第二章电阻应变式传感器课件

2.1电阻应变式传感器电阻应变式传感器2.2电阻应变式传感器工作原理电阻应变式传感器工作原理2.3电阻应变片电阻应变片2.4测量电路测量电路2.5电阻应变式传感器的应用电阻应变式传感器的应用第二章第二章 应变式传感器应变式传感器2.1电阻应变式传感器电阻应变式传感器一、电阻式传感器一、电阻式传感器 将被测的非电量转换成电阻的变化量的传感元件。将被测的非电量转换成电阻的变化量的传感元件。二、应变式传感器二、应变式传感器 根据应变效应，测量物体受力变形所产生应变的根据应变效应，测量物体受力变形所产生应变的一类传感器件。一类传感器件。三、电阻应变式传感器三、电阻应变式传感器 1、定义：通过应变片将被测物理量转换成电阻、定义：通过应变片将被测物理量转换成电阻变化的器件。变化的器件。2、特点：、特点：与其它类型的力学传感器相比，结构简单、使用与其它类型的力学传感器相比，结构简单、使用方便、动态响应快、测试范围宽、性能稳定等优点。方便、动态响应快、测试范围宽、性能稳定等优点。3、组成：弹性元件，电阻应变片，外壳等。、组成：弹性元件，电阻应变片，外壳等。4、应用范围：、应用范围：可用于力、压力、加速度等力学量的测量，广泛可用于力、压力、加速度等力学量的测量，广泛用于航天、机械、化工、建筑、纺织等领域。用于航天、机械、化工、建筑、纺织等领域。2.2电阻应变式传感器工作原理电阻应变式传感器工作原理一、基本原理一、基本原理“电阻应变效应电阻应变效应”：导体的电阻随着机械变形而发：导体的电阻随着机械变形而发生变化的现象。生变化的现象。二、工作原理二、工作原理 外力作用使弹性体产生弹性变形，粘贴在其表外力作用使弹性体产生弹性变形，粘贴在其表面的电阻应变片也随之变形，电阻值发生变化，通面的电阻应变片也随之变形，电阻值发生变化，通过测量电路将电阻变化转换为电信号。过测量电路将电阻变化转换为电信号。外力外力电信号电信号三、力与电信号的转换关系（对金属应变片分析）三、力与电信号的转换关系（对金属应变片分析）设定一根圆柱形金属丝，长度为设定一根圆柱形金属丝，长度为l，横截面的横截面的半径为半径为r，横截面积为横截面积为A，电阻率为电阻率为。电阻丝原始电阻值为：电阻丝原始电阻值为：rlFdld rrlF 施加拉力施加拉力F，电阻丝变形。电阻丝变形。设长度变化量为设长度变化量为d l，横截面积变化量为横截面积变化量为d A，电阻率的变化量为电阻率的变化量为d。电阻值的相对变化量：电阻值的相对变化量：式中：式中：dl/l长度的相对变化量。可用应变长度的相对变化量。可用应变来表示。来表示。dA/A 截面积的相对变化量。截面积的相对变化量。有有r为其半径。为其半径。其中，其中，dr/r为电阻丝的横向应变（径向相对变形）；为电阻丝的横向应变（径向相对变形）；dl/l为电阻丝的纵向应变（轴向相对变形）。为电阻丝的纵向应变（轴向相对变形）。长度相对变化量和截面积的相对变化量之间关长度相对变化量和截面积的相对变化量之间关系满足：系满足：式中：负号表示两变化量应变方向相反；式中：负号表示两变化量应变方向相反；表示电阻丝材料的泊松比（即泊松系数）。表示电阻丝材料的泊松比（即泊松系数）。m errdRdR+=)21(d/表示电阻丝电阻率的相对变化，其值与电阻表示电阻丝电阻率的相对变化，其值与电阻丝轴向所受正应力丝轴向所受正应力有关。关系式：有关。关系式：表示压阻系数；表示压阻系数；表示电阻丝所受应变力；表示电阻丝所受应变力；E 表示电阻丝材料的弹性模量。表示电阻丝材料的弹性模量。推出：推出：m errdRdR+=)21(式中，式中，（1+2）是由电阻丝的几何尺寸改变所是由电阻丝的几何尺寸改变所引起的。同一种电阻材料，引起的。同一种电阻材料，（1+2）为常数。为常数。E是由电阻丝的电阻率随应变改变所引起。对是由电阻丝的电阻率随应变改变所引起。对于金属电阻丝，其值很小，可忽略。于金属电阻丝，其值很小，可忽略。化简为：化简为：em)21(RdR+=金属材料的应变系数（金属材料的应变系数（1+2）为定值时，测为定值时，测出应变片的电阻变化量，可求出应变片的应变出应变片的电阻变化量，可求出应变片的应变。又又=E，如已知弹性元件的弹性模量如已知弹性元件的弹性模量E，则可则可计算出外作用应变力计算出外作用应变力的大小。的大小。即：通过电阻量的变化可得出外作用力的大小。即：通过电阻量的变化可得出外作用力的大小。四、常见弹性元件的四、常见弹性元件的与与F关系关系 1.筒式弹性元件筒式弹性元件 包括圆柱、圆筒、方柱等形状。包括圆柱、圆筒、方柱等形状。应变片测量时，一般成对粘贴在弹性元件表应变片测量时，一般成对粘贴在弹性元件表面，以感受零件的变形。面，以感受零件的变形。R1R4R3R2F弹性元件2(1+)FES=2(1+)FES=在应变电阻在应变电阻R1，R4处处在应变电阻在应变电阻R2，R3处处 2.悬臂梁式弹性元件悬臂梁式弹性元件其应变公式为：其应变公式为：24FlbhhE=其中，其中，b是悬臂梁宽，是悬臂梁宽，h是是悬臂厚，悬臂厚，l是悬臂外端距应是悬臂外端距应变片中心的长度，单位为变片中心的长度，单位为（mm）。）。R1R4R2R3FhlR1R4b悬臂梁 3.两端固定梁式弹性元件两端固定梁式弹性元件3l FbhhE=R3R4R2R1l/2hFl/2R1R4b固定梁其中，其中，l是双端固定的长度，是双端固定的长度，b是固定梁的宽度，是固定梁的宽度，h是固是固定梁的厚度，单位为定梁的厚度，单位为（mm）。）。五、灵敏度五、灵敏度 金属电阻应变片的应变系数灵敏度金属电阻应变片的应变系数灵敏度K。K=eRdRRdRldl=在电阻丝的拉伸极限里，在电阻丝的拉伸极限里，K为常数。为常数。受金属材料和电阻丝形状影响。受金属材料和电阻丝形状影响。常用的灵敏度大小在常用的灵敏度大小在1.73.6之间。之间。2.3电阻应变片电阻应变片一、定义一、定义 一种能将被测试件上的应变变化转换成电阻变一种能将被测试件上的应变变化转换成电阻变化的敏感元件。化的敏感元件。二、分类二、分类电阻应变片电阻应变片金属应变片金属应变片金属箔式应变片金属箔式应变片半导体应变片半导体应变片金属丝式应变片金属丝式应变片三、应变片的结构三、应变片的结构 1、金属丝式应变片、金属丝式应变片 主要由敏感栅、基底、覆盖层、引出线组成。主要由敏感栅、基底、覆盖层、引出线组成。其结构图：其结构图：2、金属箔式应变片、金属箔式应变片 用栅状金属箔片代替栅状金属丝。其结构图见用栅状金属箔片代替栅状金属丝。其结构图见书书P44。可分为单丝栅式、双丝栅式、三丝栅式、多丝可分为单丝栅式、双丝栅式、三丝栅式、多丝栅式等。栅式等。通常箔片厚约通常箔片厚约1mm1010mm。采用光刻腐蚀技术，适于大批量生产。采用光刻腐蚀技术，适于大批量生产。尺寸准确、散热好、粘贴好、传递试件应变性尺寸准确、散热好、粘贴好、传递试件应变性能好，目前使用较多。能好，目前使用较多。四、金属电阻应变片的特性参数四、金属电阻应变片的特性参数 1、灵敏度、灵敏度S及横向效应及横向效应 横向效应影响栅状电阻丝的电阻变化。横向效应影响栅状电阻丝的电阻变化。2、绝缘电阻、绝缘电阻 已粘贴的应变片的引线与被测件之间的电阻值已粘贴的应变片的引线与被测件之间的电阻值Rm。（。（50100M 以上）以上）3、最大工作电流（也称允许工作电流）、最大工作电流（也称允许工作电流）已安装的应变片允许通过敏感栅而不影响其工已安装的应变片允许通过敏感栅而不影响其工作特性的最大电流作特性的最大电流Imax。一般静态测量时的允许工作电流为一般静态测量时的允许工作电流为25mA左右，左右，动态测量可以高些。动态测量可以高些。箔式应变片比丝式应变片的允许工作电流大。箔式应变片比丝式应变片的允许工作电流大。4、初始电阻、初始电阻 应变片未粘贴前在室温下测得的静态电阻值。应变片未粘贴前在室温下测得的静态电阻值。常见有常见有60、120、200、600、1000等。等。五、金属电阻应变片的温度误差及补偿方法五、金属电阻应变片的温度误差及补偿方法 1、电阻应变片的温度误差、电阻应变片的温度误差 由于测量现场环境温度的改变，而给测量带来由于测量现场环境温度的改变，而给测量带来的附加误差。的附加误差。2、产生原因、产生原因 （1）敏感栅存在温度系数；）敏感栅存在温度系数；（2）试件与敏感栅材料的热膨胀系数不同。）试件与敏感栅材料的热膨胀系数不同。3、补偿方法、补偿方法 有两种：线路补偿、应变片自补偿。有两种：线路补偿、应变片自补偿。（1）线路补偿法）线路补偿法 常见是电桥补偿法。常见是电桥补偿法。R1RBR4R3UUOUT （2）应变片的自补偿法）应变片的自补偿法 根据被测试件的线膨胀系数，选择合适的敏感根据被测试件的线膨胀系数，选择合适的敏感栅材料，使由温度产生的变化量互相抵消。栅材料，使由温度产生的变化量互相抵消。六、应变片的粘贴六、应变片的粘贴 用特制胶水粘贴应变片。用特制胶水粘贴应变片。常用的粘结剂类型：硝化纤维素型、聚酯树脂常用的粘结剂类型：硝化纤维素型、聚酯树脂型、环氧树脂性、酚醛树脂型等。型、环氧树脂性、酚醛树脂型等。短时间测量也可采用短时间测量也可采用502胶水。胶水。合适的粘结剂和正确的粘结工艺可提高应变片合适的粘结剂和正确的粘结工艺可提高应变片的测量精度。的测量精度。2.4测量电路测量电路一、直流电桥一、直流电桥桥臂桥臂电阻电阻电源电压电源电压负载电阻负载电阻求其输出电压求其输出电压Uo。其输出电压为：其输出电压为：若电桥电路处于平衡状态，若电桥电路处于平衡状态，R1R4=R2R3，则输出则输出电压电压Uo为零。为零。改变电阻值，就能改变其输出电压。即可通过电改变电阻值，就能改变其输出电压。即可通过电压变化反映阻值的变化。压变化反映阻值的变化。1、单臂电桥、单臂电桥 设设R1为电阻为电阻应变片，外力应变片，外力作用时，电阻作用时，电阻变化量为变化量为R1。此时电路输出此时电路输出电压为：电压为：+-+D+D+=43321111RRRRRRRREUo推导有：推导有：若设桥臂若设桥臂比比 n=R2/R1，且且R1 R1，R1R4=R2R3，该该式可化简为：式可化简为：单臂电桥电路，在供电电压确定，单臂电桥电路，在供电电压确定，n=1时电桥电时电桥电压灵敏度最高。压灵敏度最高。RRUSoU11D=4ESU=411RREUoD=2、半桥差动电路、半桥差动电路 该电桥输出电压该电桥输出电压为为:对于半桥差动电路，若对于半桥差动电路，若R1=R2，R1=R2，R3=R4，则有：则有：2ESU=该电路无非线性误差，且电桥电压灵敏度是单臂该电路无非线性误差，且电桥电压灵敏度是单臂电桥电压电压灵敏度的电桥电压电压灵敏度的2倍。倍。2、全桥差动电路、全桥差动电路 此时若此时若R1=R2=R3=R4，且且R1=R2=R3=R4，则有则有EsRREUUo=D=11 无非线性误差，且电压灵敏度为单臂的无非线性误差，且电压灵敏度为单臂的4倍。倍。二、交流电桥二、交流电桥 由于应变片电桥电路输出信号微弱，故多加放由于应变片电桥电路输出信号微弱，故多加放大器。而直流放大器易产生零点漂移，所以多用交大器。而直流放大器易产生零点漂移，所以多用交流放大器进行放大处理。流放大器进行放大处理。交流电桥电路的工作原理与直流电桥电路的工交流电桥电路的工作原理与直流电桥电路的工作原理相似。作原理相似。如：半桥差动交流电桥的构图：如：半桥差动交流电桥的构图：两桥臂呈现复阻抗特性。两桥臂呈现复阻抗特性。当被测应力变化，有当被测应力变化，有Z1=Z10+Z，Z2=Z20-Z，且且令令Z10=Z20=Z0，电路输出为：电路输出为：2.5电阻应变式传感器的应用电阻应变式传感器的应用 1、应用方式、应用方式 （1）将应变片粘于被测构件上，直接用来测定）将应变片粘于被测构件上，直接用来测定构件的应变力。构件的应变力。常用于研究或验证机械、桥梁、建筑等某些构常用于研究或验证机械、桥梁、建筑等某些构件在工作状态下的受力。件在工作状态下的受力。（2）将应变片粘于弹性元件上，与弹性元件一）将应变片粘于弹性元件上，与弹性元件一起构成应变式传感器。起构成应变式传感器。常用于测量力、位移、压力、加速度等物理参常用于测量力、位移、压力、加速度等物理参数。数。2、注意事项、注意事项 1）电阻应变片必须粘贴在试件或弹性元件上才）电阻应变片必须粘贴在试件或弹性元件上才能工作；能工作；2）电阻应变片所测为构件或弹性元件上某处的）电阻应变片所测为构件或弹性元件上某处的应变，而不是该处的应力或位移；应变，而不是该处的应力或位移；3）应限制应变片上限测量值；）应限制应变片上限测量值；（一般上限测量频率应在电桥激励电源频率的（一般上限测量频率应在电桥激励电源频率的1/51/10以下。）以下。）4）要采取相应的温度补偿措施。）要采取相应的温度补偿措施。3、应用示例、应用示例 按应变式传感器的用途不同，可分为应变式力按应变式传感器的用途不同，可分为应变式力传感器、应变式压力传感器、应变式加速度传感器。传感器、应变式压力传感器、应变式加速度传感器。（1）应变式力传感器）应变式力传感器 主要用来测量荷重和力，在电子自动秤中应用主要用来测量荷重和力，在电子自动秤中应用非常普遍。非常普遍。要求具有较高灵敏度和稳定性，且不受外界影要求具有较高灵敏度和稳定性，且不受外界影响。响。如：纱线张力检测。如：纱线张力检测。（2）应变式压力传感器）应变式压力传感器 应变式压力传感器由电阻应变计、弹性元件外应变式压力传感器由电阻应变计、弹性元件外壳及补偿电阻组成。一般用于测量较大的压力。它壳及补偿电阻组成。一般用于测量较大的压力。它广泛用于测量管道内部压力广泛用于测量管道内部压力,内燃机燃气的压力内燃机燃气的压力,压压差和喷射压力差和喷射压力,发动机和导弹试验中的脉动压力发动机和导弹试验中的脉动压力,以以及各种领域中的流体压力等。及各种领域中的流体压力等。多采用膜片式或筒式弹性原件。多采用膜片式或筒式弹性原件。a.筒式压力传感器筒式压力传感器筒筒式式压压力力传传感感器器的的弹弹性性元元件件如如下下图图所所示示,一一端端有有孔孔,另另一一端端有有法法兰兰与与被被测测系系统统连连接接。当当应应变变管管内内腔与被测压力相通时腔与被测压力相通时,圆筒部分周向应变为圆筒部分周向应变为式式中中,p为为被被测测压压力力,D为为圆圆筒筒外外径径,d为为圆圆筒筒内内径径。在在薄薄壁壁筒筒上上贴贴有有两两片片应应变变计计作作为为工工作作片片,实实心部分贴有两片应变计作为温度补偿片。心部分贴有两片应变计作为温度补偿片。b.膜片式压力传感器膜片式压力传感器该该类类传传感感器器的的弹弹性性敏敏感感元元件件为为一一周周边边固固定定的的圆圆形形金金属属平平膜膜片片,如如图图(a)所所示示。当当膜膜片片一一面面受受压压力力p作作用用时时,膜膜片片的的另另一一面面(应应变变计计粘粘贴贴面面)上上的的径径向应变向应变r和切向应变和切向应变t为为 式式中中,R为为平平膜膜片片工工作作部部分分半半径径，h为为平平膜膜片片厚厚度度，E为为膜膜片片的的弹弹性性模模量量，为为膜膜片片的的泊泊松松系系数数，x为为任任意意点离圆心的径向距离。点离圆心的径向距离。膜片受力时的应变分布和应变计粘贴图膜片受力时的应变分布和应变计粘贴图 在在膜膜片片中中心心即即x=0处处,r和和t均均达达到到正正的的最最大大值值,即即 而而在在膜膜片片边边缘缘,即即x=R处处,t=0,而而r达达到到负负的的最最大值大值(最小值最小值)。c.插入式液体重量传感器。插入式液体重量传感器。（3）应变加速度传感器）应变加速度传感器 主要用于物体加速度的测量，但不适于频率较主要用于物体加速度的测量，但不适于频率较高的振动和冲击，适用频率为高的振动和冲击，适用频率为1060Hz。基本工作原理是：物体运动的速度与作用在它基本工作原理是：物体运动的速度与作用在它上面的力成正比，与物体的质量成反比。上面的力成正比，与物体的质量成反比。（4）柱式传感器柱式传感器柱式传感器是称重柱式传感器是称重(或测力或测力)传感器应用较普遍的传感器应用较普遍的一种形式。它分为圆筒形和柱形两种。下图画出了一种形式。它分为圆筒形和柱形两种。下图画出了传感器的结构示意图和外形。其结构是在圆筒或圆传感器的结构示意图和外形。其结构是在圆筒或圆柱上按一定方式贴上应变计。柱上按一定方式贴上应变计。柱式传感器柱式传感器 (a)圆柱圆柱;(b)圆筒圆筒;(c)外形外形圆筒或圆柱在外力圆筒或圆柱在外力F作用下产生的应变为作用下产生的应变为一一般般将将应应变变计计对对称称地地贴贴在在应应力力均均匀匀的的圆圆柱柱表表面面的的中中间间部部分分,如如图图(a)所所示示,并并连连接接成成图图(b)所所示示的的桥桥路路:T1和和T3,T2和和T4分分别别串串联联,放放在在相相对对臂臂内内。当当一一方方受受拉拉时时,则则另另一一方方受受压压。由由此此引引起起的的电电阻阻应应变变计计阻阻值值的的变变化化大大小小相相等等符符号号相相反反,从从而而减减小小弯弯矩矩的的影影响响。横横向粘贴的应变计作为温度补偿片。向粘贴的应变计作为温度补偿片。电桥输出电压为电桥输出电压为由由上上式式可可知知,横横向向粘粘贴贴的的应应变变计计既既作作为为温温度度补补偿偿,也也起到提高灵敏度的作用。起到提高灵敏度的作用。柱式的不足是截面积随载荷改变所导致的非线性柱式的不足是截面积随载荷改变所导致的非线性,但对此可以进行补偿。但对此可以进行补偿。筒式结构可使分散在端面的载荷集中到筒的表面筒式结构可使分散在端面的载荷集中到筒的表面上来上来,改善了应力线分布改善了应力线分布;在筒壁上还能开孔在筒壁上还能开孔,如图如图(c)所示所示,形成许多条应力线形成许多条应力线,从而与载荷在端面的分布无从而与载荷在端面的分布无关关,并可减少偏心载荷、非均布载荷的影响并可减少偏心载荷、非均布载荷的影响,使引起的使引起的误差更小。误差更小。