第4章+應(yīng)變式傳感器ppt課件

1、第第4 4章章 應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器 第第4章章 應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器n基本描述基本描述利用電阻應(yīng)變片將應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻變化的傳感器利用電阻應(yīng)變片將應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻變化的傳感器n主要用途主要用途測量力、力矩、壓力、加速度、重量等測量力、力矩、壓力、加速度、重量等n本章內(nèi)容本章內(nèi)容n工作原理及性能工作原理及性能n了解傳感器結(jié)構(gòu)、品種了解傳感器結(jié)構(gòu)、品種n掌握測量電路以及補(bǔ)償方法掌握測量電路以及補(bǔ)償方法n了解應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用了解應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用第第4 4章章 應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器 電阻式應(yīng)變傳感器作為測力的主要傳感器，測電阻式應(yīng)變傳感器作為測力的主要傳感器，測力范圍小到肌肉纖維，大到登

2、月火箭，精確度可到力范圍小到肌肉纖維，大到登月火箭，精確度可到 0.010.1%0.010.1%。有拉壓式柱、筒、環(huán)元件）、彎曲。有拉壓式柱、筒、環(huán)元件）、彎曲式、剪切式。式、剪切式。 應(yīng)變式傳感器特征：應(yīng)變式傳感器特征：不同材料類型不同材料類型: :金屬應(yīng)變片、半導(dǎo)體應(yīng)變片金屬應(yīng)變片、半導(dǎo)體應(yīng)變片應(yīng)用范圍應(yīng)用范圍: :應(yīng)變力、壓力、轉(zhuǎn)矩、位移、加速度；應(yīng)變力、壓力、轉(zhuǎn)矩、位移、加速度；主要優(yōu)點主要優(yōu)點: :使用簡單、精度高、范圍大體積小。使用簡單、精度高、范圍大體積小。第第4 4章章 應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器各種電子秤各種電子秤廣泛應(yīng)用于廣泛應(yīng)用于第第4 4章章 應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器高高

3、精精度度電電子子汽汽車車衡衡 動態(tài)電子秤動態(tài)電子秤電子天平電子天平第第4 4章章 應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器機(jī)械秤包裝機(jī)機(jī)械秤包裝機(jī)吊秤吊秤第第4 4章章 應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器n電阻應(yīng)變片電阻應(yīng)變片金屬材料和半導(dǎo)體材料金屬材料和半導(dǎo)體材料4.1 應(yīng)變式傳感器的工作原理應(yīng)變式傳感器的工作原理第第4 4章章 應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器n電阻式傳感器的基本原理：將被測物理量的變化轉(zhuǎn)換成電阻電阻式傳感器的基本原理：將被測物理量的變化轉(zhuǎn)換成電阻值的變化值的變化, ,再經(jīng)相應(yīng)的測量電路顯示或記錄被測量值的變化。再經(jīng)相應(yīng)的測量電路顯示或記錄被測量值的變化。種類繁多、應(yīng)用廣泛。種類繁多、應(yīng)用廣泛。n電阻應(yīng)變式

4、傳感器是基于測量物體受力變形所產(chǎn)生應(yīng)變的一電阻應(yīng)變式傳感器是基于測量物體受力變形所產(chǎn)生應(yīng)變的一種傳感器種傳感器, ,最常用的傳感元件為電阻應(yīng)變片。最常用的傳感元件為電阻應(yīng)變片。n 應(yīng)用范圍：用于位移、加速度、力、壓力、力矩等各種參應(yīng)用范圍：用于位移、加速度、力、壓力、力矩等各種參數(shù)測量。數(shù)測量。4.1 應(yīng)變式傳感器的工作原理應(yīng)變式傳感器的工作原理第第4 4章章 應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器n電阻應(yīng)變式傳感器特點：電阻應(yīng)變式傳感器特點：n精度高、測量范圍廣；精度高、測量范圍廣；n使用壽命長、性能穩(wěn)定可靠；使用壽命長、性能穩(wěn)定可靠；n結(jié)構(gòu)簡單，體積小、重量輕；結(jié)構(gòu)簡單，體積小、重量輕；n頻率響應(yīng)較好，

5、既可用于靜態(tài)測量又可用于動態(tài)測量；頻率響應(yīng)較好，既可用于靜態(tài)測量又可用于動態(tài)測量；n價格低廉，品種多樣，便于選擇和大量使用。價格低廉，品種多樣，便于選擇和大量使用。4.1 應(yīng)變式傳感器的工作原理應(yīng)變式傳感器的工作原理第第4 4章章 應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器n對于金屬材料對于金屬材料n 電阻應(yīng)變效應(yīng)電阻應(yīng)變效應(yīng)金屬導(dǎo)體在外力作用下發(fā)生機(jī)械形變時金屬導(dǎo)體在外力作用下發(fā)生機(jī)械形變時, ,其其阻值隨著所受機(jī)械變形阻值隨著所受機(jī)械變形( (伸長或縮短伸長或縮短) )的變化而發(fā)生變化的現(xiàn)象。的變化而發(fā)生變化的現(xiàn)象。n對于半導(dǎo)體材料對于半導(dǎo)體材料n 壓阻效應(yīng)壓阻效應(yīng)半導(dǎo)體材料在受到外力作用時半導(dǎo)體材料在受到

6、外力作用時, ,其電阻率其電阻率 發(fā)生變發(fā)生變化的現(xiàn)象?；默F(xiàn)象。4.1 應(yīng)變式傳感器的工作原理應(yīng)變式傳感器的工作原理第第4 4章章 應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器4.1 應(yīng)變式傳感器的工作原理應(yīng)變式傳感器的工作原理SLRSSLLRR222LLrrSSLL)21 (RR求R的全微分對于金屬和半導(dǎo)體材料，上兩項的不同對于金屬和半導(dǎo)體材料，上兩項的不同 ？圖圖4-1 4-1 金屬絲應(yīng)變效應(yīng)金屬絲應(yīng)變效應(yīng)電阻絲的電阻電阻絲的電阻R R為為第第4 4章章 應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器4.1 應(yīng)變式傳感器的工作原理應(yīng)變式傳感器的工作原理電阻變化電阻變化電阻絲幾何尺寸變化引起的電阻絲幾何尺寸變化引起的電阻絲電阻率變

7、化引起的電阻絲電阻率變化引起的1.對于金屬材料對于金屬材料,電阻率幾乎不變電阻率幾乎不變2.對于半導(dǎo)體材料對于半導(dǎo)體材料,壓電效應(yīng)為主壓電效應(yīng)為主電阻應(yīng)變效應(yīng)電阻應(yīng)變效應(yīng)壓阻效應(yīng)壓阻效應(yīng)第第4 4章章 應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器n定義：定義：n電阻絲的靈敏度系數(shù)電阻絲的靈敏度系數(shù)K表示單位應(yīng)變所引起的電阻相對變化。表示單位應(yīng)變所引起的電阻相對變化。金屬材料金屬材料 取值為取值為2左右，常數(shù)左右，常數(shù)半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體材料 取值為取值為50100之間，易受溫度影響。之間，易受溫度影響。4.1 應(yīng)變式傳感器的工作原理應(yīng)變式傳感器的工作原理第第4 4章章 應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器4.2 電阻應(yīng)變片的特性

8、電阻應(yīng)變片的特性n(1)種類及結(jié)構(gòu)種類及結(jié)構(gòu)n(2)電阻應(yīng)變片性能參數(shù)電阻應(yīng)變片性能參數(shù)n(3)靈敏系數(shù)靈敏系數(shù)n(4)橫向效應(yīng)橫向效應(yīng)n(5) 應(yīng)變片的溫度誤差及補(bǔ)償應(yīng)變片的溫度誤差及補(bǔ)償?shù)诘? 4章章 應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器(1)種類及結(jié)構(gòu)種類及結(jié)構(gòu)n品種：絲式、箔式、半導(dǎo)體式和薄膜式電阻應(yīng)變片。品種：絲式、箔式、半導(dǎo)體式和薄膜式電阻應(yīng)變片。薄膜式應(yīng)變片是今后發(fā)展的方向薄膜式應(yīng)變片是今后發(fā)展的方向第第4 4章章 應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器絲式應(yīng)變片：金屬電阻應(yīng)變片的典型結(jié)構(gòu)。將一根高電阻率金屬絲絲式應(yīng)變片：金屬電阻應(yīng)變片的典型結(jié)構(gòu)。將一根高電阻率金屬絲( (直徑直徑0.025mm0.025

9、mm左右左右) )繞成柵形繞成柵形, ,粘貼在絕緣的基片和覆蓋層之間并引粘貼在絕緣的基片和覆蓋層之間并引出導(dǎo)線構(gòu)成。出導(dǎo)線構(gòu)成。4-2？柵形？柵形結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)為了獲得大的電為了獲得大的電阻變化量阻變化量(1)種類及結(jié)構(gòu)種類及結(jié)構(gòu)絲式絲式第第4 4章章 應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器n絲式應(yīng)變片制作簡單、性能穩(wěn)定、成本低、易粘貼。分為絲繞式絲式應(yīng)變片制作簡單、性能穩(wěn)定、成本低、易粘貼。分為絲繞式和短接式。和短接式。n絲繞式應(yīng)變片因圓弧部分參與變形絲繞式應(yīng)變片因圓弧部分參與變形,橫向效應(yīng)較大；橫向效應(yīng)較大；n短接式應(yīng)變片敏感柵平行排列短接式應(yīng)變片敏感柵平行排列,兩端用直徑比柵線直徑大兩端用直徑比柵線直徑大5

10、10被被的鍍銀絲短接而成的鍍銀絲短接而成,克服了橫向效應(yīng)?？朔藱M向效應(yīng)。(1)種類及結(jié)構(gòu)種類及結(jié)構(gòu)絲式絲式第第4 4章章 應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器 1敏感柵 直徑為0.025mm左右的合金電阻絲絲繞式 絲繞式 2基 底 絕緣 3覆蓋層 維護(hù) 4引線 與外電路相連外力作用被測對象表面產(chǎn)生微小機(jī)械變形應(yīng)變片敏感柵隨同變形電阻值發(fā)生相應(yīng)變化 應(yīng)變片第第4 4章章 應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器n箔式應(yīng)變片：利用照相制版或光刻技術(shù)箔式應(yīng)變片：利用照相制版或光刻技術(shù),將厚度約為將厚度約為0.0030.01mm的金屬箔片制成敏感柵。的金屬箔片制成敏感柵。(1)種類及結(jié)構(gòu)種類及結(jié)構(gòu)箔式箔式第第4 4章章 應(yīng)變式

11、傳感器應(yīng)變式傳感器n箔式應(yīng)變片優(yōu)點箔式應(yīng)變片優(yōu)點:n可制成多種復(fù)雜形狀、尺寸準(zhǔn)確的敏感柵可制成多種復(fù)雜形狀、尺寸準(zhǔn)確的敏感柵,適應(yīng)不同的測量適應(yīng)不同的測量要求。要求。n橫向效應(yīng)小橫向效應(yīng)小n散熱條件好散熱條件好,允許電流大允許電流大,提高了輸出靈敏度提高了輸出靈敏度n生產(chǎn)效率高生產(chǎn)效率高,便于實現(xiàn)自動化生產(chǎn)便于實現(xiàn)自動化生產(chǎn)n 目前使用的金屬應(yīng)變片大多是金屬箔式應(yīng)變片。目前使用的金屬應(yīng)變片大多是金屬箔式應(yīng)變片。(1)種類及結(jié)構(gòu)種類及結(jié)構(gòu)箔式箔式第第4 4章章 應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器n半導(dǎo)體應(yīng)變片半導(dǎo)體應(yīng)變片n 特性與金屬應(yīng)變片相比較特性與金屬應(yīng)變片相比較n優(yōu)點：優(yōu)點：n靈敏度高；靈敏度高；n

12、橫向效應(yīng)小、體積小、頻響高；橫向效應(yīng)小、體積小、頻響高；n易于集成易于集成n缺點：缺點：n溫度穩(wěn)定性能差；溫度穩(wěn)定性能差；n靈敏度分散度大；靈敏度分散度大；n在較大應(yīng)力作用下在較大應(yīng)力作用下,非線性誤差大。非線性誤差大。n機(jī)械強(qiáng)度低機(jī)械強(qiáng)度低(1)種類及結(jié)構(gòu)種類及結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體式半導(dǎo)體式第第4 4章章 應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器n1)1)電阻值：應(yīng)變片原始阻值電阻值：應(yīng)變片原始阻值標(biāo)準(zhǔn)化標(biāo)準(zhǔn)化,120 ,120 常用。常用。n2)2)幾何參數(shù)：敏感柵基長幾何參數(shù)：敏感柵基長 和寬度和寬度b,b,制造廠常用制造廠常用n3)3)靈敏系數(shù)靈敏系數(shù)k k：表示應(yīng)變片變換性能的重要參數(shù)。：表示應(yīng)變片變換性能的

13、重要參數(shù)。n4)4)絕緣電阻：應(yīng)變片與試件間的阻值絕緣電阻：應(yīng)變片與試件間的阻值, ,越大越好越大越好, ,一般為一般為10101010n5)5)其他性能參數(shù)其他性能參數(shù)( (允許電流、工作溫度、應(yīng)變極限、滯后、蠕變、允許電流、工作溫度、應(yīng)變極限、滯后、蠕變、零漂以及疲勞壽命、橫向靈敏度等零漂以及疲勞壽命、橫向靈敏度等) )(2)電阻應(yīng)變片性能參數(shù)電阻應(yīng)變片性能參數(shù)llb第第4 4章章 應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器(3)靈敏系數(shù)靈敏系數(shù)Kn定義定義K=(R/R)/xK=(R/R)/x為應(yīng)變片的靈敏系數(shù)。它表示安裝在被測試件為應(yīng)變片的靈敏系數(shù)。它表示安裝在被測試件上的應(yīng)變在其軸向受到單向應(yīng)力時上的應(yīng)

14、變在其軸向受到單向應(yīng)力時, ,引起的電阻相對變化引起的電阻相對變化(R/R)(R/R)與其單向應(yīng)力引起的試件表面軸向應(yīng)變與其單向應(yīng)力引起的試件表面軸向應(yīng)變(x)(x)之比。之比。n注：應(yīng)變片的靈敏系數(shù)并不等于其敏感柵整長應(yīng)變絲的靈敏系數(shù)，注：應(yīng)變片的靈敏系數(shù)并不等于其敏感柵整長應(yīng)變絲的靈敏系數(shù)，這是因為柵端圓弧部分存在橫向效應(yīng)。這是因為柵端圓弧部分存在橫向效應(yīng)。電阻絲軸向相對變形，或稱縱向應(yīng)變電阻絲軸向相對變形，或稱縱向應(yīng)變,電阻電阻電阻絲徑向相對變形，或稱橫向應(yīng)變，電阻電阻絲徑向相對變形，或稱橫向應(yīng)變，電阻第第4 4章章 應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器(4)橫向效應(yīng)橫向效應(yīng)4 - 3n橫向效應(yīng)橫向

15、效應(yīng)柵狀結(jié)構(gòu)敏感柵的電阻變化一定小于純直線敏柵狀結(jié)構(gòu)敏感柵的電阻變化一定小于純直線敏感柵的電阻變化的現(xiàn)象。感柵的電阻變化的現(xiàn)象。n產(chǎn)生原因：產(chǎn)生原因：n應(yīng)變片的縱向應(yīng)與測量的形變方向一致；應(yīng)變片的縱向應(yīng)與測量的形變方向一致；n圓弧部分產(chǎn)生了一個負(fù)的電阻變化圓弧部分產(chǎn)生了一個負(fù)的電阻變化降低了應(yīng)變片的靈敏降低了應(yīng)變片的靈敏度系數(shù)度系數(shù)n必須采取措施減小橫向效應(yīng)的影響必須采取措施減小橫向效應(yīng)的影響(改進(jìn)結(jié)構(gòu)等改進(jìn)結(jié)構(gòu)等)第第4 4章章 應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器(5)應(yīng)變片的溫度誤差及補(bǔ)償應(yīng)變片的溫度誤差及補(bǔ)償n溫度誤差溫度誤差由于測量現(xiàn)場環(huán)境溫度的改變而給測量帶來由于測量現(xiàn)場環(huán)境溫度的改變而給測量

16、帶來的附加誤差的附加誤差n(1)電阻溫度效應(yīng)電阻溫度效應(yīng)n(2)試件材料和電阻絲材料的線膨脹系數(shù)的影響試件材料和電阻絲材料的線膨脹系數(shù)的影響n(3)溫度系數(shù)和線膨脹系數(shù)引起的虛應(yīng)變溫度系數(shù)和線膨脹系數(shù)引起的虛應(yīng)變n )1 (00tRRttRRRRt000當(dāng)溫度變化當(dāng)溫度變化 時時 t 第第4 4章章 應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器 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=R01+t） 式中: Rt溫度為 t 時的電阻值; R0溫度為t0時的電阻值; 金屬絲的電阻溫度系數(shù); t溫度變化值, t=t -t0。（1) 電阻溫度系數(shù)的影響電阻溫度系數(shù)的影響當(dāng)溫度變化當(dāng)溫度變化t時時, 電阻絲

17、電阻的變化值為電阻絲電阻的變化值為 Rt=Rt- R0= R0t （1）第第4 4章章 應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器(5)應(yīng)變片的溫度誤差及補(bǔ)償應(yīng)變片的溫度誤差及補(bǔ)償n(2)(2)試件材料和電阻絲材料的線膨脹系數(shù)的影響試件材料和電阻絲材料的線膨脹系數(shù)的影響n 設(shè)：電阻絲和試件溫度設(shè)：電阻絲和試件溫度00時的長度為時的長度為L0L0，溫度變化后，溫度變化后的長度分別為：的長度分別為： tLLLLLSgSg)(00tRKRKRSg)(0000)1 (0tLLSS)1 (0tLLggtLLLLsgsg0)(tKtRRRRRSgt)(0000tKKRRsgt)(00000電阻絲電阻絲試件試件附加應(yīng)變附加應(yīng)

18、變附加電阻變化附加電阻變化相對變相對變化總量化總量)(0sgK對應(yīng)虛應(yīng)變對應(yīng)虛應(yīng)變第第4 4章章 應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器n1.1.自補(bǔ)償法自補(bǔ)償法n1)1)選擇自補(bǔ)償選擇自補(bǔ)償敏感柵材料與試件材料敏感柵材料與試件材料n2)2)組合式自補(bǔ)償組合式自補(bǔ)償(5)電阻應(yīng)變片的溫度補(bǔ)償方法電阻應(yīng)變片的溫度補(bǔ)償方法第第4 4章章 應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器tKKRRsgt)(00000當(dāng)被測試件的線膨脹系數(shù)當(dāng)被測試件的線膨脹系數(shù)gg已知時已知時, , 如果合理選擇敏感柵如果合理選擇敏感柵材料材料, , 即選擇其電阻溫度系數(shù)即選擇其電阻溫度系數(shù)00、靈敏系數(shù)、靈敏系數(shù)K0K0和線膨脹系和線膨脹系數(shù)數(shù)s, s

19、, 使式使式0/K0+(g-s)=00/K0+(g-s)=0成立成立, , 則不論溫度如何變則不論溫度如何變化化, , 均有均有Rt/ R0=0, Rt/ R0=0, 從而達(dá)到溫度自補(bǔ)償?shù)哪康?。從而達(dá)到溫度自補(bǔ)償?shù)哪康摹?5)電阻應(yīng)變片的溫度補(bǔ)償方法電阻應(yīng)變片的溫度補(bǔ)償方法n1)1)選擇自補(bǔ)償選擇自補(bǔ)償利用自身具有溫度自補(bǔ)償作用應(yīng)變利用自身具有溫度自補(bǔ)償作用應(yīng)變片片0)(0tKtsgt)(0sgK第第4 4章章 應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器(5)電阻應(yīng)變片的溫度補(bǔ)償方法電阻應(yīng)變片的溫度補(bǔ)償方法n2.2.橋路補(bǔ)償法橋路補(bǔ)償法利用電橋的和差特性。在不受力的試件利用電橋的和差特性。在不受力的試件上粘貼另

20、一個應(yīng)變片上粘貼另一個應(yīng)變片初始狀態(tài)初始狀態(tài) Uo=AR1 R4- RB R3）=0 溫度變化后溫度變化后Uo=A（R1+R1tR4-(RB+RBt)R3=0承受應(yīng)變后承受應(yīng)變后Uo=A（R1+R1t+R1R4-(RB+RBt)R3=AR1R4 = AR1R4KR1=RBR3=R4第第4 4章章 應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器U0R1R4R3URbFFR1工作應(yīng)變片）工作應(yīng)變片）Rb （補(bǔ)償應(yīng)變片）（補(bǔ)償應(yīng)變片）R1 +RRb +RU0R1RR4R3URb+R第第4 4章章 應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器T K電橋靈敏度）RtUiR1RR4R3U0R2RtR5 分流電阻分流電阻 UURt U = Ui -

21、 URtK(5)電阻應(yīng)變片的溫度補(bǔ)償方法電阻應(yīng)變片的溫度補(bǔ)償方法n3.熱敏電阻補(bǔ)償法熱敏電阻補(bǔ)償法熱敏電阻適當(dāng)分壓熱敏電阻適當(dāng)分壓熱敏電阻阻值隨溫度變化而變化，使其分壓與熱敏電阻阻值隨溫度變化而變化，使其分壓與溫度變化引起輸出變化方向相反溫度變化引起輸出變化方向相反( (選擇具有負(fù)選擇具有負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻溫度系數(shù)的熱敏電阻) )第第4 4章章 應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器4.3 電阻應(yīng)變片的測量電路電阻應(yīng)變片的測量電路n(1)直流電橋直流電橋n單臂電路單臂電路n半橋電路半橋電路n全橋電路全橋電路n(2)交流電橋交流電橋n單臂電路單臂電路n半橋電路半橋電路n全橋電路全橋電路第第4 4章章 應(yīng)變式

22、傳感器應(yīng)變式傳感器 電阻應(yīng)變片將應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻的變化量電阻應(yīng)變片將應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻的變化量, ,測量電路將電阻的變測量電路將電阻的變化再轉(zhuǎn)換為電壓或電流信號化再轉(zhuǎn)換為電壓或電流信號, ,最終實現(xiàn)被測量的測量。最終實現(xiàn)被測量的測量。1.1.測量電橋測量電橋 電橋按其電源性質(zhì)的不同可分為直流電橋和交流電橋。直流電橋按其電源性質(zhì)的不同可分為直流電橋和交流電橋。直流電橋只能測量電阻電橋只能測量電阻, ,而交流電橋可用于測量電阻、電感和電容的變而交流電橋可用于測量電阻、電感和電容的變化?；?。4.3 電阻應(yīng)變片的測量電路電阻應(yīng)變片的測量電路第第4 4章章 應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器n直流電橋的工作原理直流電橋

23、的工作原理n輸出輸出n平衡條件平衡條件n n 工作時，各橋臂阻值發(fā)生變化工作時，各橋臂阻值發(fā)生變化,則輸出則輸出n電橋靈敏度定義為：電橋靈敏度定義為：n 實際使用中實際使用中,為了簡化橋路設(shè)計為了簡化橋路設(shè)計,同事也為了得到電橋的最大同事也為了得到電橋的最大靈敏度靈敏度,通常通常R1=R2=R3=R4=Rx。即為等臂電橋。即為等臂電橋。00UxxoURRUK4.3 電阻應(yīng)變片的測量電路電阻應(yīng)變片的測量電路第第4 4章章 應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器n前提前提n由于由于U與與R/R是非線性關(guān)系，故測量中不可避免會存在非線是非線性關(guān)系，故測量中不可避免會存在非線性誤差，為消除非線性誤差，常采用以下兩種

24、電路：性誤差，為消除非線性誤差，常采用以下兩種電路：n(1)半橋半橋n(2)全橋全橋)1)(1 (11110nRRnRRnEU4.3 電阻應(yīng)變片的測量電路電阻應(yīng)變片的測量電路nRRRR3412第第4 4章章 應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器n電橋的連接方式電橋的連接方式1) 1) 半橋單臂半橋單臂 2)2)半橋雙臂半橋雙臂 3)3)全橋全橋4.3 電阻應(yīng)變片的測量電路電阻應(yīng)變片的測量電路第第4 4章章 應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器n1)1)半橋單臂半橋單臂n 輸出輸出nRRRR341211RR很小，故很小，故令令又又112)1 (RRnnEUo211)1 (nnERRUKoU靈敏度為：靈敏度為： 等臂半橋

25、靈敏度為：等臂半橋靈敏度為： ERRUKoU41114.3 電阻應(yīng)變片的測量電路電阻應(yīng)變片的測量電路第第4 4章章 應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器n2)半橋雙臂半橋雙臂(一個受拉、一個受壓一個受拉、一個受壓)等臂輸出時等臂輸出時等臂半橋靈敏度為：等臂半橋靈敏度為： ERRUKoU2111Uo與與R1/R1呈線性關(guān)系呈線性關(guān)系, 差差動電橋無非線性誤差動電橋無非線性誤差, 而且電橋電壓而且電橋電壓靈敏度靈敏度KU=E/2,比單臂工作時提高比單臂工作時提高一倍一倍, 同時還具有溫度補(bǔ)償作用。同時還具有溫度補(bǔ)償作用。4.3 電阻應(yīng)變片的測量電路電阻應(yīng)變片的測量電路嚴(yán)格的線性關(guān)系電橋靈敏度比單臂時提高一倍溫

26、度補(bǔ)償作用特點特點第第4 4章章 應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器n3)全橋接法全橋接法(兩個受拉、兩個受壓兩個受拉、兩個受壓,應(yīng)變符號相同接入相對橋臂應(yīng)變符號相同接入相對橋臂)n n n 等臂輸出電壓等臂輸出電壓等臂半橋靈敏度為：等臂半橋靈敏度為： ERRUKoU11此時全橋差動電路不僅沒有非線性此時全橋差動電路不僅沒有非線性誤差誤差, ,而且電壓靈敏度是單臂的而且電壓靈敏度是單臂的 4 4 倍倍, ,同時仍具有溫度補(bǔ)償作用。同時仍具有溫度補(bǔ)償作用。4.3 電阻應(yīng)變片的測量電路電阻應(yīng)變片的測量電路嚴(yán)格的線性關(guān)系電橋靈敏度比單臂時提高4倍溫度補(bǔ)償作用特點特點第第4 4章章 應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器n電

27、橋的工作特性：電橋的工作特性：n1)1)不同的接橋方式具有不同的電橋靈敏度不同的接橋方式具有不同的電橋靈敏度, ,盡量采用半橋雙臂盡量采用半橋雙臂或全橋方式或全橋方式n在在 條件下條件下, ,電橋的輸出與電橋的輸出與 成正比；成正比；n全橋接法可以獲得最大的輸出全橋接法可以獲得最大的輸出, ,其靈敏度是半橋單臂接法的其靈敏度是半橋單臂接法的4 4倍。倍。4.3 電阻應(yīng)變片的測量電路電阻應(yīng)變片的測量電路第第4 4章章 應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器n電橋的工作特性：電橋的工作特性：n2)2)電橋的和差特性電橋的和差特性 n 全橋接法：全橋接法：4 4橋臂均為工作應(yīng)變片橋臂均為工作應(yīng)變片n相鄰橋臂相鄰橋

28、臂: :應(yīng)變極性相同時應(yīng)變極性相同時, ,電橋輸出電壓與兩應(yīng)變差有關(guān)；電橋輸出電壓與兩應(yīng)變差有關(guān)；應(yīng)變極性相反時應(yīng)變極性相反時, ,電橋輸出電壓與兩應(yīng)變和有關(guān)。電橋輸出電壓與兩應(yīng)變和有關(guān)。n相對橋臂相對橋臂: :輸出電壓與應(yīng)變的關(guān)系和相鄰橋臂正好相反。輸出電壓與應(yīng)變的關(guān)系和相鄰橋臂正好相反。4.3 電阻應(yīng)變片的測量電路電阻應(yīng)變片的測量電路第第4 4章章 應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器n電橋和差特性的實際應(yīng)用：電橋和差特性的實際應(yīng)用：n1.1.提高靈敏度提高靈敏度半橋雙臂或全橋連接半橋雙臂或全橋連接n 相對橋臂：同極性相對橋臂：同極性 相鄰橋臂：反極性相鄰橋臂：反極性n2.2.實現(xiàn)溫度補(bǔ)償實現(xiàn)溫度補(bǔ)償

29、全橋自動補(bǔ)償全橋自動補(bǔ)償n 半橋雙臂：鄰臂半橋雙臂：鄰臂( (同一溫度場同一溫度場) )n3.3.消除非測量載荷的干擾影響消除非測量載荷的干擾影響4.3 電阻應(yīng)變片的測量電路電阻應(yīng)變片的測量電路第第4 4章章 應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器n例如：例如：R1、R3為應(yīng)變片，為應(yīng)變片，R1受拉、受拉、R3受壓受壓設(shè)設(shè)測量測量F F消除扭矩消除扭矩M M的影響的影響4.3 電阻應(yīng)變片的測量電路電阻應(yīng)變片的測量電路第第4 4章章 應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器小結(jié)小結(jié) 11RREUoEKU單臂橋單臂橋輸出電壓輸出電壓靈敏度靈敏度是否有非是否有非線性誤差線性誤差電橋種類電橋種類4EKU有有半橋半橋2EKU112R

30、REUo114RREUo全橋全橋無無無無第第4 4章章 應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器例例 4-1 4-1 圖圖4-7(a)4-7(a)為傳感器上的圓形實芯彈性體為傳感器上的圓形實芯彈性體, ,四個應(yīng)變片粘貼四個應(yīng)變片粘貼方向為方向為R1R1、R4R4軸向軸向R2,R3R2,R3圓周向。應(yīng)變片的初始值圓周向。應(yīng)變片的初始值R1=R2=R3=R4=100 ,R1=R2=R3=R4=100 ,靈敏度系數(shù)靈敏度系數(shù)K=2,K=2,彈性體的泊松系數(shù)彈性體的泊松系數(shù)=0.285,=0.285,當(dāng)彈性體受拉時當(dāng)彈性體受拉時, ,測得測得R1R1、R4R4的變化為的變化為R1=R4=0.2 ,R1=R4=0.2

31、,如將四如將四個應(yīng)變片如圖個應(yīng)變片如圖4-7(b)4-7(b)所示接入直流電橋所示接入直流電橋, ,當(dāng)電橋供壓當(dāng)電橋供壓U=2 VU=2 V時時, ,試求試求電橋的輸出電橋的輸出UoUo。例題例題 圖圖 4-7 4-7 例例4-14-1應(yīng)變片的粘貼與接法應(yīng)變片的粘貼與接法第第4 4章章 應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器解解: : 因為彈性體受拉時因為彈性體受拉時,R1,R1、R4R4受到拉伸受到拉伸, ,圓周向圓周向R2R2、R3R3受壓受壓縮縮, ,拉伸壓縮比取決于泊松比拉伸壓縮比取決于泊松比, ,所以需要先求得軸向的拉伸應(yīng)變所以需要先求得軸向的拉伸應(yīng)變, ,再計算圓周向的壓縮應(yīng)變。再計算圓周向的壓

32、縮應(yīng)變。軸向應(yīng)變量為軸向應(yīng)變量為 圓周圓周s s向的應(yīng)變向的應(yīng)變?yōu)闉樗运?與圓半徑的相對變化等比，由泊松比的定義有與圓半徑的相對變化等比，由泊松比的定義有311101/KRRxrrrrss22431085. 210285. 0 xLLrr例題例題 4-1第第4 4章章 應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器由式由式(4-6)(4-6)得到得到R3=R2=KR2=-0.057 R3=R2=KR2=-0.057 寫出全橋的輸出電壓表達(dá)式，代入數(shù)據(jù)后得：寫出全橋的輸出電壓表達(dá)式，代入數(shù)據(jù)后得：V37 005. 0 2 . 0100057. 0100057. 0100057. 01002 . 01002 . 0

33、1002 443333221111oRRRRRRRRRRRRUU例題例題4-1 第第4 4章章 應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器2.交流電橋交流電橋供橋電壓：交流供橋電壓：交流優(yōu)點：消除零漂優(yōu)點：消除零漂11111CjwRRZ22221CjwRRZ33RZ 44RZ 平衡條件：平衡條件： 3241ZZZZ4321RRRR1221CCRR即即和和00021)212(ZZUZZZUUo圖圖4-8 4-8 交流電橋交流電橋當(dāng)應(yīng)力變化引起當(dāng)應(yīng)力變化引起Z1= Z0+ZZ1= Z0+Z，Z2=Z0-ZZ2=Z0-Z變化時電橋輸出為變化時電橋輸出為 第第4 4章章 應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器4.4應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用

34、應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用1）134-10第第4 4章章 應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器（a實心圓柱；（實心圓柱；（b空心圓筒；空心圓筒； 第第4 4章章 應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器R5R8R7R6R1R2R3R4R5R8R7R6R1R2R3R4UoUF空心空心實心實心lFlESE第第4 4章章 應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器(2)梁式力傳感器梁式力傳感器等截面梁 結(jié)構(gòu)簡單，易加工，靈敏度高適合于測5000N以下的載荷 b0h 等截面懸臂梁等截面懸臂梁EbhlF26第第4 4章章 應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器b0h 等強(qiáng)度懸臂梁等強(qiáng)度懸臂梁 EhblF206當(dāng)在自由端受力時，在梁上各處當(dāng)在自由端受力時，在梁上各處產(chǎn)生的

35、應(yīng)變大小相等。產(chǎn)生的應(yīng)變大小相等。第第4 4章章 應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器 雙端固定梁EbhlF243第第4 4章章 應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器21)2/(32EbhhRF特點：在外力作用下，各點的應(yīng)力差別較大特點：在外力作用下，各點的應(yīng)力差別較大 第第4 4章章 應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器BK-2S稱重傳感器稱重傳感器產(chǎn)品詳細(xì)介紹產(chǎn)品詳細(xì)介紹采用國際流行的雙梁式或剪切采用國際流行的雙梁式或剪切S梁結(jié)構(gòu)，拉梁結(jié)構(gòu)，拉、壓輸出對稱性好、壓輸出對稱性好、 測量精度高、結(jié)構(gòu)緊湊，安裝方便，廣泛測量精度高、結(jié)構(gòu)緊湊，安裝方便，廣泛用于機(jī)電結(jié)合秤、料斗秤、包裝秤等各種用于機(jī)電結(jié)合秤、料斗秤、包裝秤等各種測力

36、、稱重系統(tǒng)中測力、稱重系統(tǒng)中 供橋電壓供橋電壓 12VDC 輸入阻抗輸入阻抗 38020 輸出阻抗輸出阻抗 35010 絕緣電阻絕緣電阻 2000M 工作溫度工作溫度 -10+50 第第4 4章章 應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器BK4輪輻式傳感器系列輪輻式傳感器系列 采用輪輻式結(jié)構(gòu)，高度低，抗偏抗側(cè)采用輪輻式結(jié)構(gòu)，高度低，抗偏抗側(cè)能力強(qiáng)，測量精度高，性能穩(wěn)定可靠安裝能力強(qiáng)，測量精度高，性能穩(wěn)定可靠安裝方便，是大、中量程精度傳感器中的最佳方便，是大、中量程精度傳感器中的最佳形式，廣泛用于各種電子衡器和各種力值形式，廣泛用于各種電子衡器和各種力值測量，如汽車衡、軌道衡、吊勾秤、料斗測量，如汽車衡、軌道衡

37、、吊勾秤、料斗秤秤技術(shù)參數(shù) 量程t） 1，2，5，10，20，30，50 供橋電壓 12VDC 靈敏度 152mV/V 輸入阻抗 73020 非線性（%FS） 0.03, 0.05, 0.1 輸出阻抗 70010 重復(fù)性（%FS） 0.03, 0.05, 0.1 絕緣電阻 2000M 滯后（%FS） 0.03, 0.05, 0.1 工作溫度 -10+50 允許過負(fù)荷 120%FS 熱零點偏移（%FS/10） 第第4 4章章 應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器2. 2. 應(yīng)變式壓力傳感器應(yīng)變式壓力傳感器 trR4R3R1R2 UU0膜片R1R2 R3R4膜片式壓力傳感器 第第4 4章章 應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式

38、傳感器機(jī)床液壓系統(tǒng)的壓力機(jī)床液壓系統(tǒng)的壓力106107Pa），），槍炮的膛內(nèi)壓力槍炮的膛內(nèi)壓力108Pa），），動態(tài)特性和靈敏度主要由材料的動態(tài)特性和靈敏度主要由材料的E值和尺寸決定值和尺寸決定 R1R2R1R2第第4 4章章 應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器應(yīng)變片不直接粘貼在壓力感受元件上應(yīng)變片不直接粘貼在壓力感受元件上壓力敏感元件為膜片或膜盒、波紋管、彈簧管等壓力敏感元件為膜片或膜盒、波紋管、彈簧管等 通常用于測量小壓力。通常用于測量小壓力。其缺點是固有頻率低，不適于測量瞬態(tài)過程。其缺點是固有頻率低，不適于測量瞬態(tài)過程。第第4 4章章 應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器AK-1型應(yīng)變式脈動壓力傳感器型應(yīng)變式

39、脈動壓力傳感器產(chǎn)品特點：產(chǎn)品特點： 采用外殼和膜片為一體的圓膜片結(jié)構(gòu)采用外殼和膜片為一體的圓膜片結(jié)構(gòu) 尺寸小，安裝方便尺寸小，安裝方便 頻響高，精度高，性能穩(wěn)定可靠頻響高，精度高，性能穩(wěn)定可靠 適用于各種動，靜態(tài)、氣、液體介質(zhì)的壓力測量適用于各種動，靜態(tài)、氣、液體介質(zhì)的壓力測量第第4 4章章 應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器4.4應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用2）15第第4 4章章 應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器4.4應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用3）圖圖4-11 4-11 液位高度或液體重量傳感器液位高度或液體重量傳感器第第4 4章章 應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器n將應(yīng)變片粘貼于被測試件上將應(yīng)變片

40、粘貼于被測試件上, ,直接用來測定試件的應(yīng)力或應(yīng)變。直接用來測定試件的應(yīng)力或應(yīng)變。第第4 4章章 應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器n將應(yīng)變片貼于彈性元件上將應(yīng)變片貼于彈性元件上, ,與彈性元件一起構(gòu)成應(yīng)變式傳感器與彈性元件一起構(gòu)成應(yīng)變式傳感器, ,常常用來測量力、位移、壓力、加速度等。用來測量力、位移、壓力、加速度等。第第4 4章章 應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器第第4 4章章 應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器第第4 4章章 應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器第第4 4章章 應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器n4-1 4-1 什么是應(yīng)變片的靈敏度系數(shù)？什么是電橋轉(zhuǎn)換電路的靈敏什么是應(yīng)變片的靈敏度系數(shù)？什么是電橋轉(zhuǎn)換電路的靈敏度系數(shù)？如

41、果測量系統(tǒng)的傳感器由應(yīng)變片和電橋轉(zhuǎn)換電路組成，度系數(shù)？如果測量系統(tǒng)的傳感器由應(yīng)變片和電橋轉(zhuǎn)換電路組成，那么傳感器的靈敏度系數(shù)與前兩者的靈敏度系數(shù)是什么關(guān)系？那么傳感器的靈敏度系數(shù)與前兩者的靈敏度系數(shù)是什么關(guān)系？n4-2 4-2 什么是橫向效應(yīng)什么是橫向效應(yīng)? ? 為什么應(yīng)變片的靈敏度系數(shù)比電阻絲的為什么應(yīng)變片的靈敏度系數(shù)比電阻絲的靈敏度系數(shù)小？靈敏度系數(shù)??？n4-3 4-3 一應(yīng)變片的電阻一應(yīng)變片的電阻R=120 R=120 ，K=2.05K=2.05，用做最大應(yīng)變?yōu)?，用做最大?yīng)變?yōu)?800 m/m=800 m/m的傳感元件。當(dāng)彈性體受力變形至最大應(yīng)變時，的傳感元件。當(dāng)彈性體受力變形至最大應(yīng)變

42、時，(1) (1) 求求RR和和R/RR/R； n(2) (2) 若將應(yīng)變片接入電橋單臂，其余橋臂電阻均為若將應(yīng)變片接入電橋單臂，其余橋臂電阻均為120 120 的固的固定電阻，供橋電壓定電阻，供橋電壓U=3 VU=3 V，求傳感元件最大應(yīng)變時單臂電橋的輸，求傳感元件最大應(yīng)變時單臂電橋的輸出電壓出電壓UoUo和非線性誤差。和非線性誤差。思考題與習(xí)題思考題與習(xí)題第第4 4章章 應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器n4-4 4-4 用等強(qiáng)度梁作為彈性元件的電子秤，在梁的上方貼一個用等強(qiáng)度梁作為彈性元件的電子秤，在梁的上方貼一個應(yīng)變片，如題應(yīng)變片，如題4-44-4圖所示，應(yīng)變片的靈敏度系數(shù)圖所示，應(yīng)變片的靈敏度系數(shù)K=2,K=2,每受每受1 kg1 kg力力在應(yīng)變片處產(chǎn)生的平均應(yīng)變在應(yīng)變片處產(chǎn)生的平均應(yīng)變=8=810-31/kg10-31/kg。已知電子秤未。已知電子秤未放置重物時，應(yīng)變片的初始電阻放置重物時，應(yīng)變片的初始電阻R1=100R1=100，當(dāng)電子秤上放置，當(dāng)電子秤上放置500 500 g g重物時，求重物時，求 n(1) (1) 應(yīng)變片的電阻變化量應(yīng)變片的電阻變化量R1R1和相對變化和相對變化R1/R1R1/R1；n(2) (2) 用單臂電橋做轉(zhuǎn)換電路用單臂電橋做