單元二 應變式傳感器

單元二應變式傳感器

應變式傳感器測力任務一應變式傳感器的工作原理一任務導入電阻應變片是利用應變效應的原理制成的，應用最為廣泛的是電阻式傳感器，主要用于機械量的檢測，如力、炮管的壓力、彈性元件變形、流量、商業(yè)計價秤、郵包秤、人體秤和加速度等量的檢測。

一根金屬電阻絲,在其未受力時,原始電阻值為R=式中:ρ——電阻絲的電阻率;L——電阻絲的長度;S—電阻絲的截面積。應變效應:導體或半導體材料沿一定方向受力時,其阻值將發(fā)生變化,這種現象稱為應變效應。工作原理分析二任務一應變式傳感器的工作原理

當電阻絲受到拉力F作用時,將伸長ΔL,橫截面積相應減小ΔS,電阻率將因晶格發(fā)生變形等因素而改變Δρ,故引起電阻值相對變化量為式中ΔL/L是長度相對變化量,用應變ε表示任務一應變式傳感器的工作原理

有：金屬絲：金屬絲體積不變：任務一應變式傳感器的工作原理

有：對金屬材料，導電率不變：金屬絲應變片：任務一應變式傳感器的工作原理

半導體應變計簡化為：優(yōu)點：靈敏度大;體積小;缺點：溫度穩(wěn)定性和可重復性不如金屬應變片。任務一應變式傳感器的工作原理

通常把單位應變能引起的電阻值變化稱為電阻絲的靈敏度系數。靈敏度系數受兩個因素影響:

①受力后材料幾何尺寸的變化,即（1+2μ）;②受力后材料的電阻率發(fā)生的變化,即（Δρ/ρ）/ε。

對金屬材料電阻絲來說,靈敏度系數表達式中（1+2μ）的值要比（（Δρ/ρ）/ε）大得多,而半導體材料的（（Δρ/ρ）/ε）項的值比（1+2μ）大得多。大量實驗證明,在電阻絲拉伸極限內,電阻的相對變化與應變成正比,即K為常數。任務一應變式傳感器的工作原理

用應變片測量應變或應力時,根據上述特點,在外力作用下,被測對象產生微小機械變形,應變片隨著發(fā)生相同的變化,同時應變片電阻值也發(fā)生相應變化。當測得應變片電阻值變化量ΔR時,便可得到被測對象的應變值。根據應力與應變的關系,得到應力值σ為

σ=E·ε

由此可知,應力值σ正比于應變ε,而試件應變ε正比于電阻值的變化,所以應力σ正比于電阻值的變化,這就是利用應變片測量應變的基本原理。任務一應變式傳感器的工作原理

應變片的種類、材料及粘貼

電阻應變片的種類金屬應變片組成：金屬電阻應變片半導體電阻應變片敏感柵、基片、覆蓋層和引線等部分敏感柵是應變片的核心部分,它粘貼在絕緣的基片上,其上再粘貼起保護作用的覆蓋層,兩端焊接引出導線。金屬電阻應變片的敏感柵有絲式、箔式和薄膜式三種。任務一應變式傳感器的工作原理

三金屬電阻應變片的材料①靈敏系數大，且在相當大的應變范圍內保持常數②ρ值大，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電阻溫度系數小，否則因環(huán)境溫度變化也會改變其阻值④與銅線的焊接性能好，與其它金屬的接觸電勢??；⑤機械強度高，具有優(yōu)良的機械加工性能。任務一應變式傳感器的工作原理

應變片的溫度誤差及補償應變片的溫度誤差電阻溫度系數的影響：

Rt=R0（1+α0Δt）試件材料和電阻絲材料的線膨脹系數的影響電阻應變片的溫度補償方法應變片自補償法線路補償法任務一應變式傳感器的工作原理

四自補償法若使應變片在溫度變化Δt時的熱輸出值為零，必須使每一種材料的被測試件，其線膨脹系數

都為確定值,在選擇應變片時，若應變片的敏感柵是用單一的合金絲制成，并使其電阻溫度系數和線膨脹系數滿足上式的條件，即可實現溫度自補償。具有這種敏感柵的應變片稱為單絲自補償應變片。任務一應變式傳感器的工作原理

USCER2R4R1R3線路補償法由上式可知，當R3、R4為常數時，Rl和R2對輸出電壓的作用方向相反。利用這個基本特性可實現對溫度的補償，并且補償效果較好，這是最常用的補償方法之一。電橋輸出電壓與橋臂參數的關系為①R1和R2須屬于同一批號的，即它們的電阻溫度系數α、線膨脹系數β、應變靈敏系數K都相同，兩片的初始電阻值也要求相同。②用于粘貼補償片的構件和粘貼工作片的試件二者材料必須相同，即要求兩者線膨脹系數相等。③兩應變片處于同一溫度環(huán)境中。任務一應變式傳感器的工作原理任務一應變式傳感器的工作原理五任務布置

查閱應變片的常用材料及粘貼技術。2.查詢應交片的粘貼工藝步驟。任務一應變式傳感器的工作原理六相關習題1．什么叫應變效應?利用應變效應解釋金屬電阻應變片的工作原理。2．試述應變片溫度誤差的概念、產生原因和補償辦法。3.如果試件材質為合金鋼，線膨脹系數g

=

11

10?6/℃，電阻應變片敏感柵材質為康銅，其電阻溫度系數

=15

10?6/℃，線膨漲系數s

=

14.9

10?6/℃。當傳感器的環(huán)境溫度從10℃變化到50℃時，所引起的附加電阻相對變化量(R/R

)t為多少?折合成附加應變t為多少?任務二應變式傳感器的測量電路一任務導入由于機械應變一般都很小，要把微小應變引起的微小電阻變化測量出來，同時要把電阻相對變化R

/

R轉換為電壓或電流的變化，因此，需要有專用的用于測量應變變化而引起電阻變化的測量電路。工程中通常采用直流電橋和交流電橋。

ACBDR1R2R3R4RLU0+-U0=E（R1R1+R2R3R3+R4—）任務二應變式傳感器的測量電路二直流電橋R1R4=R2R3當電橋平衡時，U0=0則有：直流電橋平衡條件

電壓靈敏度

ACBDR1R2R3R4RLU0+-當應變片受力時，R1變?yōu)椋篟1+△R1，其余電阻不變，電壓靈敏度為：輸出電壓為：U0=E4△R1R1KU=E4R1為電阻應變片，R2、R3、R4為電橋固定電阻，這就構成了單臂電橋

任務二應變式傳感器的測量電路ACBDR1R2R3R4RLU0+-輸出電壓為：U0=E2△R1R1電壓靈敏度為：KU=E2半橋R1+△R1，R2變?yōu)椋篟2－△R2R1、R2為受力相反的應變片，其余電阻不變，R1變?yōu)椋悍蔷€性誤差及其補償方法任務二應變式傳感器的測量電路全橋ACBDR1R2R3R4RLU0+-R1+△R1，R1R4+△R4R4R2R2－△R2R3R3－△R3輸出電壓為：U0=E△R1R1電壓靈敏度為：U0=E任務二應變式傳感器的測量電路

交流電橋任務二應變式傳感器的測量電路三任務二應變式傳感器的測量電路由交流電路分析可得交流電橋的平衡條件

任務二應變式傳感器的測量電路當Uo=0時Z1Z4=Z2Z3

可得

整理得平衡條件為

及任務二應變式傳感器的測量電路四相關習題1.什么是直流電橋？若按不同的橋臂工作方式分類，可分為哪幾種？各自的輸出電壓如何計算？2.擬在等截面的懸臂梁上粘貼4個完全相同的電阻應變片，并組成差動全橋電路，試問：①4個應變片應怎樣粘貼在懸臂梁上？②畫出相應的電橋電路圖。

一任務三應變式傳感器的應用任務導入

在科研和工業(yè)生產中常常需要研究機械設備構件或組件承受應變的狀況，測量構件形變時應變力，如高壓容器（高壓氣瓶、高壓鍋爐），生產過程中必須采用應變測量方法檢測耐壓和變形時壓力；火炮生產需了解火炮發(fā)射時炮管形變，飛機導彈研制時要在特殊的“風洞”實驗場中模擬高空狀態(tài)下飛行時機身、機翼等各部件的形變情況；汽車制造需測試汽車底盤承壓時的形變，而各種形變會借用彈性敏感元件實現力的變換，常用變換力和變換壓力的彈性敏感元件.

任務三應變式傳感器的應用柱（筒）式力傳感器二任務三應變式傳感器的應用應變片接線要求：應變片粘貼在彈性體外壁應力分布均勻的中間部分，對稱粘貼多片。應變片粘貼要求：采用電橋連接方式，橫向粘貼的應變片起溫度補償的作用。柱（筒）式力傳感器R1R2R3R4R5R6R7R8U0R1R3R5R7R4R2R8R6～U柱面展開圖電橋連線圖任務三應變式傳感器的應用環(huán)式力傳感器R1R2hABFR環(huán)式傳感器結構圖αα=39.5oMAB應力分布圖R2應變片所在的位置應力為零，故R2應變片起溫度補償作用。XRhPεtεr應變變化圖εtεrR1R4R3R2應變片粘貼應變式壓力傳感器R1R4切向粘貼，

R2R3在邊緣處徑向粘貼構成全橋電路主要用來測量流動介質的動態(tài)和靜態(tài)壓力，如動力管道設備的進出口氣體或液體的壓力、發(fā)動機內部的壓力、槍管及炮管內部的壓力、內燃機管道的壓力等。三任務三應變式傳感器的應用應變式容器內液體重量傳感器微壓傳感器電阻應變片傳壓桿h感壓膜可以測量容器內儲存的溶液重量及液位。四任務三應變式傳感器的應用當容器中溶液增多時，感壓膜感受的壓力就增大，將其上兩個傳感器Rt的電橋接成正向串接的雙電橋電路。輸出電壓為：U0=UI－U2＝（K1

－K2

）hρg感壓膜上面液體的重量傳感器傳輸系數Hρg＝QA容器感壓膜上面液體的重量容器的截面積U0＝（K1

－K2

）QA任務三應變式傳感器的應用應變式加速度傳感器工作原理：物體運動的加速度與作用在它上面的力成正比，與物體的質量成反。殼體內充滿硅油調節(jié)阻尼系數五任務三應變式傳感器的應用測量時，將傳感器殼體與被測對象剛性連接，當被測物體以加速度a運動時，質量塊受到一個與加速度方向相反的慣性力作用，使懸臂梁變形，其上應變片發(fā)生形變，阻值變化，電橋不在平衡改變輸出電壓，即可測出加速度a。測量原理不適用于頻率較高的振動和沖擊場合，頻率為10～60Hz范圍。注意事項任務三應變式傳感器的應用標準產品任務三應變式傳感器的應用六半導體力敏應變片在電子皮帶秤上的應用荷重傳感器是皮帶秤的關鍵組成部件，采用半導體力敏應變片作為敏感元件，雖然在同樣壓力下它的彈性形變較金屬箔式應變片小，但其靈敏度卻要高得多，這種傳感器靈敏度可達7～10mV/kg，額定壓力為5kg的荷重傳感器可輸出50mV左右。任務三應變式傳感器的應用電子皮帶秤工作原理如圖所示

1—電磁振動給料機；2—物料；3—秤架；4—力敏荷重傳感器（包括放大器）；5—支點；6—減速電機；7—環(huán)行皮帶；8—料倉當未給料時，整個皮帶秤重量通過調節(jié)秤架上的平衡錘使之自重基本作用在支點5上，僅留很小一部分壓力作為傳感器預壓力。當電磁振動機開始給料時，通過皮帶運動，使物料平鋪在皮帶上。此時皮帶上物料重量一部分通過支點傳到基座，另一部分作用于傳感器上。設每米物料重量為P，則傳感器受力為F，F=CP（C為系數，取決于傳感器距支點的距離）。當傳感器受力后，傳感器中的彈性元件將產生變形，因此，粘貼于彈性元件上的力敏應變電橋就有電壓信號U輸出，其值為

式中：U——應變電橋的電源電壓；

R/R——應變片的相對變化。任務三應變式傳感器的應用當U和R恒定時，U與受力成正比。因此U與P成正比。在皮帶速度V不變時