Ch-2.1應(yīng)變式傳感器(第三版)

1、2.1 應(yīng)變式傳感器2.1.1 工作原理工作原理2.1.2 金屬應(yīng)變片的主要特性2.1.3 測(cè)量電路2.1.4 應(yīng)變式傳感器應(yīng)用2.1.1 工作原理1.金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)電阻應(yīng)變效應(yīng)：當(dāng)金屬絲在外力作用下發(fā)生機(jī)械變形時(shí)其電阻值將發(fā)生變化2.1.1 工作原理1.金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng) 電阻應(yīng)變效應(yīng)：當(dāng)金屬絲在外力作用下發(fā)生機(jī)械變形時(shí)其電阻值將發(fā)生變化AlRF l、A 、 RdAARdRdLLRdRdAALdALdLAdR2AlR兩邊同除以兩邊同除以R，同時(shí)，同時(shí)R=L/A，則，則AAllRRAdAdLdLRdR對(duì)于半徑為r的圓導(dǎo)體：A=r2rdrrddA2)(2)(222rdrrrdrAdArdrd

2、LdLRdR2電阻的靈敏系數(shù)rdrdLdLRdR2dL/L=金屬導(dǎo)線長度的相對(duì)變化，稱縱向應(yīng)變。金屬導(dǎo)線長度的相對(duì)變化，稱縱向應(yīng)變。d/ 導(dǎo)線電阻率的相對(duì)變化。導(dǎo)線電阻率的相對(duì)變化。 dA/A 導(dǎo)線截面積的相對(duì)變化，稱為稱橫向應(yīng)變。導(dǎo)線截面積的相對(duì)變化，稱為稱橫向應(yīng)變。 橫向應(yīng)變橫向應(yīng)變dr/r和縱向應(yīng)變和縱向應(yīng)變dL/L之比稱為泊桑比，即之比稱為泊桑比，即 LdLrdr故故 LdLrdrAdA22又由材料力學(xué)可知，在彈性范圍內(nèi)，E為導(dǎo)線材料的彈性模量， 為壓阻系數(shù)，與材料有關(guān)。)21 (22EErdrdLdLRdREdrdrdLdLRdR)21 ()21 (2ErrLLRR)21 ()21

3、(2EdrdrLdL,金屬電阻的靈敏系數(shù)/210RRk21/0k材料的幾何尺寸變化引起的材料的電阻率隨應(yīng)變引起的（壓阻效應(yīng)）金屬材料：k0以前者為主，則k01+2=1.73.6半 導(dǎo) 體：k0值主要是由電阻率相對(duì)變化所決定0kRR 在材料力學(xué)中，在材料力學(xué)中， 稱為電阻絲的軸向應(yīng)變，稱為電阻絲的軸向應(yīng)變，也稱縱向應(yīng)變，是量綱為也稱縱向應(yīng)變，是量綱為1的數(shù)。當(dāng)?shù)臄?shù)。當(dāng) 為為0.000001時(shí)，在工程中常表示為時(shí)，在工程中常表示為1 10-6或或 m/m。在應(yīng)變測(cè)量中，也常將之稱為微應(yīng)變?cè)趹?yīng)變測(cè)量中，也常將之稱為微應(yīng)變()。2. 應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu)與種類 1）電阻絲應(yīng)變片用直徑為0.025mm具有高

4、電阻率的電阻絲制成，為了獲得較高阻值，將電阻絲排列成柵狀，稱為敏感柵。2）敏感柵黏貼在絕緣基底上。3）電阻絲兩端焊接引線。4）敏感柵上粘貼覆蓋層。5）l稱為柵長，b稱為柵寬。6）規(guī)格一般用面積和電阻值表示，如3mm*20mm，120歐。應(yīng)變片的類型和材料 金屬絲式 金屬箔式 金屬薄膜式 回線式短接式 金屬絲式應(yīng)變片 金屬電阻絲應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu) 1-基片；2-電阻絲；3-覆蓋層；4-引出線 金屬絲式應(yīng)變片使用最早的應(yīng)變片。使用最早的應(yīng)變片。制作簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、易粘貼。制作簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、易粘貼。價(jià)格便宜。多用于要求不高的應(yīng)變、應(yīng)力的大批價(jià)格便宜。多用于要求不高的應(yīng)變、應(yīng)力的大批量、一次性實(shí)驗(yàn)。量

5、、一次性實(shí)驗(yàn)。金屬絲蠕變大、易脫落，逐漸被箔式所取代。金屬絲蠕變大、易脫落，逐漸被箔式所取代。金屬電阻應(yīng)變片，材料電阻率隨應(yīng)變產(chǎn)生的變化很小，可忽略金屬電阻應(yīng)變片，材料電阻率隨應(yīng)變產(chǎn)生的變化很小，可忽略 0)21 (KRR應(yīng)變片電阻的相對(duì)變化與應(yīng)變片縱向應(yīng)變成正比，應(yīng)變片電阻的相對(duì)變化與應(yīng)變片縱向應(yīng)變成正比， 并且對(duì)同一電阻材料，并且對(duì)同一電阻材料， K0=1+2是常數(shù)。是常數(shù)。其靈敏度系數(shù)多在其靈敏度系數(shù)多在1.73.6之間。之間。 金屬箔式應(yīng)變片 在絕緣基底上，將厚度為0.0030.01mm電阻箔材，利用照相制板或光刻腐蝕的方法，制成適用于各種需要的形狀 箔式應(yīng)變片 優(yōu)點(diǎn) ：（1）尺寸準(zhǔn)確

6、，線條均勻，適應(yīng)不同的測(cè)量要求， （2）可制成多種復(fù)雜形狀尺寸準(zhǔn)確的敏感柵 （3）與被測(cè)試件接觸面積大，粘結(jié)性能好。 散熱條件好，允許電流大，靈敏度提高。（4）橫向效應(yīng)可以忽略。（5）蠕變、機(jī)械滯后小，疲勞壽命長。 缺點(diǎn)： 電阻值的分散性大 阻值調(diào)整 金屬薄膜應(yīng)變片 采用真空蒸發(fā)或真空沉積等方法在薄的絕緣基片上形成厚度在0.1m以下的金屬電阻材料薄膜敏感柵，再加上保護(hù)層，易實(shí)現(xiàn)工業(yè)化批量生產(chǎn) 優(yōu)點(diǎn)：應(yīng)變靈敏系數(shù)大，允許電流密度大，工作范圍廣，易實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)問題：難控制電阻與溫度和時(shí)間的變化關(guān)系 2.1 應(yīng)變式傳感器2.1.1 工作原理2.1.2 金屬應(yīng)變片的主要特性2.1.3 測(cè)量電路2.1

7、.4 應(yīng)變式傳感器應(yīng)用2.1.2 金屬應(yīng)變片的主要特性 （一）靈敏系數(shù)（二）橫向效應(yīng)（三）溫度誤差及其補(bǔ)償應(yīng)變片的電阻值 R應(yīng)變片在未經(jīng)安裝也不受外力情況下，于室溫下測(cè)得的電阻值 電阻系列：60、120、200、350、500、1000 可以加大應(yīng)變片承受電壓， 電阻值大 輸出信號(hào)大， 敏感柵尺寸也增大 （一）靈敏系數(shù)RRk/“標(biāo)稱靈敏系數(shù)”：受軸向單向力（拉或壓），試件材料為泊松系數(shù)=0.285的鋼等。一批產(chǎn)品中只能抽樣5的產(chǎn)品來測(cè)定，取平均值及允許公差值。電阻應(yīng)變片的靈敏系數(shù)k 電阻絲的靈敏系數(shù)k0 粘結(jié)層傳遞變形失真還存在有橫向效應(yīng) 原因： （二）橫向效應(yīng)敏感柵是由多條直線和圓弧部分組成

8、直線段：沿軸向拉應(yīng)變x，電阻圓弧段：沿軸向壓應(yīng)度y 電阻 K (箔式應(yīng)變片)yxy橫向效應(yīng) 應(yīng)變片的橫柵部分將縱向絲柵部分的電阻變化抵消了一部分，從而降低了整個(gè)電阻應(yīng)變片的靈敏度，帶來測(cè)量誤差，其大小與敏感柵的構(gòu)造及尺寸有關(guān)。敏感柵的縱柵愈窄、愈長，而橫柵愈寬、愈短，則橫向效應(yīng)的影響愈小。（三）溫度誤差及其補(bǔ)償1、敏感柵電阻隨溫度的變化引起的誤差。當(dāng)環(huán)境溫度變化T 時(shí)，敏感柵材料電阻溫度系數(shù)為 ，則引起的電阻相對(duì)變化為00TTRRRRT其中其中)1 (0TRRT0TTT（三）溫度誤差及其補(bǔ)償 2、試件材料的線膨脹引起的誤差。當(dāng)溫度變化t時(shí)，因試件材料和敏感柵材料的線膨脹系數(shù)不同，應(yīng)變片將產(chǎn)生附

9、加拉長（或壓縮），引起的電阻相對(duì)變化 。0000()TTgsRR KR KT2200TTgllllT210()TTTgsllllT 0()TTgslTlTllllsTT0011相應(yīng)的虛假應(yīng)變輸出為000/()TTgsRRTTKK可得由于溫度變化而引起的總電阻變化為000()TTTgsRRRRTR KT 溫度補(bǔ)償 單絲自補(bǔ)償法 自補(bǔ)償法 組合式自補(bǔ)償法 線路補(bǔ)償法電橋補(bǔ)償法、熱敏電阻溫度補(bǔ)償 電橋補(bǔ)償法電橋補(bǔ)償法 U0R1R4R3URBFFR10143()BUA R RR R01143()()0tBBtUA RRRRRR 011143()()0tBBtUA RRR RRRR 11RR KRB電橋

10、補(bǔ)償法優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單、方便，在常溫下補(bǔ)償效果較好缺點(diǎn)：在溫度變化梯度較大的條件下，很難做到工作片與補(bǔ)償片處于溫度完全一致的情況，因而影響補(bǔ)償效果。 應(yīng)變片的自補(bǔ)償法 粘貼在被測(cè)部位上的是一種特殊應(yīng)變片，當(dāng)溫度變化時(shí)，產(chǎn)生的附加應(yīng)變?yōu)榱慊蛳嗷サ窒?，這種應(yīng)變片稱為溫度自補(bǔ)償應(yīng)變片。利用這種應(yīng)變片來實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償?shù)姆椒ǚQ為應(yīng)變片自補(bǔ)償法。a. 選擇式自補(bǔ)償應(yīng)變片b. 雙金屬敏感柵自補(bǔ)償應(yīng)變片 a.選擇式自補(bǔ)償應(yīng)變片 優(yōu)點(diǎn)：容易加工，成本低，缺點(diǎn)：只適用特定試件材料，溫度補(bǔ)償范圍也較窄。由式由式(2.1.16)可知，實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償?shù)臈l件為可知，實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償?shù)臈l件為 當(dāng)被測(cè)試件的線膨脹系數(shù)當(dāng)被測(cè)試件的線膨脹系數(shù)

11、g已知時(shí)，通過選擇敏感柵材料，已知時(shí)，通過選擇敏感柵材料， 使下式成立使下式成立 (2.1.21) 即可達(dá)到溫度自補(bǔ)償?shù)哪康?。即可達(dá)到溫度自補(bǔ)償?shù)哪康摹?)(0tKtsgt)(0sgKR1R2組合自補(bǔ)償法b. 雙金屬敏感柵自補(bǔ)償應(yīng)變片 敏感柵絲由兩種不同溫度系數(shù)的金屬絲串接組成 選用兩者具有不同符號(hào)的電阻溫度系數(shù)調(diào)整R1和R2的比例，使溫度變化時(shí)產(chǎn)生的電阻變化滿足 t2t1)()(RR通過調(diào)節(jié)兩種敏感柵的長度來控制應(yīng)變片的溫度自補(bǔ)償，可達(dá)0.45m/的高精度 )()(/111222112221ggttKKRRRRRR熱敏電阻補(bǔ)償 T KRtUiR1RR4R3U0R2RtR5 分流電阻分流電阻

12、UURt U = Ui - URtK2.1 應(yīng)變式傳感器2.1.1 工作原理2.1.2 金屬應(yīng)變片的主要特性2.1.3 測(cè)量電路測(cè)量電路2.1.4 應(yīng)變式傳感器應(yīng)用2.1.3 電阻應(yīng)變片的測(cè)量電路 1 1 直流電橋直流電橋2 2 非線性誤差及其補(bǔ)償非線性誤差及其補(bǔ)償 1. 直流電橋 直流電橋的工作原理 )()()(-214343214321L3241LRRRRRRRRRRRRRRRRRUI 時(shí)電橋平衡平衡條件 :R1R4=R2R3 R1/R2=R3/R4 R1+R1R2R4R3UILRLL0I 不平衡直流電橋的工作原理及靈敏度 當(dāng)電橋后面接放大器時(shí), 電橋輸出端看成開路.電橋的輸出式為： UR

13、RRRRRRRU)(432132410應(yīng)變片工作時(shí)，其電阻變化應(yīng)變片工作時(shí)，其電阻變化R )()()(44332211332244110RRRRRRRRRRRRRRRRUU采用等臂電橋，即采用等臂電橋，即R1= R2= R3=R4=R 。此時(shí)式。此時(shí)式(2.1.24)可寫為可寫為)2)(2()(4321324143210RRRRRRRRRRRRRRRUU當(dāng)當(dāng)Ri R ( i=1,2,3,4) 時(shí)，略去上式中的高階微量，則時(shí)，略去上式中的高階微量，則 RRRRRRRRUU432104432104UKU上式表明： Ri R時(shí)，電橋的輸出電壓與應(yīng)變成線性關(guān)系。 若相鄰兩橋臂的應(yīng)變極性一致，即同為拉應(yīng)

14、變或壓應(yīng)變時(shí)，輸出電壓為兩者之差；若相鄰兩橋臂的應(yīng)變極性不同，則輸出電壓為兩者之和。 若相對(duì)兩橋臂應(yīng)變的極性一致，輸出電壓為兩者之和；反之則為兩者之差。 電橋供電電壓U越高，輸出電壓U0越大。但是，當(dāng)U大時(shí)，電阻應(yīng)變片通過的電流也大，若超過電阻應(yīng)變片所允許通過的最大工作電流，傳感器就會(huì)出現(xiàn)蠕變和零漂。 增大電阻應(yīng)變片的靈敏系數(shù)K，可提高電橋的輸出電壓。2.1.3 電阻應(yīng)變片的測(cè)量電路 1 1 直流電橋直流電橋2 2 非線性誤差及其補(bǔ)償非線性誤差及其補(bǔ)償 單臂電橋，即R1橋臂變化R，理想的線性關(guān)系 實(shí)際輸出電壓實(shí)際輸出電壓 RRUU4010211424RRRRURRRUU電橋的相對(duì)非線性誤差為電

15、橋的相對(duì)非線性誤差為 KRRRRRRUU21211211121111002.非線性誤差及其補(bǔ)償減小非線性誤差 采用的措施為： （1）采用半橋差動(dòng)電橋 R1R2F4332211110RRRRRRRRRUUU0R1R1R4R3UR2R2RRUU20R1R2R3R4=R，R1R2=R 嚴(yán)格的線性關(guān)系電橋靈敏度比單臂時(shí)提高一倍溫度補(bǔ)償作用輸出電壓為：RRUU0U0R1R1UR2R2R4R4R3R3全橋差動(dòng)電路2.1 應(yīng)變式傳感器2.1.1 工作原理2.1.2 金屬應(yīng)變片的主要特性2.1.3 測(cè)量電路2.1.4 應(yīng)變式傳感器應(yīng)用應(yīng)變式傳感器應(yīng)用2.1.4 電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用應(yīng)變式力傳感器應(yīng)變式力傳感

16、器應(yīng)變式壓力傳感器1 應(yīng)變式力傳感器（a）實(shí)心圓柱；（）實(shí)心圓柱；（b）空心圓筒；）空心圓筒； R5R8R7R6R1R2R3R4R5R8R7R6R1R2R3R4UoUF應(yīng)變式荷重傳感器的外形及應(yīng)變片的粘貼位置應(yīng)變式荷重傳感器的外形及應(yīng)變片的粘貼位置FR1R2 R4應(yīng)變式荷重傳感器外形及受力位置應(yīng)變式荷重傳感器外形及受力位置FF應(yīng)變式荷重傳感器外形及受力位置（續(xù)）應(yīng)變式荷重傳感器外形及受力位置（續(xù)）FF荷重傳感器原理演示荷重傳感器原理演示 荷重傳感荷重傳感器上的應(yīng)變片器上的應(yīng)變片在重力作用下在重力作用下產(chǎn)生變形。軸產(chǎn)生變形。軸向變短，徑向向變短，徑向變長。變長。 汽車衡汽車衡汽車衡汽車衡稱重系統(tǒng)

17、稱重系統(tǒng)人體秤人體秤 (2)梁式力傳感器等截面梁 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易加工，靈敏度高適合于測(cè)5000N以下的載荷 b0h 等截面懸臂梁EbhlF26b0h 等強(qiáng)度懸臂梁 EhblF206 雙端固定梁EbhlF243德國德國HBMHBM電阻應(yīng)變式傳感器電阻應(yīng)變式傳感器 各種懸臂梁各種懸臂梁 FF固定點(diǎn)固定點(diǎn)固定點(diǎn)固定點(diǎn)電纜應(yīng)變片在懸臂梁上的粘貼及變形應(yīng)變片在懸臂梁上的粘貼及變形 電子秤電子秤 磅秤磅秤超市打印秤超市打印秤遠(yuǎn)距離遠(yuǎn)距離顯示顯示薄壁圓環(huán)式力傳感器 21)2/(32EbhhRF在外力作用下，各點(diǎn)的應(yīng)力差別較大在外力作用下，各點(diǎn)的應(yīng)力差別較大 2.1.4 電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用應(yīng)變式力傳感器應(yīng)變式壓力傳感器應(yīng)變式壓力傳