应变式传感器的基本知识课件

应变式传感器应变式传感器 Exit 应变式传感器第2章 电阻式传感器Exit1应变式电阻传感器应变式电阻传感器 2.1 工作原理工作原理 2.2 2.2 电阻应变片的重要特性电阻应变片的重要特性电阻应变片的重要特性电阻应变片的重要特性2.3 电阻应变片的温度误差及补偿电阻应变片的温度误差及补偿 2.4 电阻应变片的测量电路电阻应变片的测量电路2.5 应变式传感器的应用应变式传感器的应用 应变式电阻传感器 2.1 工作原理2+-DCDC +6V+6V +R R A A 实验一实验一应变效应 因为：因为：因为：因为：金属导体或半导体金属导体或半导体的电阻与其电阻率及几何尺的电阻与其电阻率及几何尺寸（长度、面积）有关，当寸（长度、面积）有关，当其受到外力作用时，这些参其受到外力作用时，这些参数发生变化，因而引起其的数发生变化，因而引起其的电阻的变化，进而引电阻的变化，进而引 起电流起电流的变化。的变化。原理：原理：原理：原理：金属导体或半金属导体或半导体在受到外力作用时，导体在受到外力作用时，会产生相应的应变，其会产生相应的应变，其电阻也将随之发生变化。电阻也将随之发生变化。K电流电流:小小大大施加力施加力F F?RK K接通时接通时安培表指示安培表指示安培表变化安培表变化电阻：大电阻：大小小让我们来做个应变效让我们来做个应变效应的实验应的实验 Go!Go!+-DC +R A 实验一应变效应 3荷重传感器原理演示荷重传感器原理演示 荷重传感器上的应变片在重力作用下产生变形。轴荷重传感器上的应变片在重力作用下产生变形。轴向变短，径向变长。向变短，径向变长。4.3 电阻应变式传感器电阻应变式传感器 荷重传感器原理演示 荷重传感器上的应变片在重力作用下产4例例2-2 2-2 梁式力传感器梁式力传感器 例2-2 梁式力传感器 52.1工作原理工作原理应变应变物体在外部压力或拉力作用下发生形变的现物体在外部压力或拉力作用下发生形变的现象象弹性应变弹性应变当外力去除后，物体能够完全恢复其尺寸和当外力去除后，物体能够完全恢复其尺寸和形状的应变形状的应变弹性元件弹性元件具有弹性应变特性的物体具有弹性应变特性的物体2.1工作原理应变6应变式传感器概述应变式传感器概述是利用电阻应变片电阻应变片将应变转换为电阻值变化的传感器工作原理：当被测物理量作用于弹性元件上，弹性元件弹性元件在力、力矩或压力等的作用下发生变形，产生相应的应变或位移，然后传递给与之相连的应变片应变片，引起应变片的电阻值变化，通过测量电路变成电量输出。输出的电量大小反映被测量的大小。结构：应变式传感器由弹性元件弹性元件上粘贴电阻应变片电阻应变片构成应用：广泛用于力、力矩、压力、加速度、重量力、力矩、压力、加速度、重量等参数的测量应变式传感器概述是利用电阻应变片将应变转换为电阻值变化的传感7应变效应分析应变效应分析 电阻应变片的工作原理是基于电阻应变片的工作原理是基于应变效应应变效应即即导导体体或或半半导导体体材材料料在在外外界界力力的的作作用用下下产产生生机机械械变变形形时时，其其电电阻阻值值相相应应发发生生变变化，化，这种现象称为这种现象称为“应变效应应变效应”。应变效应分析 电阻应变片的工作原理是基于应变效应8一根金属电阻丝，在其未受力时，原始电阻值为：一根金属电阻丝，在其未受力时，原始电阻值为：一根金属电阻丝，在其未受力时，原始电阻值为：9 当当电电阻阻丝丝受受到到拉拉力力F作作用用时时，将将伸伸长长l，横横截截面面积积相相应应减减小小A，电电阻阻率率因因材材料料晶晶格格发发生生变变形形等等因因素素影影响而改变了响而改变了，从而引起，从而引起电阻值变化量电阻值变化量为为 式中：dl/l长度相对变化量长度相对变化量 电阻相对变化量：电阻相对变化量：当电阻丝受到拉力F作用时，将伸长l，横截10 定义：应应变变片片的的灵灵敏敏系系数数（物理意义）：单位应变所引起的电阻相对变化量。其表达式为 定义：应变片的灵敏系数（物理意义）：单位应变11课堂作业：课堂作业：p52 第3题 课堂作业：p52 第3题 12灵敏系数K受两个因素影响一是应变片受力后材料几何尺寸的变化二是应变片受力后材料的电阻率发生的变化大量实验证明，在电阻丝拉伸极限内，电阻的相对变化与应变成正比，即K为常数。灵敏系数K受两个因素影响一是应变片受力后材料几何尺寸的变化13应变片的基本结构应变片的基本结构 电阻应变片式传感器是电阻应变片式传感器是目前用于测量力、力矩、压目前用于测量力、力矩、压力、加速度、质量等参数最力、加速度、质量等参数最广泛的传感器之一。广泛的传感器之一。电阻丝电阻丝(敏感栅敏感栅)转换元件转换元件基底与面胶基底与面胶中间介质和绝缘作用中间介质和绝缘作用盖层盖层引线引线-连接测量导线之用连接测量导线之用应变片的基本结构 电阻应变片式传感器是目前用于测14箔式应变片箔式应变片原理：原理：它是利用照相制版或光刻腐蚀法将电阻箔材在绝缘基底上制成各种图形的应变片；优点优点：敏感栅尺寸准确，线条均匀；其弯头横向效应可以忽略；可通过较大的电流；散热性好，寿命长；生产效率高；箔式应变片15常用应变片一常用应变片一常用应变片一16常用应变片二常用应变片二常用应变片二17常用应变片三常用应变片三常用应变片三18金属应变计金属应变计金属应变计192 2半导体应变片半导体应变片 半半导导体体应应变变片片的的工工作作原原理理是是基基于于半半导导体体材材料料的的压压阻阻效效应应而而制制成成的的一一种种纯纯电电阻阻性性元元件件。当当半半导导体体材材料料某某一一轴轴向向受受外外力力作作用用时时，其其电电阻率阻率会发生变化。会发生变化。当半导体应变片受轴向力作用时，其电阻相当半导体应变片受轴向力作用时，其电阻相对变化为对变化为 :2半导体应变片 半导体应变片的工作原理是基于半导体材料的压20 半半导导体体应应变变片片的的灵灵敏敏系系数数比比金金属属丝丝式式高高50508080倍倍，但但半半导导体体材材料料的的温温度度系系数数大大，应应变变时时非非线线性性比比较较严严重重，使使它它的的应应用用范范围受到一定的限制。围受到一定的限制。半导体应变片的灵敏系数比金属丝式高5080倍，但半导21半半导导体体应应变变片片的的突突出出优优点点是是体体积积小小，灵灵敏敏度度高高，频频率率响响应应范范围围宽宽，输输出出幅幅值值大大，不不需需要要放放大大器器，可可直直接接与与记记录录仪仪连连接接，使使测测量量系系统统简简单单。但但其其温度系数大，应变时非线性较严重。温度系数大，应变时非线性较严重。半导体应变片的突出优点是体积小，灵敏度高，频率响应范围宽，输22 思考思考应变式力传感器的工作原理：弹簧钢制成的梁形元件应变式力传感器的工作原理：弹簧钢制成的梁形元件右端固定，在梁的上下表面各贴一个应变片，在梁的右端固定，在梁的上下表面各贴一个应变片，在梁的自由端施力自由端施力F，则梁发生弯曲，上表面拉伸，下表面，则梁发生弯曲，上表面拉伸，下表面压缩，上表面应变片的电阻变大，下表面的电阻变小压缩，上表面应变片的电阻变大，下表面的电阻变小F越大，弯曲形变越大，应变片的阻值变化就越大越大，弯曲形变越大，应变片的阻值变化就越大如果让应变片中通过的电流保持恒定，则上面应变如果让应变片中通过的电流保持恒定，则上面应变片两端的电压变大，下面应变片两端的电压变小因片两端的电压变大，下面应变片两端的电压变小因此可得，外力越大，输出的电压差值也就越大此可得，外力越大，输出的电压差值也就越大 思考应变式力传感器的工作原理：弹簧钢制成的梁形23 思考思考应变力传感器：它能够把机械变形转换成电阻变化应变力传感器：它能够把机械变形转换成电阻变化 思考应变力传感器：它能够把机械变形转换成电阻变24 灵敏度系数灵敏度系数.物理意义：单位应变所引起的电阻相对变化物理意义：单位应变所引起的电阻相对变化.横向效应横向效应.（图（图2-22-2）机械滞后机械滞后.零点漂移和蠕变零点漂移和蠕变.应变极限应变极限.动态响应特性动态响应特性.（图（图2-32-3）2.2 电阻应变片的重要特性电阻应变片的重要特性 灵敏度系数.2.2 电阻应变片的重要特性252.2.1 2.2.1 灵敏度系数灵敏度系数 金金属属应应变变丝丝的的电电阻阻相相对对变变化化与与它它所所感感受受的的应应变变之之间间具具有有线线性性关关系系，用用灵灵敏敏度度系系数数KS表表示示。当当金金属属丝丝做做成成应应变变片片后后，其其电电阻阻应应变变特特性性与与金金属属单单丝丝情情况况不不同同。因因此此，须须用用实实验验方方法法对对应应变变片片的的电电阻阻应应变变特特性性重重新新测测定定。实实验验表表明明，金金属属应应变变片片的的电电阻阻相相对对变变化化与与应应变变在在很很宽宽的的范范围围内内均均为为线性关系。线性关系。2.2.1 灵敏度系数26K为金属应变片的灵敏系数。为金属应变片的灵敏系数。测测量量结结果果表表明明，应应变变片片的的灵灵敏敏系系数数K恒恒小小于于线线材材的的灵灵敏敏系系数数KS。原原因因主主要要是是胶胶层层传传递递变变形失真及横向效应。形失真及横向效应。即即:K为金属应变片的灵敏系数。即:272.3.2 横向效应横向效应 金金属属丝丝式式应应变变片片由由于于敏敏感感栅栅的的两两端端为为半半圆圆弧弧形形的的横横栅栅，测测量量应应变变时时，构构件件的的轴轴向向应应变变使使敏敏感感栅栅电电阻阻发发生生变变化化，而而其其横横向向应应变变r也也使使敏敏感感栅栅半半圆弧部分的电阻发生变化。圆弧部分的电阻发生变化。bOlrdld0图图图图2-5 2-5 敏感栅半圆弧形部分敏感栅半圆弧形部分敏感栅半圆弧形部分敏感栅半圆弧形部分r应应变变片片的的这这种种既既受受轴轴向向应应变变影影响响，又又受受横横向向应应变变影影响响而而引引起起电电阻阻变变化化的的现现象称为象称为横向效应横向效应。2.3.2 横向效应bOlrdld0图2-5 28应应变变片片粘粘贴贴在在被被测测试试件件上上，当当温温度度恒恒定定时时，其其加加载特性与卸载特性不重合，即为载特性与卸载特性不重合，即为机械滞后机械滞后。1机械应变R卸载加载指示应变i图图图图2-6 2-6 应变片的机械滞后应变片的机械滞后应变片的机械滞后应变片的机械滞后2.2.3 2.2.3 机械滞后、零漂及蠕变机械滞后、零漂及蠕变应变片粘贴在被测试件上，当温度恒定时，其加载特性与卸载特性不29 机械滞后值还与应变片所承受的应变量有关，机械滞后值还与应变片所承受的应变量有关，加载时的机械应变愈大，卸载时的滞后也愈大。加载时的机械应变愈大，卸载时的滞后也愈大。所以，通常在实验之前应将试件预先加、卸载若所以，通常在实验之前应将试件预先加、卸载若干次，以减少因机械滞后所产生的实验误差。干次，以减少因机械滞后所产生的实验误差。产生原因：产生原因：应变片在承受机械应变后的残余应变片在承受机械应变后的残余变形，使敏感栅电阻发生少量不可逆变化；变形，使敏感栅电阻发生少量不可逆变化；在制造或粘贴应变片时，敏感栅受到的不适在制造或粘贴应变片时，敏感栅受到的不适当的变形或粘结剂固化不充分等。当的变形或粘结剂固化不充分等。机械滞后值还与应变片所承受的应变量有关，加载时的机械30对对于于粘粘贴贴好好的的应应变变片片，当当温温度度恒恒定定时时，不不承承受受应应变变时时，其其电电阻阻值值随随时时间间增增加加而而变变化化的的特特性性，称称为为应应变变片片的的零零零零点点点点漂移漂移漂移漂移。产产生生的的原原因因：敏敏感感栅栅通通电电后后的的温温度度效效应应；应应变变片片的的内内应力逐渐变化；粘结剂固化不充分等。应力逐渐变化；粘结剂固化不充分等。如如果果在在一一定定温温度度下下，使使应应变变片片承承受受恒恒定定的的机机械械应应变变，其其电电阻阻值值随随时时间间增增加加而而变变化化的的特特性性称称为为蠕蠕蠕蠕变变变变。一一般般蠕蠕变变的方向与原应变量的方向相反的方向与原应变量的方向相反。产产生生的的原原因因：由由于于胶胶层层之之间间发发生生“滑滑动动”，使使力力传传到敏感栅的应变量逐渐减少。到敏感栅的应变量逐渐减少。对于粘贴好的应变片，当温度恒定时，不承受应变时，其电阻值随时31在在一一定定温温度度下下，应应变变片片的的指指示示应应变变对对测测试试值值的的真实应变的相对误真实应变的相对误差差不超过规定范围不超过规定范围（一般为（一般为10%10%）时的时的最大真实应变值。最大真实应变值。真实应变是由于工真实应变是由于工作温度变化或承受作温度变化或承受机械载荷，在被测机械载荷，在被测试件内产生应力时试件内产生应力时所引起的表面应变。所引起的表面应变。2.2.4 2.2.4 应变极限应变极限j真实应变g指示应变i图图图图2-7 2-7 应变片的应变极限应变片的应变极限应变片的应变极限应变片的应变极限100%190%在一定温度下，应变片的指示应变对测试值的真实应变的相对误2.32 用用作作测测量量应应变变的的金金属属应应变变片片，希希望望其其阻阻值值仅仅随随应应变变变变化化，而而不不受受其其它它因因素素的的影影响响。实实际际上上应应变变片片的的阻阻值值受受环环境境温温度度(包包括括被被测测试试件件的的温温度度)影影响响很很大大。由由于于环环境境温温度度变变化化引引起起的的电电阻阻变变化化与与试试件件应应变变所所造造成成的的电电阻阻变变化化几几乎乎有有相相同同的的数数量量级级，从从而而产产生生很很大大的的测测量量误误差差，称称为为应应变变片的片的温度误差温度误差，又称，又称热输出热输出。2.3 2.3 温度误差及其补偿温度误差及其补偿2.3.1 温度误差温度误差 用作测量应变的金属应变片，希望其阻值仅随应变变化，而33 因因环环境境温温度度改改变变而而引引起起电电阻阻变变化化的的两两个个主主要要因因素：素：应变片的电阻丝应变片的电阻丝(敏感栅敏感栅)具有一定具有一定温度系数温度系数；电阻丝材料与测试材料的电阻丝材料与测试材料的线膨胀系数线膨胀系数不同。不同。设环境引起的构件温度变化为设环境引起的构件温度变化为t（）时，粘贴）时，粘贴在试件表面的应变片敏感栅材料的电阻温度系数在试件表面的应变片敏感栅材料的电阻温度系数为为t，则应变片产生的电阻相对变化为，则应变片产生的电阻相对变化为:因环境温度改变而引起电阻变化的两个主要因素：设环境引34由由于于敏敏感感栅栅材材料料和和被被测测构构件件材材料料两两者者线线膨膨胀胀系系数数不不同同，当当t t 存存在在时时，引引起起应应变变片片的的附附加加应变，应变，相应的电阻相对变化为相应的电阻相对变化为:K应变片灵敏系数应变片灵敏系数;e试件试件材料线膨胀系数；材料线膨胀系数；g敏感栅敏感栅材料线膨胀系数。材料线膨胀系数。由于敏感栅材料和被测构件材料两者线膨胀系数不同，当t 存在35 2.电阻应变片的温度补偿方法电阻应变片的温度补偿方法 电阻应变片的温度补偿方法通常有线路补偿和应变片自补偿两大类。1)线路补偿法线路补偿法 电桥补偿是最常用且效果较好的线路补偿。2.电阻应变片的温度补偿方法36电桥补偿法电桥补偿法电桥的输出电桥的输出U0怎么计算？怎么计算？电桥补偿法电桥的输出U0怎么计算？37电桥补偿法电桥补偿法电桥平衡的条件是什么电桥平衡的条件是什么？电桥补偿法38A为由桥臂电阻和电源电压决定的常数。由为由桥臂电阻和电源电压决定的常数。由上式可知，上式可知，当当R3和和R4为常数时，为常数时，R1和和RB对电桥输出电压对电桥输出电压Uo的作用方向相反。的作用方向相反。利用利用这一基本关系可实现对温度的补偿。这一基本关系可实现对温度的补偿。A为由桥臂电阻和电源电压决定的常数。由上式可知，当R3和R39 测量应变时，工作应变片R1粘贴在被测试件表面上，补偿应变片RB粘贴在与被测试件材料完全相同的补偿块上，且仅工作应变片承受应变。当当被被测测试试件件不不承承受受应应变变时时，R1和和RB又又处处于于同同一一环环境境温温度度为为t的的温温度度场场中中，调调整整电电桥桥参参数数使使之达到平衡之达到平衡，此时有 工程上，一般按R1=RB=R3=R4 选取桥臂电阻。测量应变时，工作应变片R1粘贴在被测试件表面40温度补偿的实现：温度补偿的实现：(温度变化，无应变）温度变化，无应变）当温度升高或降低t=t-t0时，两个应变片因温度而引起的电阻变化量相等，电桥仍处于平衡状态，即 温度补偿的实现：(温度变化，无应变）41应变的测量：应变的测量：(温度变化，无应变）温度变化，无应变）被被测测试试件件有有应应变变的的作作用用，则则工工作作应应变变片片电电阻阻R1又又有有新新的的增增量量R1=R1K，而而补补偿偿片片因因不不承承受受应应变变，故故不不产产生生新的增量，新的增量，此时电桥输出电压为此时电桥输出电压为 可可见见：电电桥桥的的输输出出电电压压Uo仅仅与与被被测测试试件件的的应应变变有有关关，而与环境温度无关。而与环境温度无关。应变的测量：(温度变化，无应变）可见：电桥的输出电压Uo仅42注意补偿条件：注意补偿条件：在应变片工作过程中，保证在应变片工作过程中，保证R3=R4。R1和和RB两两个个应应变变片片应应具具有有相相同同的的电电阻阻温温度度系系数数、线线膨胀系数膨胀系数、应变灵敏度系数、应变灵敏度系数K和初始电阻值和初始电阻值R0。粘粘贴贴补补偿偿片片的的补补偿偿块块材材料料和和粘粘贴贴工工作作片片的的被被测测试试件件材材料必须一样，两者料必须一样，两者线膨胀系数相同线膨胀系数相同。两应变片应处于两应变片应处于同一温度场同一温度场。注意补偿条件：43作业：作业：p50 第1、5题 作业：p50 第1、5题 442.4 电阻应变片的测量电路电阻应变片的测量电路 2.4.1 直流电桥直流电桥 1.直流电桥平衡条件直流电桥平衡条件图3-9 直流电桥 当RL时，电桥输出电压为 2.4 电阻应变片的测量电路 2.4.1 直流电桥图3-45当电桥平衡时，Uo=0，则有 R1R4=R2R3或 电桥平衡条件：欲使电桥平衡，其相邻两臂电阻的比值应相等，或相对两臂电阻的乘积应相等。电桥平衡条件当电桥平衡时，Uo=0，则有 R1R4=R2R3或 电桥平衡46 2.电压灵敏度电压灵敏度 应变片工作时：电阻值变化很小，电桥相应输出电压也很小，一般需要加入放大器进行放大。由于放大器的输入阻抗比桥路输出阻抗高很多，所以此时仍视电桥为开路情况。当受应变时：若应变片电阻变化为R，其它桥臂固定不变，电桥输出电压Uo0，则电桥不平衡，输出电压为 2.电压灵敏度47应变式传感器的基本知识课件48 设桥臂比n=R2/R1，由于R1R1，分母中R1/R1可忽略，并考虑到平衡条件R2/R1=R4/R3，则上式可写为 电桥电压灵敏度定义为 设桥臂比n=R2/R1，由于R15的小曲率圆环：A、B两点的应变。这样，测出A、B处的应变，即可得到载荷F。内贴取“一”内贴取“”式中：h圆环厚度；b圆环宽度；E材料弹性模量。对R/h5的小曲率圆环：A、B两点的应变。572.5.2 应变式压力传感器应变式压力传感器 主要用来测量流动介质的动态或静态压力 应变片压力传感器大多采用膜片式或筒式弹性元件。在压力p作用下，膜片产生径向应变r和切向应变t，表达式分别为 2.5.2 应变式压力传感器 58图3-15 膜片式压力传感器（a）应变变化图;（b）应变片粘贴 图3-15 膜片式压力传感器59应变变化曲线的特点：当x=0时，rmax=tmax；当x=R时，t=0，r=2rmax。特点的应用：一般在平膜片圆心处切向粘贴R1、R4两个应变片，在边缘处沿径向粘贴R2、R3两个应变片，然后接成全桥测量电路。避开位置。应变变化曲线的特点：当x=0时，rmax=tmax；当x603.4.3 应变式容器内液体重量传感器应变式容器内液体重量传感器感压膜感受上面液体的压力。当容器中溶液增多时，感压膜感受的压力就增大。将其上两个传感器Rt的电桥接成正向串接的双电桥电路，此时输出电压为 Uo=U1U2=(K1K2)hg 式中,K1，K2为传感器传输系数。结论：电桥输出电压与柱式容器内感压膜上面溶液的重量成线性关系，因此可以测量容器内储存的溶液重量。3.4.3 应变式容器内液体重量传感器Uo=U1U2=61图3-16 应变片容器内液体重量传感器 图3-16 应变片容器内液体重量传感器 622.5.4 应变式加速度传感器应变式加速度传感器用于物体加速度的测量。依据：a=F/m。图3-17 电阻应变式加速度传感器结构图 2.5.4 应变式加速度传感器图3-17 电阻应变63 测量原理：将传感器壳体与被测对象刚性连接，当被测物体以加速度a 运动时，质量块受到一个与加速度方向相反的惯性力作用，使悬臂梁变形，该变形被粘贴在悬臂梁上的应变片感受到并随之产生应变，从而使应变片的电阻发生变化。电阻的变化引起应变片组成的桥路出现不平衡，从而输出电压，即可得出加速度a值的大小。适用范围：不适用于频率较高的振动和冲击场合，一般适用频率为1060 Hz范围。测量原理：将传感器壳体与被测对象刚性连接，当64