wy能量控制型傳感器

上節(jié)主要內(nèi)容回顧

電位器式傳感器將位移（線位移或角位移）轉(zhuǎn)換為電阻或電壓的輸出。線性電位器式傳感器：現(xiàn)在是1頁\一共有32頁\編輯于星期一例題：帶負(fù)載的線性電位器傳感器電路如下圖所示。圖中，，，，計算電刷位移為時傳感器電阻值Rx和空載輸出電壓Ux，若負(fù)載，則輸出電壓變?yōu)槎嗌?？分析?fù)載誤差？解：位移x=30cm時傳感器電阻和空載輸出電壓分別為：

若帶負(fù)載，則輸出電壓為：

帶負(fù)載電位器傳感器電路圖現(xiàn)在是2頁\一共有32頁\編輯于星期一

引起的負(fù)載誤差（空載特性與帶負(fù)載的特性之間的偏差）為：若，則

引起的負(fù)載誤差為：由此可見，欲使負(fù)載誤差小于1.0%，必須保證負(fù)載電阻?，F(xiàn)在是3頁\一共有32頁\編輯于星期一3.2應(yīng)變片式電阻傳感器3.2.1電阻應(yīng)變片的工作原理

電阻應(yīng)變片的工作原理基于電阻應(yīng)變效應(yīng)（在導(dǎo)體產(chǎn)生機(jī)械變形時，它的電阻發(fā)生相應(yīng)的變化）。電阻絲未受力時，原始電阻為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。電阻絲在外力F作用下，將引起電阻變化△R

，且有式中，△

ρ-電阻絲的電阻率變化；

△

l-電阻絲的長度變化；

△

S-電阻絲的截面積變化?，F(xiàn)在是4頁\一共有32頁\編輯于星期一電阻絲的軸向應(yīng)變徑向應(yīng)變（或橫向應(yīng)變）由材料力學(xué)可知，定義：單位應(yīng)變所引起的電阻相對變化-電阻的靈敏系數(shù)k0電阻絲的靈敏度k0由兩部分組成：（1）（1+2μ）-受力后，由材料的幾何尺寸變化引起的；（2）-由材料電阻率變化所引起的。對于金屬材料，（2）比（1）小很多，可以忽略?，F(xiàn)在是5頁\一共有32頁\編輯于星期一3.2.2金屬電阻應(yīng)變片主要特性1.金屬電阻應(yīng)變片結(jié)構(gòu)及材料金屬電阻應(yīng)變片分為金屬絲式和金屬箔式兩種。（1）金屬絲式電阻應(yīng)變片由敏感柵、基底、蓋層、粘結(jié)劑和引線等組成。

敏感柵是最重要的部分，柵絲直徑一般為0.015~0.05mm，根據(jù)用途不同，柵長可為0.2~200mm。

基底和蓋層用來保持敏感柵、引線的幾何形狀和相對位置?；鬃龅煤鼙。?.02~0.4mm），可將被測件上的應(yīng)變迅速、準(zhǔn)確地傳送到敏感柵上。若用專門的薄紙制成，稱為紙基。若用各種粘結(jié)劑和有機(jī)樹脂膜制成的，稱為膠基。現(xiàn)在多采用膠基。a)應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu)b)箔式應(yīng)變片敏感柵的基本結(jié)構(gòu)

1-基底2-敏感柵3-蓋層4-引線L-柵長b-基寬圖3-9金屬絲式電阻應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu)12現(xiàn)在是6頁\一共有32頁\編輯于星期一a)箔式單向應(yīng)變片b)箔式轉(zhuǎn)矩應(yīng)變片c)箔式壓力應(yīng)變片d)箔式花狀應(yīng)變片圖3-10各種箔式應(yīng)變片（2）金屬箔式應(yīng)變片與金屬絲應(yīng)變片相比，有如下優(yōu)點：1)用光刻技術(shù)能制成各種復(fù)雜形狀的敏感柵(應(yīng)變花，1~10um的厚度)，敏感多個方向應(yīng)變。2)橫向效應(yīng)小。3)散熱性好，允許通過較大電流，可提高相匹配的電橋電壓，從而提高輸出靈敏度。

4)疲勞壽命長、蠕變小。

5)生產(chǎn)效率高。箔式應(yīng)變片的電阻值的分散性比較大，有的能相差幾十歐姆，需要調(diào)整阻值。端部肥大，減少應(yīng)變片的橫向靈敏度現(xiàn)在是7頁\一共有32頁\編輯于星期一對金屬應(yīng)變片敏感柵材料的基本要求：

1)靈敏系數(shù)k0值大，并且在較大應(yīng)變范圍內(nèi)保持常數(shù)。

2)電阻溫度系數(shù)小。

3)電阻率大。

4)機(jī)械強(qiáng)度高，且易于拉絲或輾薄。

5)與銅絲的焊接性好，與其他金屬的接觸熱電動勢小。敏感柵常用的材料有：康銅、鎳鉻合金、鎳鉻鋁合金、鐵鉻鋁合金、鉑和鉑鎢合金等（見表3-1，P23~P24）?，F(xiàn)在是8頁\一共有32頁\編輯于星期一

2.電阻應(yīng)變片主要特性（1）靈敏系數(shù)k應(yīng)變片的靈敏系數(shù)一般由實驗方法求得。因為應(yīng)變片粘貼到試件上就不能取下再用，所以不能對每一個應(yīng)變片的靈敏度系數(shù)進(jìn)行標(biāo)定，只能在每一批產(chǎn)品中抽取一定百分比的產(chǎn)品進(jìn)行標(biāo)定，然后取平均值作為這一批產(chǎn)品的靈敏系數(shù)。實驗證明，應(yīng)變片的靈敏系數(shù)在很大范圍內(nèi)能保持常數(shù)。現(xiàn)在是9頁\一共有32頁\編輯于星期一

2.電阻應(yīng)變片主要特性（續(xù)）（2）橫向效應(yīng)沿應(yīng)變片軸向的應(yīng)變縱向應(yīng)變應(yīng)變片電阻變化沿垂直與應(yīng)變片軸向的應(yīng)變橫向應(yīng)變電阻變化橫向應(yīng)變的產(chǎn)生和影響與應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)有關(guān)，比如敏感柵的絲繞應(yīng)變片片內(nèi)橫向效應(yīng)比較嚴(yán)重，而箔式應(yīng)變片，橫向效應(yīng)較小。

（3）機(jī)械滯后、零漂及蠕變

1）機(jī)械滯后應(yīng)變片安裝在試件上后，在一定溫度下，應(yīng)變片電阻相對變化εi（△R/R）與機(jī)械應(yīng)變εR之間的加載（正行程）和卸載（反行程）的特性曲線，如圖所示。若正、反行程曲線不重合，稱為機(jī)械滯后。兩曲線之間的最大差值△εm稱為應(yīng)變片的滯后值。機(jī)械應(yīng)變指示應(yīng)變（或電阻相對變化）現(xiàn)在是10頁\一共有32頁\編輯于星期一

2）零漂已粘貼的應(yīng)變片，在溫度保持恒定、試件上沒有應(yīng)變的情況下，應(yīng)變片的指示應(yīng)變會隨時間的增長而逐漸變化，這種現(xiàn)象稱為零漂（應(yīng)變片的零點漂移）。

3）蠕變已粘貼的應(yīng)變片，在溫度保持恒定，試件長時間承受某一恒定的機(jī)械應(yīng)變，應(yīng)變片的指示應(yīng)變會隨著時間而變化，這種現(xiàn)象稱為蠕變。應(yīng)變片工作時，零漂和蠕變是同時存在的，在蠕變之中包含著同一時間內(nèi)的零漂值。零漂和蠕變是用來衡量應(yīng)變片特性對時間的穩(wěn)定性，這兩項指標(biāo)需要長時間的測量?，F(xiàn)在是11頁\一共有32頁\編輯于星期一

（4）溫度效應(yīng)粘貼在試件上的電阻應(yīng)變片：感受機(jī)械應(yīng)變電阻相對變化環(huán)境溫度變化電阻相對變化（虛假應(yīng)變，稱為溫度效應(yīng)）溫度對電阻應(yīng)變片的兩種主要影響：

1）敏感柵的電阻溫度系數(shù)αt電阻變化

2）敏感材料和試件材料的膨脹系數(shù)不同電阻變化

（5）絕緣電阻和最大工作電流應(yīng)變片的絕緣電阻Rm：已粘貼的應(yīng)變片的引線與被測試件之間的電阻值。應(yīng)變片的最大工作電流Im：對已安裝的應(yīng)變片，允許通過敏感柵而不影響其工作特性的最大電流?，F(xiàn)在是12頁\一共有32頁\編輯于星期一

3.2.3溫度誤差及其補(bǔ)償

環(huán)境溫度發(fā)生變化時，由于敏感柵溫度系數(shù)、柵絲與試件膨脹系數(shù)不同而產(chǎn)生的虛假應(yīng)變，有時會與真實應(yīng)變同數(shù)量級，因此，必須采取溫度補(bǔ)償。以線路補(bǔ)償法為例。在分析線路補(bǔ)償法之前，先來理解電橋平衡，以直流電橋為例分析。

供橋電壓輸出電壓+-+-要使輸出電壓為零，應(yīng)滿足：電橋平衡的條件：相對橋臂乘積相等或相鄰橋臂電阻的比值相等現(xiàn)在是13頁\一共有32頁\編輯于星期一（2）單臂電橋

將電阻應(yīng)變片接入R1，而R2、R3、R4為固定電阻。初始電橋平衡，即。應(yīng)變片工作時：R1+△R，此時輸出電壓為現(xiàn)在是14頁\一共有32頁\編輯于星期一結(jié)論：（1）電橋靈敏度kU正比于供橋電壓U，供橋電壓越高，靈敏度越高。但實際上，電橋電壓U不能無限提高，它受應(yīng)變片最大允許功耗限制。（2）通過適當(dāng)?shù)倪x擇橋臂電阻比n，可提高電橋靈敏度。當(dāng)n=1時kUmax=U/4。

現(xiàn)在是15頁\一共有32頁\編輯于星期一結(jié)論（續(xù)）：（3）單臂電橋輸出電壓的非線性誤差分析：理論上的輸出電壓UO

（近似處，U與△R/R成線性）：實際上的輸出電壓UO1（U與△R/R非線性）：非線性誤差：當(dāng)時，

現(xiàn)在是16頁\一共有32頁\編輯于星期一作業(yè)P48復(fù)習(xí)思考題10現(xiàn)在是17頁\一共有32頁\編輯于星期一全橋四個橋臂電阻都是電阻應(yīng)變片，且，則結(jié)論：（1）若相鄰兩橋臂同向變化，即，則輸出電壓為0。由各應(yīng)變片產(chǎn)生的電壓互相抵消。（2）若相鄰兩橋臂反向變化，即，則各應(yīng)變片產(chǎn)生的輸出電壓迭加。若（差動電橋），則，電橋電壓的靈敏度kU=U，是單臂電橋的4倍。現(xiàn)在是18頁\一共有32頁\編輯于星期一以線路補(bǔ)償法為例，如圖3-12所示。工作應(yīng)變片R1安裝在被測試件上，另選一個與R1特性相同的補(bǔ)償片RB，將其安裝在與試件材料相同的某補(bǔ)償塊上，且該補(bǔ)償塊上的溫度與試件相同，但不承受應(yīng)變，顯然，由溫度造成的變化量△R1和△RB相同。

R1和RB接入相鄰橋臂上，根據(jù)電橋理論所知，相鄰橋臂同向變化相互抵消，對輸出UO沒有影響，也就是說，UO與溫度的變化無關(guān)。圖3-12現(xiàn)在是19頁\一共有32頁\編輯于星期一應(yīng)當(dāng)指出，若要達(dá)到完全補(bǔ)償，需滿足下列三個條件：1)R1和RB應(yīng)屬于同一批號制造，即它們的電阻溫度系數(shù)α、線膨脹系數(shù)β和應(yīng)變靈敏系數(shù)k都相同，兩片的初始電阻值也要求一樣。

2)粘貼補(bǔ)償片和粘貼工作片的構(gòu)件材料必須一樣，即要求兩者的線膨脹系數(shù)一樣。

3)兩應(yīng)變片R1和RB處于同一溫度場。

上面三個條件并不容易滿足，尤其是第三個條件。在某些條件下，可通過巧妙安裝應(yīng)變片而不需溫度補(bǔ)償，同時提高靈敏度。現(xiàn)在是20頁\一共有32頁\編輯于星期一如圖3-13a所示，在測量梁彎曲應(yīng)變時，將R1和RB這2個應(yīng)變片分別貼于梁的上下兩面對稱位置，當(dāng)梁的上下面溫度相同時，R1和RB可起溫度補(bǔ)償作用，上下對稱的位置使R1和RB兩電阻的變化值相同，符號相反（前提：R1和RB特性相同）。將R1和RB兩電阻應(yīng)變片，按圖3-12接入電橋，可提高靈敏度（從電橋理論可知，相鄰橋臂反向變化，輸出電壓疊加）。圖3-13b）應(yīng)變片不對稱粘貼，其中兩電阻應(yīng)變量大小不同，但同樣能實現(xiàn)溫度補(bǔ)償和提高靈敏度。圖3-12圖3-13應(yīng)變片對稱粘貼示意圖

應(yīng)變片不對稱粘貼示意圖現(xiàn)在是21頁\一共有32頁\編輯于星期一3.2.5應(yīng)變片式電阻傳感器的應(yīng)用舉例1.應(yīng)變式測力傳感器荷重和拉壓力傳感器的彈性元件可以做成柱形、筒形、環(huán)形和梁形等。（1）圓柱式力傳感器-如圖3.15a）、b）所示。應(yīng)變片粘貼在外壁的中間部分（應(yīng)力分布均勻），多片對稱粘貼，圓柱面的開展圖如圖3-15c）所示，電橋連接如圖3-15d）所示（考慮盡量減小載荷偏心和彎矩的影響）。圖3-15荷重傳感器彈性元件的形式

a)柱形b)筒形c)圓柱面展開圖d)橋路連接圖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?，F(xiàn)在是22頁\一共有32頁\編輯于星期一汽車衡可測拉力或壓力的量程上限可達(dá)107N。在小荷（103~105N）時，可用空心筒式結(jié)構(gòu)。當(dāng)力與軸向一致時，應(yīng)變片感受的縱向應(yīng)變，沿圓周方向粘貼的應(yīng)變片感受橫向應(yīng)變?，F(xiàn)在是23頁\一共有32頁\編輯于星期一汽車衡稱重系統(tǒng)現(xiàn)在是24頁\一共有32頁\編輯于星期一圖3-16梁式力傳感器l—懸臂梁的長度l0—應(yīng)變片中心到工作段的距離b—懸臂梁頂端寬度h—懸臂梁的厚度b0—懸臂梁根部寬度p—壓力

+M—正向轉(zhuǎn)矩–M—負(fù)向轉(zhuǎn)矩(2)梁式力傳感器：梁有多種形式，如圖3-16所示。等截面梁等強(qiáng)度梁雙孔梁“S”形彈性梁應(yīng)變片在懸臂梁上的粘貼及變形現(xiàn)在是25頁\一共有32頁\編輯于星期一吊鉤秤人體秤超市打印秤磅秤現(xiàn)在是26頁\一共有32頁\編輯于星期一2.應(yīng)變式轉(zhuǎn)矩傳感器測量轉(zhuǎn)矩可以直接將應(yīng)變片粘貼在被測軸上，或采用專門設(shè)計的轉(zhuǎn)矩傳感器，其原理如圖3-17a所示。圖3-17測量轉(zhuǎn)矩

a)應(yīng)變片粘貼圖b)橋路連接圖應(yīng)變式數(shù)顯扭矩扳手用于汽車、摩托車、飛機(jī)、內(nèi)燃機(jī)、機(jī)械制造和家用電器等領(lǐng)域，準(zhǔn)確