應(yīng)變式傳感器課件

7.1

應(yīng)變式傳感器7.1.1工作原理和金屬應(yīng)變片的主要特性7.1.2測量電路7.1.3應(yīng)變式傳感器應(yīng)用返回7.1.1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)生機械變形時 其電阻值將發(fā)生變化F

Δl、ΔA、ΔρΔR上一頁返回下一頁電阻的靈敏系數(shù)對于半徑為r的圓導(dǎo)體，A=πr2，ΔA/A=2Δr/r又由材料力學(xué)可知，在彈性范圍內(nèi)，

上一頁返回下一頁ε為導(dǎo)體的縱向應(yīng)變，其數(shù)值一般很小，常以微應(yīng)變度量；μ為電阻絲材料的泊松比，一般金屬μ=0.3~0.5；λ為壓阻系數(shù)，與材質(zhì)有關(guān)；σ為應(yīng)力值；E為材料的彈性模量；常用金屬電阻絲材料性能

材料名稱成分靈敏系數(shù)在20℃時的電阻率在0～100℃內(nèi)電阻溫度系數(shù)最高使用溫度℃對銅的熱電勢線膨脹系數(shù)元素％康銅NiCu45551.9～2.10.45～0.52±20300（靜態(tài)）400（動態(tài)）4015鎳鉻合金NiCr80202.1～2.30.9～1.1110～130450（靜態(tài)）800（動態(tài)）3.814鎳鉻鋁合金NiCrAlFe1420332.4～2.61.24～1.42±20450（靜態(tài)）800（動態(tài)）313.3鐵鉻鋁合金FeCrAl702552.81.3～1.530～40700（靜態(tài)）1000（動態(tài)）2～314鉑Pt1004～60.09～0.113900800（靜態(tài)）1000（靜態(tài)）7.68.9鉑鎢合金PtW9283.50.682276.18.3～9.2在金屬電阻應(yīng)變材料選用中，有以下具體要求：（1）值應(yīng)取大值，且在相當(dāng)大的應(yīng)變范圍內(nèi)保持為常數(shù)；（2）值應(yīng)取大值，即在同樣長度、同樣橫截面積的電阻絲中具有較大的電阻值；（3）電阻溫度系數(shù)要小，否則因環(huán)境溫度變化也會改變其阻值；（4）確保電阻絲與銅線的焊接性能，并與其他金屬的接觸電勢要??；（5）機械強度要足夠高，具有優(yōu)良的機械加工性能。2.應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu)與種類敏感柵直徑為0.025mm左右的合金電阻絲絲繞式基底絕緣覆蓋層保護(hù)位移、力、力矩、加速度、壓力彈性敏感元件

應(yīng)變外力作用被測對象表面產(chǎn)生微小機械變形應(yīng)變片敏感柵隨同變形電阻值發(fā)生相應(yīng)變化應(yīng)變片上一頁返回下一頁金屬絲式應(yīng)變片上一頁返回下一頁金屬電阻絲應(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，可忽略應(yīng)變片電阻的相對變化與應(yīng)變片縱向應(yīng)變成正比，并且對同一電阻材料，K0=1+2μ是常數(shù)。其靈敏度系數(shù)多在1.7～3.6之間。上一頁返回下一頁金屬箔式應(yīng)變片在絕緣基底上，將厚度為0.003～0.01mm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)變片上一頁返回下一頁采用真空蒸發(fā)或真空沉積等方法在薄的絕緣基片上形成厚度在0.1μm以下的金屬電阻材料薄膜敏感柵，再加上保護(hù)層，易實現(xiàn)工業(yè)化批量生產(chǎn)優(yōu)點：應(yīng)變靈敏系數(shù)大，允許電流密度大，工作范圍廣，易實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)問題：難控制電阻與溫度和時間的變化關(guān)系金屬薄膜應(yīng)變片上一頁返回下一頁3.金屬應(yīng)變片的主要特性（一）靈敏系數(shù)（二）橫向效應(yīng)（三）機械滯后、零票與蠕變（四）溫度效應(yīng)（五）應(yīng)變極限與疲勞壽命（六）絕緣電阻與最大工作電流（七）動態(tài)響應(yīng)特性上一頁返回下一頁應(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，于室溫下測得的電阻值電阻系列：60、120、200、350、500、1000Ω

可以加大應(yīng)變片承受電壓，電阻值大輸出信號大，敏感柵尺寸也增大

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（二）橫向效應(yīng)敏感柵是由多條直線和圓弧部分組成直線段：沿軸向拉應(yīng)變εx，電阻圓弧段：沿軸向壓應(yīng)度εy電阻K(箔式應(yīng)變片)上一頁下一頁返回lεyεxεy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，從而降低了整個電阻應(yīng)變片的靈敏度，帶來測量誤差，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。4.溫度誤差及其補償

上一頁返回下一頁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，敏感柵材料電阻溫度系數(shù)為，則引起的電阻相對變化為2、試件材料的線膨脹引起的誤差。當(dāng)溫度變化△t時，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)生附加拉長（或壓縮），引起的電阻相對變化溫度誤差應(yīng)變絲的線膨脹系數(shù)；試件的線膨脹系數(shù)溫度補償單絲自補償法自補償法組合式自補償法線路補償法〔電橋補償法、熱敏電阻〕溫度補償上一頁返回下一頁

①電橋補償法U0R1R4R3URbFFR1RbR1+⊿RRb-⊿RU0R1＋⊿RR4R3URb－⊿R上一頁返回下一頁電橋補償法優(yōu)點：簡單、方便，在常溫下補償效果較好，缺點：在溫度變化梯度較大的條件下，很難做到工作片與補償片處于溫度完全一致的情況，因而影響補償效果。a.選擇式自補償應(yīng)變片優(yōu)點：容易加工，成本低，缺點：只適用特定試件材料，溫度補償范圍也較窄。上一頁返回下一頁由式(2.1.16)可知，實現(xiàn)溫度補償?shù)臈l件為當(dāng)被測試件的線膨脹系數(shù)βg已知時，通過選擇敏感柵材料，使下式成立(2.1.21)即可達(dá)到溫度自補償?shù)哪康?。R1R2組合自補償法b.雙金屬敏感柵自補償應(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的電阻溫度系數(shù)調(diào)整R1和R2的比例，使溫度變化時產(chǎn)生的電阻變化滿足通過調(diào)節(jié)兩種敏感柵的長度來控制應(yīng)變片的溫度自補償，可達(dá)±0.45μ/℃的高精度上一頁返回下一頁③熱敏電阻補償

TKRtUiR1＋⊿RR4R3U0R2RtR5分流電阻UURtU=Ui-URtK上一頁返回下一頁1.直流電橋直流電橋的工作原理IL=0時電橋平衡平衡條件

:R1R4=R2R3

R1/R2=R3/R4

R1+⊿R1R2R4R3UILRL上一頁返回下一頁2．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,電橋輸出端看成開路.電橋的輸出式為：應(yīng)變片工作時，其電阻變化ΔR

上一頁返回下一頁采用等臂電橋，即R1=R2=R3=R4=R。此時式(2.1.24)可寫為當(dāng)ΔRi<<R(i=1,2,3,4)時，略去上式中的高階微量，則上一頁返回下一頁上式表明：①

ΔRi<<R時，電橋的輸出電壓與應(yīng)變成線性關(guān)系。②若相鄰兩橋臂的應(yīng)變極性一致，即同為拉應(yīng)變或壓應(yīng)變時，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。③若相對兩橋臂應(yīng)變的極性一致，輸出電壓為兩者之和；反之則為兩者之差。④電橋供電電壓U越高，輸出電壓U0越大。但是，當(dāng)U大時，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，傳感器就會出現(xiàn)蠕變和零漂。⑤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。上一頁返回下一頁略去分母中的ΔR1/R1項,假設(shè)ΔR1/R1<<1單臂電橋，即R1橋臂變化ΔR，理想的線性關(guān)系實際輸出電壓上一頁返回下一頁電橋的相對非線性誤差為2.非線性誤差及其補償減小非線性誤差采用的措施為：（1）采用半橋差動電橋R1R2FU0R1＋⊿R1R4R3UR2－⊿R2上一頁返回下一頁R1＝R2＝R3＝R4=R，ΔR1＝ΔR2=ΔR

嚴(yán)格的線性關(guān)系電橋靈敏度比單臂時提高一倍溫度補償作用上一頁返回下一頁輸出電壓為：U0R1＋⊿R1UR2－⊿R2R4＋⊿R4R3－⊿R3上一頁返回下一頁全橋差動電路7.1.3電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用1

應(yīng)變式力傳感器2

應(yīng)變式壓力傳感器3.應(yīng)變式液體重量（或液位）傳感器4

應(yīng)變式加速度傳感器上一頁返回下一頁上一頁返回下一頁柱式力傳感器1

應(yīng)變式力傳感器（a）實心圓柱；（b）空心圓筒；R5R8R7R6R1R2R3R4R5R8R7R6R1R2R3R4UoUF(2)梁式力傳感器上一頁返回下一頁等截面梁E為材料的彈性模量結(jié)構(gòu)簡單，易加工，靈敏度高適合于測5000N以下的載荷,也可用于小壓力測量b0R1R2l0lFbh①等截面懸臂梁b0R1R2XlFbh②等強度懸臂梁③雙端固定梁⑶薄壁圓環(huán)式力傳感器

上一頁返回下一頁在外力作用下，各點的應(yīng)力差別較大BK-2S稱重傳感器產(chǎn)品詳細(xì)介紹

采用國際流行的雙梁式或剪切S梁結(jié)構(gòu)，拉、壓輸出對稱性好、

測量精度高、結(jié)構(gòu)緊湊，安裝方便，廣泛用于機電結(jié)合秤、料斗秤、包裝秤等各種測力、稱重系統(tǒng)中

供橋電壓12VDC輸入阻抗380±20Ω

輸出阻抗350±10Ω絕緣電阻≥2000MΩ

工作溫度-10~+50℃

上一頁返回下一頁BK－4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)能力強，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1．5~2mV/V輸入阻抗730±20Ω

非線性（%FS）0.03,0.05,0.1輸出阻抗700±10Ω

重復(fù)性（%FS）0.03,0.05,0.1絕緣電阻≥2000MΩ

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℃）上一頁返回下一頁2.應(yīng)變式壓力傳感器

上一頁返回下一頁εtεrR4R3R1R2

UU0膜片PεrεtR1R2R3R4εrεt膜片式壓力傳感器筒式壓力傳感器測較大壓力

機床液壓系統(tǒng)的壓力（106～107Pa），槍炮的膛內(nèi)壓力（108Pa），動態(tài)特性和靈敏度主要由材料的E值和尺寸決定上一頁返回下一頁組合式壓力傳感器應(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。上一頁返回下一頁AK-1型應(yīng)變式脈動壓力傳感器產(chǎn)品特點：

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

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

上一頁返回下一頁3.容器內(nèi)液體重量（液位）傳感器上一頁返回下一頁該傳感器有一根傳壓桿，上端安裝腰形筒微壓傳感器，下端安裝感壓膜，在三者空腔內(nèi)充滿傳壓介質(zhì)并密封。由于空腔內(nèi)傳壓介質(zhì)的高度比被測溶液的高度高，因而腰形筒微壓傳感器處于負(fù)壓狀態(tài)。為了提高測量的靈敏度，安裝了兩只性能完全相同的微壓傳感器。液位傳感器：當(dāng)容器中液體多時，感壓膜感受的壓力大，將兩只微壓傳感器的電橋接成正向串聯(lián)的形式，則輸出電壓為：式中A1、A2——傳感器的傳輸系數(shù)；g——重力加速度(m/s2)；ρ——被測溶液的密度(Kg/m3)。