第四讲电阻应变式传感器

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,1,应变式传感器,1.1 工作原理,1.2,应变片的粘贴技术,1.3 测量电路,1.4 金属应变片的主要特性,1.5,应变式传感器应用,1,1.1 工作原理,电阻应变效应,：当金属丝在外力作用下发生机械变,形,时,其电阻值将发生变化,1.金属的电阻应变效应,2,上一页,返 回,下一页,2.工作原理,设有一长度为,l,、截面积为,A,、半径为,r,、电阻率为,的金属单丝，它的电阻值,R,可表示为：,当沿金属丝的长度方向作用均匀拉力（或压力）时，上式中,、A、l,都将发生变化，从而导致电阻值,R,发生变化。,3,对于半径为,r,的圆导体，,A,=,r,2,，,A,/,A,=2,r,/,r,又,由材料力学可知，在弹性范围内，,上一页,返 回,下一页,为导体的纵向应变，其数值一般很小，常以微应变度量；,为电阻丝材料的泊松比，一般金属=0.30.5；,为压阻系数，与材质有关；为应力值；E为材料的弹性模量；,4,材料的几何尺寸变化引起的,材料的电阻率,随应变引起的（压阻效应）,金属材料：,k,0,以前者为主，则,k,0,1+2,=,1.73.6,半 导 体：,k,0,值主要是由电阻率相对变化所决定,上一页,返 回,下一页,电阻的灵敏系数：,5,金属电阻应变片，材料电阻率随应变产生的变化很小，可忽略,应变片电阻的相对变化与应变片纵向应变成正比，,并且对同一电阻材料，,K,0,=1+2是常数。,其灵敏度系数多在1.73.6之间。,上一页,返 回,下一页,6,弹性敏,感元件,应变,外力作用,被测对象表面产生微小机械变形,应变片敏感栅随同变形,电阻值发生相应变化,应变片,位移、力、力矩、加速度、压力,7,2. 应变片的基本结构与种类,上一页,返 回,下一页,8,应变片的类型和材料,金属丝式：,金属箔式：,金属薄膜式,上一页,返 回,下一页,金属丝式应变片蠕变较大，金属丝易脱胶，有逐渐被箔式所取代的趋势。但其价格便宜，多用于应变、应力的大批量、一次性试验,箔的材料多为电阻率高、热稳定性好的铜镍合金。箔式应变片与片基的接触面积大得多，散热条件较好，在长时间测量时的蠕变较小，一致性较好，适合于大批量生产。目前广泛用于各种应变式传感器中。,9,金属丝式应变片,上一页,返 回,下一页,金属电阻丝应变片的基本结构,1-基片；2-电阻丝；3-覆盖层；4-引出线,10,金属箔式应变片,在绝缘基底上，将厚度为0.0030.01mm电阻箔材，利用照相制板或光刻腐蚀的方法，制成适用于各种需要的形状,箔式应变片,上一页,返 回,下一页,11,优点 ：,（1）,尺寸准确，线条均匀，适应不同的测量要求，,（2）可制成多种复杂形状尺寸准确的敏感栅,（3）与被测试件接触面积大，粘结性能好。,散热条件好，允许电流大，灵敏度提高。,（4）横向效应可以忽略。,（5）蠕变、机械滞后小，疲劳寿命长。,缺点：,电阻值的分散性大 阻值调整,上一页,返 回,下一页,12,金属薄膜应变片,采用真空蒸发或真空沉积等方法在薄的绝缘基片上形成厚度在0.1m以下的金属电阻材料薄膜敏感栅，再加上保护层，易实现工业化批量生产,优点：应变灵敏系数大，允许电流密度大，,工作范围广，易实现工业化生产,问题：难控制电阻与温度和时间的变化关系,上一页,返 回,下一页,13,1.2,应变片的粘贴技术,1. 去污：采用手持砂轮工具除去构件表面的油污、漆、锈斑等，并用细纱布交叉打磨出细纹以增加粘贴力 ，用浸有酒精或丙酮的纱布片或脱脂棉球擦洗。,14,2.贴片：在应变片的表面和处理过的粘贴表面上，各涂一层均匀的粘贴胶 ，用镊子将应变片放上去，并调好位置，然后盖上塑料薄膜，用手指揉和滚压，排出下面的气泡 。,15,3.测量 ：从分开的端子处，预先用万用表测量应变片的电阻，发现端子折断和坏的应变片。,16,4.焊接： 将引线和端子用烙铁焊接起来，注意不要把端子扯断。,17,5.固定： 焊接后用胶布将引线和被测对象固定在一起，防止损坏引线和应变片。,18,1.3,电阻应变片的测量电路,上一页,返 回,下一页,1 直流电桥,2 非线性误差及其补偿,19,金属应变片的电阻变化范围很小，如果直接用欧姆表测量其电阻值的变化将十分困难，且误差很大。,例,如，,有一金属箔式应变片，标称阻值,R,0,为100,，灵敏度,K,=2，粘贴在横截面积为9.8mm,2,的钢质圆柱体上，钢的弹性模,E,=2,10,11,N/m,2,，所受拉力,F,=0.2t，受拉后应变片的阻值,R,的变化量,仅为0.2,，,所以必须使用不平衡电桥来测量这一微小的变化量。下面分析该桥式测量转换电路是如何将,R,/,R,转换为输出电压,U,o,的。,20,1. 直流电桥,直流电桥的工作原理,I,L,=0时电桥平衡,平衡条件,:,R,1,R,4,=R,2,R,3,R,1,/R,2,=R,3,/R,4,R1+R1,R2,R4,R3,U,I,L,R,L,上一页,返 回,下一页,21,2,不平衡直流电桥的工作原理及灵敏度,当电桥后面接放大器时, 电桥输出端看成开路.电桥的输出式为：,应变片工作时，其电阻变化R,上一页,返 回,下一页,22,采用等臂电桥，即,R,1,=,R,2,=,R,3,=,R,4,=,R,。此时式(2.1.24)可写为,当,R,i,R,(,i,=1,2,3,4) 时，略去上式中的高阶微量，则,上一页,返 回,下一页,23,上式表明：,R,i,R,时，电桥的输出电压与应变成线性关系。, 若相邻两桥臂的应变极性一致，即同为拉应变或压应变时，输出电压为两者之差；若相邻两桥臂的应变极性不同，则输出电压为两者之和。, 若相对两桥臂应变的极性一致，输出电压为两者之和；反之则为两者之差。, 电桥供电电压,U,越高，输出电压,U,0,越大。但是，当,U,大时，电阻应变片通过的电流也大，若超过电阻应变片所允许通过的最大工作电流，传感器就会出现蠕变和零漂。, 增大电阻应变片的灵敏系数,K,，可提高电桥的输出电压。,上一页,返 回,下一页,24,略去分母中的,R,1,/R,1,项 ,假设,R,1,/R,1,1,单臂电桥，即,R,1,桥臂变化,R,，理想的线性关系,实际输出电压,上一页,返 回,下一页,电桥的相对非线性误差为,2.非线性误差及其补偿,25,减小非线性误差 采用的措施为,：,（1）采用半桥差动电桥,R1,R2,F,U0,R1R1,R4,R3,U,R2R2,上一页,返 回,下一页,26,R,1,R,2,R,3,R,4,=R,，,R,1,R,2,=,R,严格的线性关系,电桥灵敏度比单臂时提高一倍,温度补偿作用,上一页,返 回,下一页,27,输出电压为：,U0,R1R1,U,R2R2,R4R4,R3R3,上一页,返 回,下一页,全桥差动电路,28,1.4 金属应变片的主要特性,（一）灵敏系数,（二）横向效应,（三）,温度误差及其补偿,上一页,返 回,下一页,29,应变片的电阻值 R,应变片在未经安装也不受外力情况下，于室温下测得的电阻值 .,电阻系列：,60、,120,、200、350、500、1000,可以加大应变片承受电压，,电阻值大 输出信号大，,敏感栅尺寸也增大,上一页,下一页,返 回,30,（一）灵敏系数,“标称灵敏系数”：受轴向单向力（拉或压），试件材料,为泊松系数,=0.285的钢等。一批产品中只能抽样5的,产品来测定，取平均值及允许公差值。,电阻应变片的灵敏系数,k, 电阻丝的灵敏系数,k,0,粘结层传递变形失真,还存在有横向效应,原因：,上一页,返 回,下一页,31,（二）横向效应,敏感栅是由多条直线和圆弧部分组成,直线段：沿轴向拉应变,x,，电阻,圆弧段：沿轴向压应度,y,电阻,K,(箔式应变片),上一页,下一页,返 回,l,y,x,y,32,应变片的横栅部分将纵向丝栅部分的电阻变化抵消了一部分，从而降低了整个电阻应变片的灵敏度，带来测量误差，其大小与敏感栅的构造及尺寸有关。敏感栅的纵栅愈窄、愈长，而横栅愈宽、愈短，则横向效应的影响愈小。,33,（三）温度误差及其补偿,上一页,返 回,下一页,1、敏感栅电阻随温度的变化引起的误差。当环境温度变化,t,时，敏感栅材料电阻温度系数为,，则引起的电阻相对变化为,2、试件材料的线膨胀引起的误差。当温度变化,t,时，因试件材料和敏感栅材料的线膨胀系数不同，应变片将产生附加拉长（或压缩），引起的电阻相对变化,温度误差,34,相应的虚假应变输出,可得由于温度变化而引起的总电阻变化为,35,温度补偿,单丝自补偿法,自补偿法,组合式自补偿法,线路补偿法电桥补偿法、热敏电阻,温度补偿,上一页,返 回,下一页,36, 电桥补偿法,U0,R1,R4,R3,U,Rb,F,F,R1,Rb,R1 +R,Rb -R,U0,R1R,R4,R3,U,RbR,上一页,返 回,下一页,37,电桥补偿法,优点：,简单、方便，在常温下补偿效果较好，,缺点：,在温度变化梯度较大的条件下，很难做到工作片与补偿片处于温度完全一致的情况，因而影响补偿效果。,38, 应变片的自补偿法,粘贴在被测部位上的是一种特殊应变片，当温度变化时，产生的附加应变为零或相互抵消，这种应变片称为,温度自补偿应变片,。利用这种应变片来实现温度补偿的方法称为应变片自补偿法。,a. 选择式自补偿应变片,b. 双金属敏感栅自补偿应变片,39,a.选择式自补偿应变片,优点：容易加工，成本低，,缺点：只适用特定试件材料，温度补偿范围也较窄。,上一页,返 回,下一页,由式(2.1.16)可知，实现温度补偿的条件为,当被测试件的线膨胀系数,g,已知时，通过选择敏感栅材料，,使下式成立,(2.1.21),即可达到温度自补偿的目的。,40,R1,R2,组合自补偿法,b. 双金属敏感栅自补偿应变片,敏感栅丝由两种不同温度系数的金属丝串接组成,选用两者具有不同符号的电阻温度系数,调整,R,1,和,R,2,的比例，使温度变化时产生的,电阻变化满足,通过调节两种敏感栅的长度来控制,应变片的温度自补偿，,可达0.45m/的高精度,上一页,返 回,下一页,41,热敏电阻补偿,T K,Rt,Ui,R1R,R4,R3,U0,R2,Rt,R5 分流电阻,U,U,Rt,U = Ui - U,Rt,K,上一页,返 回,下一页,42,1.5 电阻应变式传感器的应用,1应变式力传感器,2 应变式压力传感器,3. 应变式液体重量（或液位）传感器,4 应变式加速度传感器,上一页,返 回,下一页,43,上一页,返 回,下一页,1,应变式力传感器,（a）实心圆柱；（b）空心圆筒；,(1)柱式力传感器,44,R,5,R,8,R,7,R,6,R,1,R,2,R,3,R,4,R,5,R,8,R,7,R,6,R,1,R,2,R,3,R,4,Uo,U,F,45,46,(2)梁式力传感器,上一页,返 回,下一页,47,(2)梁式力传感器,等截面梁,结构简单，易加工，灵敏度高,适合于测5000N以下的载荷,b0,R1,R2,l,0,l,F,b,h, 等截面悬臂梁,48,b0,R1,R2,X,l,F,b,h, 等强度悬臂梁,49, 双端固定梁,50,薄壁圆环式力传感器,上一页,返 回,下一页,在外力作用下，各点的应力差别较大,51,BK-2S称重传感器,产品详细介绍,采用国际流行的双梁式或剪切S梁结构，拉、压输出对称性好、 测量精度高、结构紧凑，安装方便，广泛用于机电结合秤、料斗秤、包装秤等各种测力、称重系统中 供桥电压 12VDC 输入阻抗 38020 输出阻抗 35010 绝缘电阻 2000M 工作温度 -10+50,上一页,返 回,下一页,52,BK4轮辐式传感器系列,采用轮辐式结构，高度低，抗偏抗侧能力强，测量精度高，性能稳定可靠安装方便，是大、中量程精度传感器中的最佳形式，广泛用于各种电子衡器和各种力值测量，如汽车衡、轨道衡、吊勾秤、料斗秤,技术参数 量程（t） 1，2，5，10，20，30，50 供桥电压 12VDC 灵敏度 152mV/V 输入阻抗 73020 非线性（%FS） 0.03, 0.05, 0.1 输出阻抗 70010 重复性（%FS） 0.03, 0.05, 0.1 绝缘电阻 2000M 滞后（%FS） 0.03, 0.05, 0.1 工作温度 -10+50 允许过负荷 120%FS 热零点偏移（%FS/10）,上一页,返 回,下一页,53,2. 应变式压力传感器,上一页,返 回,下一页,t,r,R4,R3,R1,R2,U,U,0,膜片,P,r,t,R1,R2,R3,R4,r,t,膜片式压力传感器,54,筒式压力传感器,（,测较大压力）,机床液压系统的压力（10,6,10,7,Pa），,枪炮的膛内压力（10,8,Pa），,动态特性和灵敏度主要由材料的E值和尺寸决定,上一页,返 回,下一页,55,组合式压力传感器,应变片不直接粘贴在压力感受元件上,压力敏感元件为膜片或膜盒、波纹管、弹簧管等,通常用于测量小压力。,其缺点是固有频率低，不适于测量瞬态过程。,上一页,返 回,下一页,56,AK-1型应变式脉动压力传感器,产品,特点： 采用外壳和膜片为一体的圆膜片结构 尺寸小，安装方便 频响高，精度高，性能稳定可靠 适用于各种动，静态、气、液体介质的压力测量,上一页,返 回,下一页,57,3. 容器内液体重量（液位）传感器,上一页,返 回,下一页,58,4.,应变式加速度传感器,上一页,返 回,上一页,返 回,在低频（1060Hz）振动测量中得到广泛的应用,但不适用于频率较高的振动和冲击。,应变式加速度传感器结构示意图,1等强度梁 2质量块 3壳体 4电阻应变片,59,应变式力传感器,应变式力传感器,F,F,F,F,60,各种悬臂梁,61,各种悬臂梁,F,F,固定点,固定点,电缆,62,应变式荷重传感器的外形及应变片的粘贴位置,F,R,1,R,2,R,4,63,应变式荷重传感器外形及受力位置（续）,F,F,64,应变式荷重传感器外形及受力位置（续）,F,F,65,汽车衡,66,汽车衡,67,汽车衡,称重系统,68,荷重传感器用于构件的称重,荷重传感器,（共 3个，120度分布，以达到均衡目的，另两个未拍出）,底座,垫块,电缆,69,电子秤,磅秤,超市打印秤,远距离显示,70,电子天平,电子天平的精度可达十万分之一,71,人体秤,72,吊钩秤,便携式,73,应变式数显扭矩扳手,可用于汽车、摩托车、飞机、内燃机、机械制造和家用电器等领域，准确控制紧固螺纹的装配扭矩。量程2500N.m，耗电量10mA，有公制/英制单位转换、峰值保持、自动断电等功能。,74,