāng)半導(dǎo)體應(yīng)變片受軸向力作用時(shí)，其電阻相對(duì)變化可寫為： Pa11108040PaE111067. 1ERdRK實(shí)驗(yàn)表明，E比1+2大上百倍，所以1+2可以忽略，半導(dǎo)體材料的壓阻系數(shù)，因而半導(dǎo)體應(yīng)變片的靈敏系數(shù)為：3. 半導(dǎo)體應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)一一. 應(yīng)變片的溫度誤差應(yīng)變片的溫度誤差 由于測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度的改變而給測(cè)量帶來(lái)的附加由于測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度的改變而給測(cè)量帶來(lái)的附加誤差，誤差， 稱為應(yīng)變片的溫度誤差。產(chǎn)生應(yīng)變片溫度誤差的稱為應(yīng)變片的溫度誤差。產(chǎn)生

9、應(yīng)變片溫度誤差的主要因素有如下兩個(gè)方面：主要因素有如下兩個(gè)方面：1. 電阻溫度系數(shù)的影響電阻溫度系數(shù)的影響 敏感柵的電阻絲阻值隨溫度變化的關(guān)系可用下式表示：敏感柵的電阻絲阻值隨溫度變化的關(guān)系可用下式表示： Rt=R0(1+0t) 3.3 應(yīng)變片的溫度誤差及補(bǔ)償式中: Rt溫度為t時(shí)的電阻值； R0溫度為t0時(shí)的電阻值； 0溫度為t0時(shí)金屬絲的電阻溫度系數(shù)； t溫度變化值，t=t-t0。 當(dāng)溫度變化t時(shí)，電阻絲電阻的變化值為： R=Rt-R0=R00t 當(dāng)試件與電阻絲材料的線膨脹系數(shù)相同時(shí)：環(huán)境溫度變化不會(huì)產(chǎn)生附加變形。 當(dāng)試件與電阻絲材料的線膨脹系數(shù)不同時(shí)：環(huán)境溫度變化，電阻絲會(huì)產(chǎn)生附加變形，

10、從而產(chǎn)生附加電阻變化。 設(shè)電阻絲和試件在溫度為0時(shí)的長(zhǎng)度均為l0, 它們的線膨脹系數(shù)分別為s和g，若兩者不粘貼，則它們的長(zhǎng)度分別為 ls=l0(1+st)lg=l0(1+gt) （3-22） （3-23） 2. 試件材料和電阻絲材料的線膨脹系數(shù)不同時(shí)的影響 當(dāng)兩者粘貼在一起時(shí)，電阻絲產(chǎn)生的附加變形l，附加應(yīng)變和附加電阻變化R分別為 tRKRKRtlltllllsgsggsgsg)()()(0000由于溫度變化而引起的應(yīng)變片總電阻相對(duì)變化量為 tKtKtRRRRRsgsgt)()(0000 結(jié)論：因環(huán)境溫度變化而引起的附加電阻的相對(duì)變化量，除了與環(huán)境溫度有關(guān)外，還與應(yīng)變片自身的性能參數(shù)K, 0,

11、 s以及被測(cè)試件線膨脹系數(shù)g有關(guān)。 電阻應(yīng)變片的溫度補(bǔ)償方法通常有兩種：電路補(bǔ)償法和應(yīng)變片溫度自補(bǔ)償法。 1. 電路補(bǔ)償法 電橋補(bǔ)償是最常用且效果較好的電路補(bǔ)償，如圖3.11所示。 二. 電阻應(yīng)變片的溫度補(bǔ)償方法圖3-11 電橋補(bǔ)償法R1R3RBR4UoR1RB(a)(b)R1工 作 應(yīng) 變 片 ；RB補(bǔ) 償 應(yīng) 變 片F(xiàn)FU314310134134()()BabBBRR RR RRUUUUUURRRRRRRR0143()BUAR RR R134()()BUARRRR其中 測(cè)量應(yīng)變時(shí)，工作應(yīng)變片R1粘貼在被測(cè)試件表面上，補(bǔ)償應(yīng)變片RB粘貼在與被測(cè)試件材料完全相同的補(bǔ)償塊上不接受外力作用，且僅工

12、作應(yīng)變片承受應(yīng)變。 當(dāng)被測(cè)試件不承受應(yīng)變時(shí)，R1和RB又處于同一環(huán)境溫度為t的溫度場(chǎng)中，調(diào)整電橋參數(shù)使之達(dá)到平衡，此時(shí)有 0)(341RRRRAUBo工程上，一般按R1 = RB = R3 = R4 選取橋臂電阻。 溫度補(bǔ)償?shù)膶?shí)現(xiàn)：當(dāng)溫度升高或降低t=t-t0時(shí)，兩個(gè)應(yīng)變片因溫度而引起的電阻變化量相等，電橋仍處于平衡狀態(tài)， 即 0)()(3411RRRRRRAUBtBto應(yīng)變的測(cè)量：被測(cè)試件有應(yīng)變的作用，則工作應(yīng)變片電阻R1又有新的增量R1=R1K，而補(bǔ)償片因不承受應(yīng)變，故不產(chǎn)生新的增量， 此時(shí)電橋輸出電壓為 可見(jiàn)：電橋的輸出電壓Uo僅與被測(cè)試件的應(yīng)變有關(guān)，而與環(huán)境溫度無(wú)關(guān)。 41413411

13、)()(RKRARRARRRRRAUBo2) 注意補(bǔ)償條件： 在應(yīng)變片工作過(guò)程中，保證R3=R4。 R1和RB兩個(gè)應(yīng)變片應(yīng)具有相同的電阻溫度系數(shù)、線膨脹系數(shù)、應(yīng)變靈敏度系數(shù)K和初始電阻值R0。 粘貼補(bǔ)償片的補(bǔ)償塊材料和粘貼工作片的被測(cè)試件材料必須一樣，兩者線膨脹系數(shù)相同。 兩應(yīng)變片應(yīng)處于同一溫度場(chǎng)。 2. 應(yīng)變片的自補(bǔ)償法利用自身具有溫度補(bǔ)償作用的應(yīng)變片來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償?shù)姆椒ā?要實(shí)現(xiàn)溫度自補(bǔ)償，必須有 )(sgK 上式表明，當(dāng)被測(cè)試件的線膨脹系數(shù)g已知時(shí)，如果合理選擇敏感柵材料的電阻溫度系數(shù)、靈敏系數(shù)K以及線膨脹系數(shù)s，來(lái)滿足上式，則不論溫度如何變化，均有Rt/R0=0，從而達(dá)到溫度自補(bǔ)償?shù)哪?/p>

14、的。 tKtKtRRRRRsgsgt)()(003.4 應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用 一.構(gòu)造： 應(yīng)變式傳感器由彈性元件上粘貼電阻應(yīng)變片構(gòu)成，是利用電阻應(yīng)變片將應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻值變化的一種傳感器，如下圖。二. 工作原理： 當(dāng)被測(cè)物理量作用于彈性元件上，彈性元件在力、力矩或壓力等作用下發(fā)生變形，產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)變或位移，然后傳遞給與之相連的應(yīng)變片，引起應(yīng)變片的電阻值變化，通過(guò)測(cè)量電路轉(zhuǎn)換成電量輸出，輸出的電量大小反映被測(cè)量的大小。1. 應(yīng)變式力傳感器力的測(cè)量）應(yīng)變式力傳感器力的測(cè)量）1)懸臂式力傳感器懸臂式力傳感器當(dāng)在自由端加上作用力時(shí)，在梁上各處產(chǎn)生的應(yīng)變大小相當(dāng)在自由端加上作用力時(shí)，在梁上

15、各處產(chǎn)生的應(yīng)變大小相等，梁上各點(diǎn)的應(yīng)變?yōu)椋旱?，梁上各點(diǎn)的應(yīng)變?yōu)椋篍bhLF264, 1RR3,2RRRRR41RRR32由于受拉，受壓，故, KERREU440圖3-13 圓柱筒式力傳感器（a） 柱式；（b） 筒式；（c） 圓柱面展開(kāi)圖；（d） 橋路連線圖 (a)(b)(c)R1R5R2R6R3R7R4R8R1R3R5R7R6R8R2R4(d)UoU2) 柱筒式力傳感器3) 環(huán)式力傳感器圖3-14 環(huán)式力傳感器(a) 環(huán)式傳感器結(jié)構(gòu)圖； (b) 應(yīng)力分布 (a)AR1R2Bh(b)MBAFR39.5 對(duì)R/h5的小曲率圓環(huán)：A、B兩點(diǎn)的應(yīng)變。 EbhFREbhFRA2291. 109. 1這樣

16、， 測(cè)出A、 B處的應(yīng)變， 即可得到載荷F。 A23( /2)2(1)F Rhbh EB23( /2) 2F Rhbh E內(nèi)貼取“一” 內(nèi)貼取“” 式中： h圓環(huán)厚度； b圓環(huán)寬度； E材料彈性模量。0()( )0URRU fKf FRRRUFR 測(cè) 量3, 1RR4, 2RRRRR31RRR42KERREU440)(443210RRRRRRRREU4321,RRRR4. 應(yīng)變式壓力傳感器應(yīng)變式壓力傳感器 主要用來(lái)測(cè)量流動(dòng)介質(zhì)的動(dòng)態(tài)或靜態(tài)壓力主要用來(lái)測(cè)量流動(dòng)介質(zhì)的動(dòng)態(tài)或靜態(tài)壓力 應(yīng)變片壓力傳感器大多采用膜片式或筒式彈性元件。應(yīng)變片壓力傳感器大多采用膜片式或筒式彈性元件。 在壓力在壓力p作用下，

17、膜片產(chǎn)生徑向應(yīng)變作用下，膜片產(chǎn)生徑向應(yīng)變r(jià)和切向應(yīng)變和切向應(yīng)變t，表達(dá)式分別為表達(dá)式分別為 EhxRpEhxRptr222222228)(1 (38)3)(1 (3圖3-15 膜片式壓力傳感器（a） 應(yīng)變變化圖; （b） 應(yīng)變片粘貼 trxhRpR2R1R4R3rt(a)(b)應(yīng)變變化曲線的特點(diǎn)：當(dāng)x=0時(shí)，rmax=tmax；當(dāng)x=R時(shí)，t=0， r=2rmax。 特點(diǎn)的應(yīng)用：一般在平膜片圓心處切向粘貼R1、R4兩個(gè)應(yīng)變片， 在邊緣處沿徑向粘貼R2、R3兩個(gè)應(yīng)變片，然后接成全橋測(cè)量電路。 避開(kāi)位置。3/Rx 0r3/Rx 5. 應(yīng)變式容器內(nèi)液體重量傳感器應(yīng)變式容器內(nèi)液體重量傳感器感壓膜感受上

18、面液體的壓力。感壓膜感受上面液體的壓力。 當(dāng)容器中溶液增多時(shí)，感壓當(dāng)容器中溶液增多時(shí)，感壓膜感受的壓力就增大。將其上兩個(gè)傳感器膜感受的壓力就增大。將其上兩個(gè)傳感器Rt的電橋接成正的電橋接成正向串接的雙電橋電路，此時(shí)輸出電壓為向串接的雙電橋電路，此時(shí)輸出電壓為 Uo=U1U2=(K1K2)hg 式中, K1，K2為傳感器傳輸系數(shù)。AQgh120()KK QUA 結(jié)論：電橋輸出電壓與柱式容器內(nèi)感壓膜上面溶液的重量成線性關(guān)系，因此可以測(cè)量容器內(nèi)儲(chǔ)存的溶液重量。 圖3-16 應(yīng)變片容器內(nèi)液體重量傳感器 微壓傳感器電阻應(yīng)變敏感元件傳壓桿感壓膜hRLU1R2R4R0R1R3RtUoLRU22R1R4R0RtR3R6. 應(yīng)變式加速度傳感器應(yīng)變式加速度傳感器用于物體加速度的測(cè)量。用于物體加速度的測(cè)量。根據(jù)：根據(jù)：a=F/m。 32141等強(qiáng)度梁；2質(zhì)量塊；3殼體；4電阻應(yīng)變敏感元體圖3-17 電阻應(yīng)變式加速度傳感器結(jié)構(gòu)圖 測(cè)量原理：將傳感器殼體與被測(cè)對(duì)象剛性連接，當(dāng)被測(cè)物體以加速度a 運(yùn)動(dòng)時(shí)，質(zhì)量塊受到一個(gè)與加速度方向相反的慣性力作用， 使懸臂梁變形，該變形被粘貼在懸臂梁上的應(yīng)變片感受到并隨之產(chǎn)生應(yīng)變，從而使應(yīng)變片的電阻發(fā)生變化。 電阻的變化引起應(yīng)變片組成的橋路出現(xiàn)不平衡，從而輸