《傳感器檢測技術(shù)》課件-第二章力檢測技術(shù)

傳感器與檢測技術(shù)2.2壓電式傳感器2.1電阻應(yīng)變式傳感器第二章力檢測技術(shù)2.1.3彈性敏感元件1、變換力的彈性敏感元件2.1.3彈性敏感元件2、變換壓力的彈性敏感元件2.1.3彈性敏感元件在傳感器工作過程中，用彈性元件把各種形式的物理量轉(zhuǎn)換成形變，再由電阻應(yīng)變計等轉(zhuǎn)換元件將形變轉(zhuǎn)換成電量。所以，彈性元件是傳感器技術(shù)中應(yīng)用最廣泛的元件之一。彈性元件結(jié)構(gòu)形式分為柱形、筒形、環(huán)形、梁式、輪輻式等幾種形式。圖1變換力的彈性敏感元件1、變換力的彈性敏感元件2.1.3彈性敏感元件圖2變換壓力的彈性敏感元件2.1.3彈性敏感元件2、變換壓力的彈性敏感元件懸臂梁懸臂梁是一端固定另一端自由的彈性敏感元件，結(jié)構(gòu)簡單、加工方便，應(yīng)用在較小力的測量中。懸臂梁可分為等截面梁和等強度梁。2.1.3彈性敏感元件

圖3等截面懸臂梁圖4等強度懸臂梁2.1.3彈性敏感元件2.1.3彈性敏感元件2.1.4電阻應(yīng)變式傳感器的測量電路1、直流電橋工作原理2.1.4電阻應(yīng)變式傳感器的測量電路2、交流電橋工作原理1、直流電橋工作原理2.1.4電阻應(yīng)變式傳感器的測量電路當(dāng)R1R4=R2R3時，電橋平衡。2.1.4電阻應(yīng)變式傳感器的測量電路電阻應(yīng)變片測量電橋初始條件為：（1）應(yīng)變片單臂工作直流電橋圖1單臂工作直流電橋（2）應(yīng)變片雙臂直流電橋（半橋）2.1.4電阻應(yīng)變式傳感器的測量電路半橋電路中把兩只應(yīng)變片接入電橋的相鄰兩支橋臂。根據(jù)被測試件的受力情況，一個受拉，一個受壓。圖2雙臂直流電橋（3）應(yīng)變片直流全橋電路2.1.4電阻應(yīng)變式傳感器的測量電路直流電橋輸出電壓與被測應(yīng)變量呈線性關(guān)系，而在相同條件下（供電電源和應(yīng)變片的型號不變），半橋差動輸出是單臂輸出的2倍，全橋差動電路輸出電壓達到單臂輸出的4倍，即全橋工作時，輸出電壓最大，檢測的靈敏度最高。圖3直流全橋電路2、交流電橋工作原理2.1.4電阻應(yīng)變式傳感器的測量電路引入原因：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。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)于兩只應(yīng)變片各并聯(lián)了一個電容。2.1.4電阻應(yīng)變式傳感器的測量電路式中,C1、C2表示應(yīng)變片引線分布電容。電橋平衡條件：Uo=0，即：Z1Z4=Z2Z3

2.1.4電阻應(yīng)變式傳感器的測量電路變形為：交流電橋的平衡條件（實部、虛部分別相等）：2.1.5溫度誤差及其補償1、溫度誤差2.1.5溫度誤差及其補償2、溫度補償方法1、電阻應(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。2.1.5溫度誤差及其補償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0時的電阻值；α0——金屬絲的電阻溫度系數(shù)；Δt——溫度變化值。當(dāng)溫度變化Δt時，電阻絲電阻的變化值為：2.1.5溫度誤差及其補償ΔRα=Rt-R0=R0α0Δt

Rt=R0(1+α0Δt)2)試件材料和電阻絲材料的線膨脹系數(shù)的影響當(dāng)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(dāng)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：2.1.5溫度誤差及其補償ls=l0(1+βsΔt)lg=l0(1+βgΔt)

當(dāng)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：2.1.5溫度誤差及其補償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（1）單絲自補償應(yīng)變片

應(yīng)變片在溫度變化時電阻誤差為零的條件是:2.1.5溫度誤差及其補償選擇合適的敏感柵材料，可達到溫度自補償。單絲自補償應(yīng)變片的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，制造和使用都比較方便，但它必須在具有一定線膨脹系數(shù)材料的試件上使用，否則不能達到溫度補償?shù)哪康?，因此局限性很大。?）雙絲組合式自補償應(yīng)變片由兩種電阻溫度系數(shù)符號不同（一個為正，一個為負）的電阻絲材料組成。將兩者串聯(lián)繞制成敏感柵，若兩段敏感柵電阻R1和R2由于溫度變化而產(chǎn)生的電阻變化分別為ΔR1t和ΔR2t，其大小相等而符號相反，就可以實現(xiàn)溫度補償。2.1.5溫度誤差及其補償（3）橋式電路補償法測量應(yīng)變時使用兩個應(yīng)變片，一個是工作應(yīng)變片，另一個是補償應(yīng)變片。工作應(yīng)變片貼在被測試件的表面，補償應(yīng)變片貼在與被測試件材料相同的補償塊上。2.1.5溫度誤差及其補償

電路分析：g為由橋臂電阻和電源電壓決定的常數(shù)。由上式可知