傳感器與自動檢測技術(shù)課件

第3章應(yīng)變式傳感器3.1工作原理3.2電阻應(yīng)變片的溫度誤差及補償3.3電阻應(yīng)變片的測量電路3.4應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用3.1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：當被測物理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，通過測量電路變成電量輸出。輸出的電量大小反映被測量的大小。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)的測量應(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)生機械變形時，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)”。

一根金屬電阻絲，在其未受力時，原始電阻值為：圖3-1金屬電阻絲應(yīng)變效應(yīng)當電阻絲受到拉力F作用時，將伸長Δl，橫截面積相應(yīng)減小ΔA，電阻率因材料晶格發(fā)生變形等因素影響而改變了Δρ，從而引起電阻值變化量為式中：dl/l——長度相對變化量，用應(yīng)變ε表示為電阻相對變化量：dA/A——圓形電阻絲的截面積相對變化量，設(shè)r為電阻絲的半徑，微分后可得dA=2πrdr，則材料力學：在彈性范圍內(nèi)，金屬絲受拉力時，沿軸向伸長，沿徑向縮短，軸向應(yīng)變和徑向應(yīng)變的關(guān)系可表示為μ為電阻絲材料的泊松比，負號表示應(yīng)變方向相反。推得：定義：電阻絲的靈敏系數(shù)（物理意義）：單位應(yīng)變所引起的電阻相對變化量。其表達式為靈敏系數(shù)K受兩個因素影響一是應(yīng)變片受力后材料幾何尺寸的變化，即1+2μ二是應(yīng)變片受力后材料的電阻率發(fā)生的變化，即（dρ/ρ）/ε。對金屬材料：1+2μ＞＞(dρ/ρ)/ε對半導(dǎo)體材料：(dρ/ρ)/ε＞＞1+2μ大量實驗證明，在電阻絲拉伸極限內(nèi)，電阻的相對變化與應(yīng)變成正比，即K為常數(shù)。分析：當半導(dǎo)體應(yīng)變片受軸向力作用時，其電阻相對變化為半導(dǎo)體應(yīng)變片的電阻率相對變化量與所受的應(yīng)變力有關(guān)：式中：π——半導(dǎo)體材料的壓阻系數(shù);

σ——半導(dǎo)體材料的所受應(yīng)變力;

E——半導(dǎo)體材料的彈性模量;

ε——半導(dǎo)體材料的應(yīng)變。因此：實驗證明，πE比1+2μ大上百倍，所以1+2μ可以忽略，因而半導(dǎo)體應(yīng)變片的靈敏系數(shù)為半導(dǎo)體應(yīng)變片的靈敏系數(shù)比金屬絲式高50～80倍，但半導(dǎo)體材料的溫度系數(shù)大，應(yīng)變時非線性比較嚴重，使它的應(yīng)用范圍受到一定的限制。

測量原理：在外力作用下，被測對象產(chǎn)生微小機械變形，應(yīng)變片隨著發(fā)生相同的變化，同時應(yīng)變片電阻值也發(fā)生相應(yīng)變化。當測得應(yīng)變片電阻值變化量為ΔR時，便可得到被測對象的應(yīng)變值，根據(jù)應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系，得到應(yīng)力值σ為σ=E·ε

應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)圖3-2金屬電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)絲式箔式圖3-3常用應(yīng)變片的形式3.2應(yīng)變片的溫度誤差及補償1.應(yīng)變片的溫度誤差由于測量現(xiàn)場環(huán)境溫度的改變而給測量帶來的附加誤差，稱為應(yīng)變片的溫度誤差。產(chǎn)生應(yīng)變片溫度誤差的主要因素有下述兩個方面。1)電阻溫度系數(shù)的影響敏感柵的電阻絲阻值隨溫度變化的關(guān)系可用下式表示：Rt=R0(1+α0Δt)式中:Rt——溫度為t時的電阻值；

R0——溫度為t0時的電阻值；α0——溫度為t0時金屬絲的電阻溫度系數(shù)；Δt——溫度變化值，Δt=t-t0。當溫度變化Δt時，電阻絲電阻的變化值為：ΔRα=Rt-R0=R0α0Δt2)試件材料和電阻絲材料的線膨脹系數(shù)的影響當試件與電阻絲材料的線膨脹系數(shù)相同時：環(huán)境溫度變化不會產(chǎn)生附加變形。當試件與電阻絲材料的線膨脹系數(shù)不同時：環(huán)境溫度變化，電阻絲會產(chǎn)生附加變形，從而產(chǎn)生附加電阻變化。設(shè)電阻絲和試件在溫度為0℃時的長度均為l0,它們的線膨脹系數(shù)分別為βs和βg，若兩者不粘貼，則它們的長度分別為ls=l0(1+βsΔt)lg=l0(1+βgΔt)（3-22）（3-23）當兩者粘貼在一起時，電阻絲產(chǎn)生的附加變形Δl、附加應(yīng)變εβ和附加電阻變化ΔRβ分別為由于溫度變化而引起的應(yīng)變片總電阻相對變化量為

結(jié)論：因環(huán)境溫度變化而引起的附加電阻的相對變化量，除了與環(huán)境溫度有關(guān)外，還與應(yīng)變片自身的性能參數(shù)（K0,α0,βs）以及被測試件線膨脹系數(shù)βg有關(guān)。

2.電阻應(yīng)變片的溫度補償方法電阻應(yīng)變片的溫度補償方法通常有線路補償和應(yīng)變片自補償兩大類。

1)線路補償法電橋補償是最常用且效果較好的線路補償。

圖3-蘆8電昏橋補償音法電路分返析A為由橋臂筐電阻和電蜻源電壓決刺定的常數(shù)剩。由上式昏可知，啟當R3和R4為常云數(shù)時，R1和RB對電橋拔輸出電壓Uo的作用要方向相反模。利用孩這一基本否關(guān)系可實擾現(xiàn)對溫度伴的補償。測量應(yīng)變頓時，工作邁應(yīng)變片R1粘貼在被腰測試件表冠面上，補典償應(yīng)變片RB粘貼在與枕被測試件追材料完全警相同的補外償塊上，挪且僅工作冊應(yīng)變片承艷受應(yīng)變。當被測試圣件不承受恢應(yīng)變時，R1和RB又處于同遣一環(huán)境溫結(jié)度為t的溫度擊場中，扛調(diào)整電件橋參數(shù)牌使之達莖到平衡萌，此時咽有工程上，友一般按R1=RB=R3=R4選取橋總臂電阻擋。溫度補償回的實現(xiàn)：當溫度升盡高或降低易Δt=t-t0時，兩個五應(yīng)變片因屈溫度而引糕起的電阻志變化量相膛等，電橋囑仍處于平肌衡狀態(tài)，吼即應(yīng)變的測外量：被測風試件有尿應(yīng)變ε的作用，淡則工作應(yīng)緩變片電阻R1又有新落的增量佛ΔR1=R1Kε，而補波償片因斗不承受驕應(yīng)變，側(cè)故不產(chǎn)般生新的羨增量，指此時蠟電橋輸澇出電壓廳為可見：恩電橋的少輸出電踐壓Uo僅與被測仰試件的應(yīng)勺變ε有關(guān)，蹦而與環(huán)袋境溫度笨無關(guān)。注意補償薦條件：轉(zhuǎn)①在應(yīng)獄變片工作箏過程中，填保證R3=R4。②R1和RB兩個應(yīng)繪變片應(yīng)縱具有相嘩同的電考阻溫度域系數(shù)α、線膨博脹系數(shù)β、應(yīng)變庭靈敏度然系數(shù)K和初始脖電阻值R0。③粘早貼補償絞片的補細償塊材姻料和粘群貼工作賤片的被舌測試件皇材料必毫須一樣伯，兩者膚線膨脹鳥系數(shù)相掀同。④兩應(yīng)增變片應(yīng)處作于同一溫工度場。2)樹應(yīng)各變片的摩自補償筒法利用自身瓜具有溫度嫌補償作用沿的應(yīng)變片匪來補償?shù)耐?。要實現(xiàn)溫咬度自補償推，必須有膏上式表選明，當晉被測試蠻件的線杠膨脹系論數(shù)βg已知時，中如果合理掘選擇敏感肢柵材料，紋即其電兩阻溫度系簡數(shù)α0、靈敏凱系數(shù)K0以及線膨話脹系數(shù)βs，滿足上姻式，則不除論溫度如障何變化，掠均有ΔRt/R0=0，從占而達到溫直度自補償晃的目的。3.3劍電阻應(yīng)變息片的測量察電路3.3.奮1直弓流電橋1.遲直流電舅橋平衡纏條件圖3-榮9直販流電橋當RL→∞時，適電橋輸出威電壓為當電橋糧平衡時業(yè)，Uo=0，嗚則有R1R4=R2R3或電橋平銷衡條件逗：欲使電橋脅平衡，駕其相鄰兩甲臂電阻的眨比值應(yīng)相舟等，或劇相對兩臂強電阻的乘捕積應(yīng)相等隸。電橋平商衡條件2.扛電壓熔靈敏度應(yīng)變片吹工作時閑：電阻存值變化采很小，牢電橋相史應(yīng)輸出裁電壓也袍很小，邀一般需趴要加入放大器進行放大珍。由于放勸大器的輸縱入阻抗比藍橋路輸出翅阻抗高很有多，所以宅此時仍視章電橋為開路情況。當受應(yīng)變匆時：若應(yīng)枕變片電阻柴變化為ΔR，其它網(wǎng)橋臂固娘定不變撈，電橋加輸出電抽壓Uo≠0，藥則電橋屠不平衡域，輸出秤電壓為設(shè)橋臂比n=R2/R1，由于ΔR1<<R1，分母中民ΔR1/R1可忽略，熊并考慮旺到平衡條借件R2/R1=R4/R3，則上悉式可寫為電橋電玻壓靈敏絞度定義為分析：界①電橋攪電壓靈敏疼度正比于胞電橋供電折電壓，約供電電壓荒越高，冰電橋電壓商靈敏度越泥高，但供縮慧電電壓的通提高受到鑒應(yīng)變片允虜許功耗的嘆限制，所范以要作適篩當選擇；北②電直橋電壓蛛靈敏度閉是橋臂礦電阻比山值n的函數(shù)浩，恰當犯地選擇轎橋臂比n的值，概保證電尼橋具有杯較高的疊電壓靈牙敏度。扭？當E值確定握后，n取何值時引才能使KU最高？分析：思路：鳥dKU/dn=0劫求KU的最大值求得n=1時，KU為最大滔值。即條在供橋漸電壓確嶄定后，獸當R1=R2=R3=R4時，電拍橋電壓銀靈敏度緊最高，炭此時有結(jié)論：當電源綱電壓E和電阻橫相對變承化量ΔR1/R1一定時，策電橋的惹輸出電壓撇及其靈敏藝度也是定踏值，且與搖各橋臂電勻阻阻值大居小無關(guān)。3.斤非線性誤倦差及其補鄉(xiāng)豐償方法與ΔR1/R1的關(guān)系是非線性的，非線性誤差為理想情況（略去碰分母中縣的ΔR1/R1項）：實際情住況（保留分胃母中的ΔR1/R1項）：如果橋臂皮比n=1，唉則：例如：對于一般亞應(yīng)變片：割所受應(yīng)變ε通常在5宴000μ則以下，若我取KU=2，綢則ΔR1/R1=KUε=0.盯01，括計算得載非線性竿誤差為棄0.5閘%；若KU=130客，ε=10錫00μ時，ΔR1/R1=0.1稈30，則銹得到非線店性誤差為市6%，故乏當非線性郵誤差不能志滿足測量該要求時，鉤必須予以獨消除。圖3-美10再差動口電橋減小和膀消除非損線性誤鳴差的方楊法半橋差動：在試防件上安典裝兩個餡工作應(yīng)俊變片，呀一個受貿(mào)拉應(yīng)變壓，一個喂受壓應(yīng)漿變，達接入電通橋相鄰炭橋臂。滔該電雞橋輸出騾電壓為口若ΔR1=ΔR2，R1=R2，R3=R4，則得可知：Uo與ΔR1/R1成線性治關(guān)系，援無非線州性誤差秧，而且暑電橋電羨壓靈敏逗度KU=E/2，扇是單臂喊工作時林的兩倍培。全橋差動：電橋四栗臂接入四宅片應(yīng)變片夠，即兩個某受拉應(yīng)變丈，兩個受鬼壓應(yīng)變，泳將兩個應(yīng)哭變符號相濾同的接入途相對橋臂憑上。若ΔR1=ΔR2=ΔR3=ΔR4，且R1=R2=R3=R4，則結(jié)論：全橋差動礦電路不僅片沒有非線幻玉性誤差，春而且電壓銜靈敏度為妙單片工作貫時的4倍。3.3.闊2交昨流電橋引入原游因：由于應(yīng)陽變電橋墊輸出電忌壓很小冤，一般哨都要加欠放大器刺，而直嶄流放大罵器易于演產(chǎn)生零糟漂，因態(tài)此應(yīng)變虧電橋多傻采用交晉流電橋漏。由于供坑橋電源泳為交流鏈電源擇，引線繪分布電柳容使得蘭二橋臂禿應(yīng)變片袖呈現(xiàn)復(fù)慨阻抗非特性，漏即相當霞于兩只坑應(yīng)變片護各并聯(lián)媽了一個陰電容。圖3-鋼11憶交流頌電橋式中,C1、C2表示應(yīng)霧變片引快線分布紗電容。每一橋濟臂上復(fù)滑阻抗嬸分別為交流電象橋輸出永：電橋平征衡條件：Uo=0，即Z1Z4=Z2Z3整理可得變形為：交流電黎橋的平上衡條件（實部儲、虛部慰分別相之等）：圖3-1漠2交斜流電橋平柄衡調(diào)節(jié)當被測應(yīng)吩力變化引遼起Z1=Z10+ΔZ,Z2=Z20－ΔZ變化時叨（Z10=Z20=Z0），則電渡橋輸出為3.4謀應(yīng)苦變式傳慰感器的苗應(yīng)用應(yīng)變片勇能將應(yīng)變直接轉(zhuǎn)換成熱電阻的經(jīng)變化其他物粗理量（陰力、壓狗力、加滋速度等斜），需蛋先將這薦些量轉(zhuǎn)狼換成應(yīng)布變－彈丘性元件應(yīng)變式鄉(xiāng)豐傳感器炭的組成夸：彈性泄元件、甩應(yīng)變片芹、附件對（補償秒元件、央保護罩工等）3.4.陳1應(yīng)插變式力傳裹感器被測物理磨量：荷重穿或力主要用揮途：作備為各種想電子稱慕與材料扁試驗機焰的測力敬元件、杠發(fā)動扁機的推儉力測試皺、水帶壩壩體粗承載狀岡況監(jiān)測濃等。奸力傳感凝器的彈經(jīng)性元件爪：柱式襖、筒式貴、環(huán)式室、懸臂討式等圖3-1足3圓柱怎（筒）式道力傳感器占（a）治柱式；（芬b）筒揪式；（c群）圓柱露面展開圖叉；（d）揉橋路連隊線圖1.砍柱（秋筒）式陸力傳感艦器2.軍環(huán)式力胸傳感器圖3-殿14乳環(huán)式力桑傳感器(a)扒環(huán)式傳感岡器結(jié)構(gòu)圖鞠；(b旗)應(yīng)力廣分布對R/h>5的秋小曲率餓圓環(huán)：A、B兩點的應(yīng)贊變。這樣，控測出A、B處的應(yīng)愿變，敢即可得衫到載荷F。內(nèi)貼取興“一”內(nèi)貼取局“＋”式中：h——圓靠環(huán)厚度煙；b——圓環(huán)撤寬度；E——材色料彈性原模量。策3.4.錄2應(yīng)售變式壓力繩傳感器主要用宅來測量俱流動介棉質(zhì)的動程態(tài)或靜筍態(tài)壓力應(yīng)變片壓洋力傳感器籮大多采用報膜片式或符筒式彈性據(jù)元件。聰在壓力p作用下材，膜片直產(chǎn)生徑變向應(yīng)變εr和切向迫應(yīng)變εt，表達膊式分別旺為圖3-1別5膜鴿片式壓力廉傳感器（a）沖應(yīng)變變化較圖;楊（b）剖應(yīng)變片粘迫貼應(yīng)變變棋化曲線爹的特點：當x=0時，εrma逆x=εtmax；當x=R時，εt=0，εr=－2εrmax。特點的應(yīng)卸用：一般在萄平膜片圓慌心處切向菊粘貼R1、R4兩個應(yīng)變伙片，在趨邊緣處沿睛徑向粘貼R2、R3兩個應(yīng)變?nèi)衅?/p>