應(yīng)變式傳感器基本知識(shí)(1)講稿

1、關(guān)于應(yīng)變式傳感器的基本知識(shí)(1)第一張，PPT共六十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月應(yīng)變式電阻傳感器 2.1 工作原理 2.2 電阻應(yīng)變片的重要特性2.3 電阻應(yīng)變片的溫度誤差及補(bǔ)償 2.4 電阻應(yīng)變片的測(cè)量電路2.5 應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用 第二張，PPT共六十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月+- DC +6V +R A 實(shí)驗(yàn)一應(yīng)變效應(yīng) 因?yàn)椋航饘賹?dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻與其電阻率及幾何尺寸（長(zhǎng)度、面積）有關(guān)，當(dāng)其受到外力作用時(shí)，這些參數(shù)發(fā)生變化，因而引起其的電阻的變化，進(jìn)而引 起電流的變化。 原理：金屬導(dǎo)體或半導(dǎo)體在受到外力作用時(shí)，會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)變，其電阻也將隨之發(fā)生變化。K電流: 小大施加力F?RK接通時(shí)安培

2、表指示安培表變化電阻：大小讓我們來做個(gè)應(yīng)變效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)Go!第三張，PPT共六十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月荷重傳感器原理演示 荷重傳感器上的應(yīng)變片在重力作用下產(chǎn)生變形。軸向變短，徑向變長(zhǎng)。4.3 電阻應(yīng)變式傳感器 第四張，PPT共六十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月例2-2 梁式力傳感器 第五張，PPT共六十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月2.1工作原理應(yīng)變物體在外部壓力或拉力作用下發(fā)生形變的現(xiàn)象彈性應(yīng)變當(dāng)外力去除后，物體能夠完全恢復(fù)其尺寸和形狀的應(yīng)變彈性元件具有彈性應(yīng)變特性的物體第六張，PPT共六十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月應(yīng)變式傳感器概述是利用電阻應(yīng)變片將應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻值變化的傳感器工作原理：當(dāng)被測(cè)物理

3、量作用于彈性元件上，彈性元件在力、力矩或壓力等的作用下發(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，通過測(cè)量電路變成電量輸出。輸出的電量大小反映被測(cè)量的大小。結(jié)構(gòu)：應(yīng)變式傳感器由彈性元件上粘貼電阻應(yīng)變片構(gòu)成應(yīng)用：廣泛用于力、力矩、壓力、加速度、重量等參數(shù)的測(cè)量第七張，PPT共六十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月應(yīng)變效應(yīng)分析 電阻應(yīng)變片的工作原理是基于應(yīng)變效應(yīng)即導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料在外界力的作用下產(chǎn)生機(jī)械變形時(shí)，其電阻值相應(yīng)發(fā)生變化， 這種現(xiàn)象稱為“應(yīng)變效應(yīng)”。 第八張，PPT共六十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月一根金屬電阻絲，在其未受力時(shí)，原始電阻值為： 第九張，PPT

4、共六十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 當(dāng)電阻絲受到拉力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，從而引起電阻值變化量為 式中：dl/l長(zhǎng)度相對(duì)變化量 電阻相對(duì)變化量：第十張，PPT共六十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 定義：應(yīng)變片的靈敏系數(shù)（物理意義）：?jiǎn)挝粦?yīng)變所引起的電阻相對(duì)變化量。其表達(dá)式為 第十一張，PPT共六十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月課堂作業(yè)： p52 第3題 第十二張，PPT共六十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月靈敏系數(shù)K受兩個(gè)因素影響一是應(yīng)變片受力后材料幾何尺寸的變化二是應(yīng)變片受力后材料的電阻率發(fā)生的變化大量實(shí)驗(yàn)證明，在電阻絲拉伸極限內(nèi)， 電阻的相對(duì)

5、變化與應(yīng)變成正比，即K為常數(shù)。 第十三張，PPT共六十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu) 電阻應(yīng)變片式傳感器是目前用于測(cè)量力、力矩、壓力、加速度、質(zhì)量等參數(shù)最廣泛的傳感器之一。電阻絲(敏感柵)轉(zhuǎn)換元件基底與面膠中間介質(zhì)和絕緣作用蓋層引線-連接測(cè)量導(dǎo)線之用第十四張，PPT共六十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月箔式應(yīng)變片原理： 它是利用照相制版或光刻腐蝕法將電阻箔材在絕緣基底上制成各種圖形的應(yīng)變片；優(yōu)點(diǎn)：敏感柵尺寸準(zhǔn)確，線條均勻；其彎頭橫向效應(yīng)可以忽略；可通過較大的電流；散熱性好，壽命長(zhǎng)；生產(chǎn)效率高；第十五張，PPT共六十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月常用應(yīng)變片一第十六張，PPT共六十五頁(yè)，創(chuàng)作于2

6、022年6月常用應(yīng)變片二第十七張，PPT共六十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月常用應(yīng)變片三第十八張，PPT共六十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月金屬應(yīng)變計(jì)第十九張，PPT共六十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月2半導(dǎo)體應(yīng)變片 半導(dǎo)體應(yīng)變片的工作原理是基于半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)而制成的一種純電阻性元件 。當(dāng)半導(dǎo)體材料某一軸向受外力作用時(shí)，其電阻率會(huì)發(fā)生變化。 當(dāng)半導(dǎo)體應(yīng)變片受軸向力作用時(shí)，其電阻相對(duì)變化為 :第二十張，PPT共六十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 半導(dǎo)體應(yīng)變片的靈敏系數(shù)比金屬絲式高5080倍， 但半導(dǎo)體材料的溫度系數(shù)大，應(yīng)變時(shí)非線性比較嚴(yán)重， 使它的應(yīng)用范圍受到一定的限制。 第二十一張，PPT共六十五頁(yè)，創(chuàng)

7、作于2022年6月半導(dǎo)體應(yīng)變片的突出優(yōu)點(diǎn)是體積小，靈敏度高，頻率響應(yīng)范圍寬，輸出幅值大，不需要放大器，可直接與記錄儀連接，使測(cè)量系統(tǒng)簡(jiǎn)單。但其溫度系數(shù)大，應(yīng)變時(shí)非線性較嚴(yán)重。第二十二張，PPT共六十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 思考應(yīng)變式力傳感器的工作原理：彈簧鋼制成的梁形元件右端固定，在梁的上下表面各貼一個(gè)應(yīng)變片，在梁的自由端施力F，則梁發(fā)生彎曲，上表面拉伸，下表面壓縮，上表面應(yīng)變片的電阻變大，下表面的電阻變小F越大，彎曲形變?cè)酱螅瑧?yīng)變片的阻值變化就越大如果讓應(yīng)變片中通過的電流保持恒定，則上面應(yīng)變片兩端的電壓變大，下面應(yīng)變片兩端的電壓變小因此可得，外力越大，輸出的電壓差值也就越大第二十三張，P

8、PT共六十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 思考應(yīng)變力傳感器：它能夠把機(jī)械變形轉(zhuǎn)換成電阻變化第二十四張，PPT共六十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 靈敏度系數(shù). 物理意義：?jiǎn)挝粦?yīng)變所引起的電阻相對(duì)變化. 橫向效應(yīng).（圖2-2） 機(jī)械滯后. 零點(diǎn)漂移和蠕變. 應(yīng)變極限. 動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性.（圖2-3）2.2 電阻應(yīng)變片的重要特性第二十五張，PPT共六十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月2.2.1 靈敏度系數(shù) 金屬應(yīng)變絲的電阻相對(duì)變化與它所感受的應(yīng)變之間具有線性關(guān)系，用靈敏度系數(shù)KS表示。當(dāng)金屬絲做成應(yīng)變片后，其電阻應(yīng)變特性與金屬單絲情況不同。因此，須用實(shí)驗(yàn)方法對(duì)應(yīng)變片的電阻應(yīng)變特性重新測(cè)定。實(shí)驗(yàn)表明，金屬應(yīng)變片的電阻

9、相對(duì)變化與應(yīng)變?cè)诤軐挼姆秶鷥?nèi)均為線性關(guān)系。第二十六張，PPT共六十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月K為金屬應(yīng)變片的靈敏系數(shù)。 測(cè)量結(jié)果表明，應(yīng)變片的靈敏系數(shù)K恒小于線材的靈敏系數(shù)KS。原因主要是膠層傳遞變形失真及橫向效應(yīng)。 即:第二十七張，PPT共六十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月2.3.2 橫向效應(yīng) 金屬絲式應(yīng)變片由于敏感柵的兩端為半圓弧形的橫柵，測(cè)量應(yīng)變時(shí)，構(gòu)件的軸向應(yīng)變使敏感柵電阻發(fā)生變化，而其橫向應(yīng)變r(jià)也使敏感柵半圓弧部分的電阻發(fā)生變化。 bOlrdld0圖2-5 敏感柵半圓弧形部分r應(yīng)變片的這種既受軸向應(yīng)變影響，又受橫向應(yīng)變影響而引起電阻變化的現(xiàn)象稱為橫向效應(yīng)。第二十八張，PPT共六十五頁(yè)，創(chuàng)

10、作于2022年6月應(yīng)變片粘貼在被測(cè)試件上，當(dāng)溫度恒定時(shí)，其加載特性與卸載特性不重合，即為機(jī)械滯后。1機(jī)械應(yīng)變R卸載加載指示應(yīng)變i圖2-6 應(yīng)變片的機(jī)械滯后2.2.3 機(jī)械滯后、零漂及蠕變第二十九張，PPT共六十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 機(jī)械滯后值還與應(yīng)變片所承受的應(yīng)變量有關(guān)，加載時(shí)的機(jī)械應(yīng)變愈大，卸載時(shí)的滯后也愈大。所以，通常在實(shí)驗(yàn)之前應(yīng)將試件預(yù)先加、卸載若干次，以減少因機(jī)械滯后所產(chǎn)生的實(shí)驗(yàn)誤差。 產(chǎn)生原因：應(yīng)變片在承受機(jī)械應(yīng)變后的殘余變形，使敏感柵電阻發(fā)生少量不可逆變化；在制造或粘貼應(yīng)變片時(shí)，敏感柵受到的不適當(dāng)?shù)淖冃位蛘辰Y(jié)劑固化不充分等。第三十張，PPT共六十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月對(duì)于

11、粘貼好的應(yīng)變片，當(dāng)溫度恒定時(shí)，不承受應(yīng)變時(shí)，其電阻值隨時(shí)間增加而變化的特性，稱為應(yīng)變片的零點(diǎn)漂移。產(chǎn)生的原因：敏感柵通電后的溫度效應(yīng)；應(yīng)變片的內(nèi)應(yīng)力逐漸變化；粘結(jié)劑固化不充分等。 如果在一定溫度下，使應(yīng)變片承受恒定的機(jī)械應(yīng)變，其電阻值隨時(shí)間增加而變化的特性稱為蠕變。一般蠕變的方向與原應(yīng)變量的方向相反。產(chǎn)生的原因：由于膠層之間發(fā)生“滑動(dòng)”，使力傳到敏感柵的應(yīng)變量逐漸減少。第三十一張，PPT共六十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月在一定溫度下，應(yīng)變片的指示應(yīng)變對(duì)測(cè)試值的真實(shí)應(yīng)變的相對(duì)誤差不超過規(guī)定范圍（一般為10%）時(shí)的最大真實(shí)應(yīng)變值。真實(shí)應(yīng)變是由于工作溫度變化或承受機(jī)械載荷，在被測(cè)試件內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)力時(shí)所引起

12、的表面應(yīng)變。2.2.4 應(yīng)變極限j真實(shí)應(yīng)變g指示應(yīng)變i圖2-7 應(yīng)變片的應(yīng)變極限100%190%第三十二張，PPT共六十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 用作測(cè)量應(yīng)變的金屬應(yīng)變片，希望其阻值僅隨應(yīng)變變化，而不受其它因素的影響。實(shí)際上應(yīng)變片的阻值受環(huán)境溫度(包括被測(cè)試件的溫度)影響很大。由于環(huán)境溫度變化引起的電阻變化與試件應(yīng)變所造成的電阻變化幾乎有相同的數(shù)量級(jí)，從而產(chǎn)生很大的測(cè)量誤差，稱為應(yīng)變片的溫度誤差，又稱熱輸出。2.3 溫度誤差及其補(bǔ)償2.3.1 溫度誤差第三十三張，PPT共六十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 因環(huán)境溫度改變而引起電阻變化的兩個(gè)主要因素：應(yīng)變片的電阻絲(敏感柵)具有一定溫度系數(shù)；電阻

13、絲材料與測(cè)試材料的線膨脹系數(shù)不同。 設(shè)環(huán)境引起的構(gòu)件溫度變化為t（）時(shí)，粘貼在試件表面的應(yīng)變片敏感柵材料的電阻溫度系數(shù)為t ，則應(yīng)變片產(chǎn)生的電阻相對(duì)變化為:第三十四張，PPT共六十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月由于敏感柵材料和被測(cè)構(gòu)件材料兩者線膨脹系數(shù)不同，當(dāng)t 存在時(shí)，引起應(yīng)變片的附加應(yīng)變，相應(yīng)的電阻相對(duì)變化為:K應(yīng)變片靈敏系數(shù); e試件材料線膨脹系數(shù)；g敏感柵材料線膨脹系數(shù)。第三十五張，PPT共六十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 2. 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)償方法通常有線路補(bǔ)償和應(yīng)變片自補(bǔ)償兩大類。 1) 線路補(bǔ)償法 電橋補(bǔ)償是最常用且效果較好的線路補(bǔ)償。 第三十六張，PPT

14、共六十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月電橋補(bǔ)償法電橋的輸出U0怎么計(jì)算？第三十七張，PPT共六十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月電橋補(bǔ)償法電橋平衡的條件是什么？第三十八張，PPT共六十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月A為由橋臂電阻和電源電壓決定的常數(shù)。由上式可知， 當(dāng)R3和R4為常數(shù)時(shí)，R1和RB對(duì)電橋輸出電壓Uo的作用方向相反。 利用這一基本關(guān)系可實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的補(bǔ)償。第三十九張，PPT共六十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 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，且僅工作應(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，

15、調(diào)整電橋參數(shù)使之達(dá)到平衡，此時(shí)有 工程上，一般按R1 = RB = R3 = R4 選取橋臂電阻。 第四十張，PPT共六十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月溫度補(bǔ)償?shù)膶?shí)現(xiàn)：(溫度變化，無應(yīng)變）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 第四十一張，PPT共六十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月應(yīng)變的測(cè)量： (溫度變化，無應(yīng)變）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：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)境溫度無關(guān)。 第四十二張，PPT共六十五頁(yè)，創(chuàng)作于

16、2022年6月注意補(bǔ)償條件： 在應(yīng)變片工作過程中，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)。 第四十三張，PPT共六十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月作業(yè)： p50 第1、5題 第四十四張，PPT共六十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月2.4 電阻應(yīng)變片的測(cè)量電路 2.4.1 直流電橋 1. 直流電橋平衡條件圖3-9 直流電橋 當(dāng)RL時(shí)，電橋輸出電壓為 第四十五張，PPT共六十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月當(dāng)電橋平衡時(shí)，Uo=0，則有 R1R4

17、=R2R3或 電橋平衡條件：欲使電橋平衡， 其相鄰兩臂電阻的比值應(yīng)相等， 或相對(duì)兩臂電阻的乘積應(yīng)相等。 電橋平衡條件第四十六張，PPT共六十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 2. 電壓靈敏度 應(yīng)變片工作時(shí)：電阻值變化很小，電橋相應(yīng)輸出電壓也很小，一般需要加入放大器進(jìn)行放大。由于放大器的輸入阻抗比橋路輸出阻抗高很多，所以此時(shí)仍視電橋?yàn)殚_路情況。當(dāng)受應(yīng)變時(shí)：若應(yīng)變片電阻變化為R，其它橋臂固定不變，電橋輸出電壓Uo0，則電橋不平衡，輸出電壓為 第四十七張，PPT共六十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月第四十八張，PPT共六十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 設(shè)橋臂比n=R2/R1，由于R15的小曲率圓環(huán)：A、B兩點(diǎn)的應(yīng)

18、變。 這樣， 測(cè)出A、 B處的應(yīng)變， 即可得到載荷F。 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。第五十七張，PPT共六十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月2.5.2 應(yīng)變式壓力傳感器 主要用來測(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。 在壓力p作用下，膜片產(chǎn)生徑向應(yīng)變r(jià)和切向應(yīng)變t，表達(dá)式分別為 第五十八張，PPT共六十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月圖3-15 膜片式壓力傳感器（a） 應(yīng)變變化圖; （b） 應(yīng)變片粘貼 第五十九張，PPT共六十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月應(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