演示文稿應(yīng)變式傳感器

演示文稿應(yīng)變式傳感器當(dāng)前第1頁\共有64頁\編于星期二\10點（優(yōu)選）應(yīng)變式傳感器當(dāng)前第2頁\共有64頁\編于星期二\10點第3章應(yīng)變式傳感器概述：各種電子秤廣泛應(yīng)用于－當(dāng)前第3頁\共有64頁\編于星期二\10點第3章應(yīng)變式傳感器概述

高精度電子汽車衡

動態(tài)電子秤電子天平當(dāng)前第4頁\共有64頁\編于星期二\10點第3章應(yīng)變式傳感器概述

機械秤包裝機吊秤當(dāng)前第5頁\共有64頁\編于星期二\10點第3章應(yīng)變式傳感器概述

應(yīng)變式傳感器作為測力的主要傳感器，測力范圍小到肌肉纖維，大到登月火箭，精確度可到0.01—0.1%。特點:結(jié)構(gòu)簡單、精度高、測量范圍廣、體積小、特性好。是目前測量力、力矩、壓力、加速度等物理量應(yīng)用最廣泛的傳感器之一。當(dāng)前第6頁\共有64頁\編于星期二\10點第3章應(yīng)變式傳感器3.1電阻應(yīng)變片原理

（1）應(yīng)變效應(yīng)導(dǎo)體和半導(dǎo)體材料在受到外界力（拉力或壓力）作用時，產(chǎn)生機械變形，機械變形導(dǎo)致其阻值變化，這種因形變而使其阻值發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為“應(yīng)變效應(yīng)”.下面以金屬絲應(yīng)變片為例，介紹它的應(yīng)變效應(yīng)。一根金屬絲長度為L，截面積為A，電阻率為ρ其電阻R為：當(dāng)前第7頁\共有64頁\編于星期二\10點對式進行全微分可得：

電阻的相對變化量：

若電阻絲是圓形的則截面積：

對微分：

3.1電阻應(yīng)變片原理

（1）應(yīng)變效應(yīng)當(dāng)前第8頁\共有64頁\編于星期二\10點上式表示：電阻的相對變化量。它是與電阻率的相對變化量、長度的相對變化量、及半徑的相對變化量有關(guān)的一個量，它是所有參數(shù)變化量的代數(shù)和。由材料力學(xué)知識可得：

（金屬絲的軸向應(yīng)變量）

（金屬絲的徑向應(yīng)變量）

在彈性范圍內(nèi)，金屬絲受拉力時，沿軸向伸長，沿徑向縮短。軸向和徑向應(yīng)變的關(guān)系可表示為：

：金屬材料的泊松系數(shù)

當(dāng)前第9頁\共有64頁\編于星期二\10點

稱為金屬絲的應(yīng)變靈敏系數(shù)。其物理意義是單位應(yīng)變所引起的電阻相對變化，靈敏系數(shù)受兩個因素的影響，一個是受力后材料幾何尺寸的變化（）；另一個是，受力后材料的電阻率發(fā)生的變化()。對于確定的材料，()項是常數(shù)，其數(shù)值在1—2之間，實驗證明也是個常數(shù)。

當(dāng)前第10頁\共有64頁\編于星期二\10點3.1電阻應(yīng)變片原理

（1）應(yīng)變效應(yīng)dR/R=Kε:表示金屬電阻絲在產(chǎn)生應(yīng)變效應(yīng)時,應(yīng)變ε與電阻變化率是成線性關(guān)系。

金屬材料：K以前者為主，則k≈1+2μ=1~2半導(dǎo)體：K值主要是由電阻率相對變化所決定1με=1×10-6

ε

應(yīng)變是表征物體受外力作用時產(chǎn)生相對變形大、小的無量綱物理量。設(shè)物體原長為L受力后產(chǎn)生ΔL的形變，相應(yīng)的應(yīng)變?yōu)棣?。?dāng)前第11頁\共有64頁\編于星期二\10點第3章應(yīng)變式傳感器3.1電阻應(yīng)變片原理

（2）壓阻效應(yīng)和壓阻式傳感器

半導(dǎo)體應(yīng)變片又稱壓阻式傳感器優(yōu)點：靈敏度高、耗電少、有正負兩種應(yīng)力效應(yīng)。缺點：受溫度影響較大。

半導(dǎo)體材料的靈敏系數(shù)Ｋ主要由壓阻效應(yīng)引起的電阻率ρ的變化；靈敏系數(shù)遠大于金屬應(yīng)變片的靈敏系數(shù)。

對半導(dǎo)體

已知受力引起的電阻變化為：

當(dāng)前第12頁\共有64頁\編于星期二\10點3.1電阻應(yīng)變片原理

（3）應(yīng)力

用應(yīng)變片測量應(yīng)變或應(yīng)力時,根據(jù)上述特點,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,當(dāng)測得應(yīng)變片電阻值變化量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式中:σ——試件的應(yīng)力;ε——試件的應(yīng)變;E——試件材料的彈性模量。

橫截面積為A的物體（金屬絲）受到外力F的作用，并處于平衡狀態(tài)時，物體在單位面積上引起的內(nèi)力稱為應(yīng)力σ。則σ=F/A。當(dāng)前第13頁\共有64頁\編于星期二\10點3.1電阻應(yīng)變片原理

由此可知,應(yīng)力值σ正比于應(yīng)變ε,而試件應(yīng)變ε正比于電阻值的變化,所以應(yīng)力σ正比于電阻值的變化,這就是利用應(yīng)變片測量應(yīng)變的基本原理。彈性敏感元件應(yīng)變位移、力、力矩、加速度、壓力當(dāng)前第14頁\共有64頁\編于星期二\10點金屬應(yīng)變片結(jié)構(gòu)：

敏感柵——高阻金屬絲、金屬箔基片——絕緣材料蓋片——保護層第3章應(yīng)變式傳感器

3.2應(yīng)變片的種類、材料及粘貼當(dāng)前第15頁\共有64頁\編于星期二\10點主要有金屬電阻應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片兩大類。金屬電阻應(yīng)變片：絲式、箔式兩種。絲式應(yīng)變片如圖所示，它是將金屬絲按圖示形狀彎曲后用粘合劑貼在襯底上而成,電阻絲兩端有引出線，使用時只要將應(yīng)變片貼于彈性體上就可構(gòu)成應(yīng)變式傳感器。第3章應(yīng)變式傳感器

3.2應(yīng)變片的種類、材料及粘貼a）絲式c）半導(dǎo)體b）箔式當(dāng)前第16頁\共有64頁\編于星期二\10點第3章應(yīng)變式傳感器

3.2應(yīng)變片的種類、材料及粘貼

對敏感柵的材料的要求：①應(yīng)變靈敏系數(shù)大，并在所測應(yīng)變范圍內(nèi)保持為常數(shù)；②電阻率高而穩(wěn)定，以便于制造小柵長的應(yīng)變片③電阻溫度系數(shù)要小；④易于焊接，對引線材料的熱電勢?。虎菁庸ば阅芰己?易于拉制成絲或軋壓成箔材；當(dāng)前第17頁\共有64頁\編于星期二\10點第3章應(yīng)變式傳感器

3.2應(yīng)變片的種類、材料及粘貼粘貼劑用于將敏感柵固定于基底上，并將蓋片與基底粘貼在一起。使用金屬應(yīng)變片時，也需用粘結(jié)劑將應(yīng)變片基底粘貼在構(gòu)件表面某個方向和位置上。以便將構(gòu)件受力后的表面應(yīng)變傳遞給應(yīng)變計的基底和敏感柵。常用的粘結(jié)劑分為有機和無機兩大類。有機粘結(jié)劑用于低溫、常溫和中溫。常用的有聚丙烯酸酯、酚醛樹脂、有機硅樹脂，聚酰亞胺等。無機粘結(jié)劑用于高溫，常用的有磷酸鹽、硅酸、硼酸鹽等。當(dāng)前第18頁\共有64頁\編于星期二\10點（1）應(yīng)變片的靈敏系數(shù)

金屬絲做成應(yīng)變片后電阻應(yīng)變特性與單根金屬絲不同；實驗證明，應(yīng)變片靈敏系數(shù)K<K0電阻絲靈敏系數(shù)，產(chǎn)品的靈敏系數(shù)稱“標(biāo)稱靈敏系數(shù)”。第3章應(yīng)變式傳感器

3.3電阻應(yīng)變片的特性（2）橫向效應(yīng).

直線電阻絲繞成敏感柵后，雖然長度相同，但應(yīng)變不同，園弧部分使靈敏系數(shù)K↓下降，這種現(xiàn)象稱為橫向效應(yīng)。當(dāng)前第19頁\共有64頁\編于星期二\10點當(dāng)前第20頁\共有64頁\編于星期二\10點(3).應(yīng)變計電阻值R

應(yīng)變計在未安裝也不受外力的情況下,于室溫時測得的電阻值。這是使用應(yīng)變計時應(yīng)知道的一個參數(shù)。國內(nèi)應(yīng)變計系列習(xí)慣上選用60、120、175、350、500、1000、1500Ω。第3章應(yīng)變式傳感器

3.3電阻應(yīng)變片的特性可以加大應(yīng)變片承受電壓輸出信號大敏感柵尺寸也增大電阻值大當(dāng)前第21頁\共有64頁\編于星期二\10點第3章應(yīng)變式傳感器

3.3電阻應(yīng)變片的特性當(dāng)前第22頁\共有64頁\編于星期二\10點第3章應(yīng)變式傳感器

3.3電阻應(yīng)變片的特性由溫度變化而引起應(yīng)變片電阻的變化為：（3）應(yīng)變片的溫度誤差及補償

折合成附加應(yīng)變?yōu)椋寒?dāng)前第23頁\共有64頁\編于星期二\10點第3章應(yīng)變式傳感器

3.3電阻應(yīng)變片的特性應(yīng)變片安裝在自由膨脹的試件上，如果環(huán)境溫度變化，應(yīng)變片的電阻也會變化，這種變化疊加在測量結(jié)果中稱應(yīng)變片溫度誤差。應(yīng)變片溫度誤差來源有下面幾個因素：

α0——應(yīng)變片本身電阻溫度系數(shù)影響；

βgβS——試件材料和敏感柵材料的線膨脹系數(shù)不同所產(chǎn)生的影響因環(huán)境溫度的變化Δt

應(yīng)變片本身的性能參數(shù)K0（3）應(yīng)變片的溫度誤差及補償

當(dāng)前第24頁\共有64頁\編于星期二\10點（3）應(yīng)變片溫度誤差及補償

溫度補償方法有：電橋線路補償、自補償、輔助測量補償、熱敏電阻補償、計算機補償?shù)取?/p>

線路補償：第3章應(yīng)變式傳感器

3.3電阻應(yīng)變片的特性當(dāng)前第25頁\共有64頁\編于星期二\10點若要實現(xiàn)完全補償，必須滿足以下條件：1）在應(yīng)變片工作過程中，保證R3=R22）R1和RB具有相同的溫度系數(shù)、線膨脹系和初始電阻值3）粘貼補償片的補償塊和被測試件材料必須一樣，線膨脹系數(shù)相同4）兩應(yīng)變片處于同一溫度場第3章應(yīng)變式傳感器

3.3電阻應(yīng)變片的特性（3）應(yīng)變片溫度誤差及補償

當(dāng)前第26頁\共有64頁\編于星期二\10點優(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。當(dāng)前第27頁\共有64頁\編于星期二\10點（3）應(yīng)變片溫度誤差及補償

自補償方法

第3章應(yīng)變式傳感器

3.3電阻應(yīng)變片的特性這種溫度補償法是利用自身具有溫度補償作用的應(yīng)變片,稱之為溫度自補償應(yīng)變片。溫度自補償應(yīng)變片的工作原理可由εt折合成附加應(yīng)變公式得出,要實現(xiàn)溫度自補償,必須滿足：

α0=-K0（βg-βs）當(dāng)前第28頁\共有64頁\編于星期二\10點應(yīng)變片主要性能指標(biāo)舉例當(dāng)前第29頁\共有64頁\編于星期二\10點輔助測溫元件微型計算機補償法第3章應(yīng)變式傳感器

3.3電阻應(yīng)變片的特性（3）應(yīng)變片溫度誤差及補償

基本思想是在傳感器內(nèi)靠近敏感測量元件處安裝一個測溫元件,用以檢測傳感器所在環(huán)境的溫度。常用的測溫元件有半導(dǎo)體熱敏電阻以及PN結(jié)二極管等等。測溫元件的輸出經(jīng)放大及A/D轉(zhuǎn)換送到計算機,當(dāng)前第30頁\共有64頁\編于星期二\10點第3章應(yīng)變式傳感器

3.4電阻應(yīng)變片的測量電路.如某傳感器彈性元件在額定載荷下產(chǎn)生應(yīng)變1000με，應(yīng)變片的電阻值為120Ω，靈敏度系數(shù)K=2，則電阻的相對變化量為：電阻變化率只有0.2%。這樣小的電阻變化，用一般測量電阻的儀表很難直接測出來，必須把電阻的變化轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化。完成這個作用的電路稱為測量電路，最常用的電路為電橋電路.當(dāng)前第31頁\共有64頁\編于星期二\10點1.直流電橋

①直流電橋的平衡條件負載RL—∞（開路）電橋平衡時U0=0相對臂阻值乘積相等相鄰臂阻值比相等第3章應(yīng)變式傳感器

3.4電阻應(yīng)變片的測量電路當(dāng)前第32頁\共有64頁\編于星期二\10點②

電壓靈敏度：電阻應(yīng)變片接入電橋電路通常有以下幾種接法：如果電橋一個臂接入應(yīng)變片，其它三個臂采用固定電阻，稱為單臂工作電橋；如果電橋兩個臂接入應(yīng)變片稱為雙臂工作電橋,又稱為半橋形式；如果四個臂都接入應(yīng)變片稱為全橋形式。以第一橋臂R1由應(yīng)變片來代替，組成的單臂工作電橋為例進行分析。初始平衡：平衡條件：第3章應(yīng)變式傳感器

3.4電阻應(yīng)變片的測量電路當(dāng)前第33頁\共有64頁\編于星期二\10點

不考慮環(huán)境溫度的影響則有:當(dāng)工作應(yīng)變片R1產(chǎn)生一個ΔR1

則：

第3章應(yīng)變式傳感器

3.4電阻應(yīng)變片的測量電路②電壓靈敏度：當(dāng)前第34頁\共有64頁\編于星期二\10點因為忽略分母中的，設(shè)橋臂比并考慮到起始平衡條件，從上面U0

公式可得下式

電橋電壓靈敏度定義為：

①電橋的靈敏度Ku

正比于供橋電壓E。②電橋的靈敏度Ku

是橋臂比的函數(shù)。當(dāng)前第35頁\共有64頁\編于星期二\10點第3章應(yīng)變式傳感器

3.4電阻應(yīng)變片的測量電路②電壓靈敏度：當(dāng)供橋電壓E確定后，由求得n=1時，Ku為最大。即：在當(dāng)供橋電壓E確定后，當(dāng)R1=R2、R3=R4

時，電橋的靈敏度最高。當(dāng)前第36頁\共有64頁\編于星期二\10點將n=1代入公式得：

由上面分析可知：當(dāng)電源電壓Ｅ和電阻相對變化△Ｒ／Ｒ一定時，電橋的輸出電壓及靈敏度也是定值，且與各橋臂阻值大小無關(guān)。

差動形式的半橋和全橋線路的電壓靈敏度：

差動半橋電路——使一個應(yīng)變片受拉、一個應(yīng)變片受壓，則應(yīng)變符號相反；將這兩個應(yīng)變片接入電橋的相鄰臂上，作為電橋的工作臂，另兩個橋臂為固定電阻。以等臂橋為例，且初始狀態(tài)和單臂橋相同。當(dāng)前第37頁\共有64頁\編于星期二\10點差動半橋輸出電壓U0

為：

如果：

則：

由上式可知，U0

與成線性關(guān)系，差動電橋無非線性誤差。而且電壓靈敏度比使用一只應(yīng)變片提高

了一倍，同時可以起到溫度補償?shù)淖饔?。?章應(yīng)變式傳感器

3.4電阻應(yīng)變片的測量電路②電壓靈敏度：當(dāng)前第38頁\共有64頁\編于星期二\10點

若將電橋四臂接入四片應(yīng)變片如

圖所示，兩個受拉，兩個受壓，將

兩個應(yīng)變符號相同的接入相對臂上，

則構(gòu)成全橋差動電路。

若：

則：

電壓靈敏度比單臂提高了四倍，比半橋差動電路提高了一倍。第3章應(yīng)變式傳感器

3.4電阻應(yīng)變片的測量電路②電壓靈敏度：當(dāng)前第39頁\共有64頁\編于星期二\10點③非線性誤差及其補償方法

設(shè)橋路輸出電壓為U,0

，忽略分母中項的輸出電壓為，則：

則非線性誤差為（R1=R2=R3=R4）第3章應(yīng)變式傳感器

3.4電阻應(yīng)變片的測量電路當(dāng)前第40頁\共有64頁\編于星期二\10點對于一般應(yīng)變片來說，所受的應(yīng)變經(jīng)常在以下。若取靈敏度系數(shù)K=2，則:

代入rL式中：

rL=0.01/(1+0.01+1)=0.01/2.01≈0.005

即rL=0.5%

如半導(dǎo)體應(yīng)變片當(dāng)承受時，代入到rL公式，則rL=6%(誤差過大).

所以對半導(dǎo)體應(yīng)變片的測量電路要作特殊處理，才能減小非線性誤差。當(dāng)前第41頁\共有64頁\編于星期二\10點③非線性誤差及其補償方法為了減小或消除非線性誤差可采用下列措施提高橋臂比：n=R2/R1n增大rL

誤差減小，但是橋路電壓靈敏度下降；為了保證橋路電壓靈敏度不下降。可以適當(dāng)提高供橋電源電壓。采用差動測量當(dāng)前第42頁\共有64頁\編于星期二\10點①時，單臂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。說明：④電橋供電電壓E越高，輸出電壓U0越大。但是，當(dāng)E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。當(dāng)前第43頁\共有64頁\編于星期二\10點第3章應(yīng)變式傳感器

3.4電阻應(yīng)變片的測量電路

根據(jù)直流電橋分析可知,由于應(yīng)變電橋輸出電壓很小,一般都要加放大器,而直流放大器易于產(chǎn)生零漂,因此應(yīng)變電橋多采用交流電橋。2.交流電橋

圖為交流電橋,為交流電壓源,開路輸出電壓為由于供橋電源為交流電源,引線分布電容使得二橋臂應(yīng)變片呈現(xiàn)復(fù)阻抗特性,即相當(dāng)于二只應(yīng)變片各并聯(lián)了一個電容,則每一橋臂上復(fù)阻抗分別為：當(dāng)前第44頁\共有64頁\編于星期二\10點第3章應(yīng)變式傳感器

3.4電阻應(yīng)變片的測量電路2.交流電橋

交流電橋輸出特征方程：

當(dāng)前第45頁\共有64頁\編于星期二\10點第3章應(yīng)變式傳感器

3.4電阻應(yīng)變片的測量電路2.交流電橋

交流電橋的不平衡狀態(tài)①單臂交流電橋②半橋差動電路③全橋差動電路當(dāng)前第46頁\共有64頁\編于星期二\10點第3章應(yīng)變式傳感器

3.4電阻應(yīng)變片的測量電路交流電橋平衡調(diào)節(jié)電阻調(diào)平橋路：a）串聯(lián)法b）并聯(lián)法電容調(diào)平橋中；c）差動法d）阻容法當(dāng)前第47頁\共有64頁\編于星期二\10點

應(yīng)變效應(yīng)的應(yīng)用十分廣泛。它可以測量應(yīng)變應(yīng)力、彎矩、扭矩、加速度、位移等物理量。電阻應(yīng)變片的應(yīng)用可分為兩大類：第一類是將應(yīng)變片粘貼于某些彈性體上，并將其接到測量轉(zhuǎn)換電路，這樣就構(gòu)成測量各種物理量的專用應(yīng)變式傳感器。應(yīng)變式傳感器中，敏感元件一般為各種彈性體，傳感元件就是應(yīng)變片，測量轉(zhuǎn)換電路一般為橋路；第二類是將應(yīng)變片貼于被測試件上，然后將其接到應(yīng)變儀上就可直接從應(yīng)變儀上讀取被測試件的應(yīng)變量。第3章應(yīng)變式傳感器

3.5應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用當(dāng)前第48頁\共有64頁\編于星期二\10點第3章應(yīng)變式傳感器

3.5應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用當(dāng)前第49頁\共有64頁\編于星期二\10點斜拉橋上的斜拉繩應(yīng)變測試

材料應(yīng)變的測量當(dāng)前第50頁\共有64頁\編于星期二\10點第3章應(yīng)變式傳感器

3.5應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用2）如果要測量其它物理量，如力、位移、加速度等參數(shù)。就需要先將這些物理量轉(zhuǎn)換成應(yīng)變量，然后再用應(yīng)變片的工作原理進行測量。比直接測量時多了一個轉(zhuǎn)換過程，完成這種轉(zhuǎn)換的元件通常稱為彈性元件。彈性元件將被測物理量轉(zhuǎn)換為成正比變化的應(yīng)變，再通過應(yīng)變片轉(zhuǎn)換為電阻變化輸出。薄壁圓筒等截面懸臂梁等強度懸臂梁波紋管波紋膜片膜片等截面圓環(huán)薄壁圓筒彈簧管當(dāng)前第51頁\共有64頁\編于星期二\10點第3章應(yīng)變式傳感器

3.5應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用

應(yīng)變式傳感器的典型應(yīng)用見下圖。圖中所示為加速度傳感器，由懸臂梁、質(zhì)量塊、基座組成。測量時，基座固定在振動體上，當(dāng)被測體振動時，振動加速度使質(zhì)量塊產(chǎn)生慣性力，懸臂梁則相當(dāng)于慣性系統(tǒng)的“彈簧”，也就是我們前面介紹的彈性元件。應(yīng)變片是粘貼在懸臂梁上，在慣性力作用下懸臂梁產(chǎn)生彎曲變形。因此，梁的應(yīng)變在一定的頻率范圍內(nèi)與振動體的加速度成正比。當(dāng)前第52頁\共有64頁\編于星期二\10點結(jié)構(gòu)如圖：它由端部固定并帶有慣性質(zhì)量塊的懸臂梁及粘貼在梁根部的應(yīng)變片和殼體等組成。梁和質(zhì)量塊的周圍充滿阻尼液（硅油），用以產(chǎn)生必要的阻尼。是一種慣性式傳感器。測量時，根據(jù)所測振動體加速度的方向，把傳感器固定在被測部位。當(dāng)被測點的加速度沿圖中箭頭所示方向時，懸臂梁自由端受慣性力F=ma的作用.3.5應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用

應(yīng)變式加速度傳感器

a當(dāng)前第53頁\共有64頁\編于星期二\10點第3章應(yīng)變式傳感器

3.5應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用梁式彈性元件位移傳感器當(dāng)前第54頁\共有64頁\編于星期二\10點柱（筒）力式傳感器如圖：這是圓柱式力傳感器的彈性元件（分為實心和空心兩種）。將應(yīng)變片粘貼在柱狀的試件上，在軸向布置一個或幾個應(yīng)變片，在圓周方向布置同樣數(shù)目的應(yīng)變片