第2章应变式传感器课件

,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,*,*,*,2.1.3 应变式传感器的信号测量（调节）电路,1.测量电桥的工作原理,1)平衡电桥的工作原理,图2-7直流电桥,R,1,R,3,R,2,R,4,U,o,U,a,b,当电桥平衡时，,U,o,=0，则有,R,1,R,4,=,R,2,R,3,1,2.1.3 应变式传感器的信号测量（调节）电路 1.测量电,1,初始时，把,R,1,用应变片代替，未发生应变时，通过选择,R,2,，,R,3,，R,4,的阻值使电桥平衡。当应变片发生应变时，由于应变片的阻值由,R,1,变为（,R,1,+R,1,），电桥不再平衡，固定,R,3,，R,4,的阻值，可以通过调节,R,2，,使电桥再次达到平衡。,（,R,1,+R,1,）,R,4,R,2,R,3,（,R,1,+R,1,）,R,4,=,（,R,2,+R,2,）,R,3,R,1,R,4,+R,1,R,4,=R,2,R,3,+R,2,R,3,R,1,R,4,=R,2,R,3,（1）两次平衡（2）通过改变桥臂比，可以改变量程,应用：求出了,R,1,，就可以求出相应的应变。,2,初始时，把R1用应变片代替，未发生应变时，通过选择R2，R3,2,2）不平衡电桥的工作原理,初始平衡，若应变片电阻变化为R，其它桥臂固定不变，电桥输出电压,U,o,0，则电桥不平衡，输出电压为,初始平衡条件 ，假设,n=R,2,/R,1,R,4,/R,3,，,R,1,R,4,=,R,2,R,3,略去分母中的微小项R,1,/R,1,，则有,3,2）不平衡电桥的工作原理初始平衡条件,3,电桥的电压灵敏度为：,分析：,电桥电压灵敏度正比于电桥供电电压，供电电压越高，电桥电压灵敏度越高，但供电电压的提高受两方面的限制：一是应变片的允许温升；二是电桥电阻的温度误差。所以一般供电电压为13V。,电桥电压灵敏度是桥臂电阻比值n的函数，恰当地选择桥臂比n的值，保证电桥具有较高的电压灵敏度。,4,电桥的电压灵敏度为：4,4,分析：由 ,可求,S,u,的最大值,可知n=1时，S,u,为最大值。即在供桥电压确定后，当R,1,=R,2,，R,3,=R,4,时，电桥电压灵敏度最高，(一般取R,1,=R,2,=R,3,=R,4,)，此时有,？,当,U,值确定后，,n,取何值时才能使,S,u,最高？,应用：根据上式，如果已知应变，就可以求出输出电压；反之依然。,5,分析：由 ,5,2.非线性误差及其补偿方法,U,0,与,R,1,/,R,1,的关系是非线性的，非线性误差为,理想情况,（略去分母中的,R,1,/,R,1,项）：,实际情况,（保留分母中的,R,1,/,R,1,项）：,若n=1：,若n=1：,若n=1：,6,2.非线性误差及其补偿方法 U0与R1/R1,6,例如：,对于一般应变片：所受应变,通常在5000以下，若取应变片灵敏系数,K,=2，则,R,1,/,R,1,=,K,=0.01，计算得非线性误差为0.5%；若,K,=100，,=1000,时，,R,1,/,R,1,=0.1，则得到非线性误差为5%，故当非线性误差不能满足测量要求时，必须予以消除。,7,例如：7,7,图2-9 差动电桥,减小和消除非线性误差的方法,(1)差动电桥,8,图2-9 差动电桥 减小和消除非线性误差的方法8,8,R,4,R,3,A,C,B,U,D,U,o,半桥差动,：在试件上安装两个工作应变片，一个受拉应变，一个受压应变，接入电桥相邻桥臂。该电桥输出电压为,若,R,1,=,R,2,，,R,1,=,R,2,，,R,3,=,R,4,，则得,可知：,U,o,与,R,1,/,R,1,成线性关系，无非线性误差，而且电桥电压灵敏度,S,u,=,U,/2，是单臂工作时的2倍。,9,R4R3ACBUDUo半桥差动：在试件上安装两个工作应变片，,9,全桥差动,：在试件上安装四个工作应变片，两个受拉应变，两个受压应变，接入桥路时，将两个变形符号相同的应变片接在相对臂内，符号不同的接在相邻臂内。该电桥输出电压为,若,R,1,=,R,2,=,R,3,=,R,4,，,R,1,=,R,2,=,R,3,=,R,4,，则得,可知：,U,o,与,R,1,/,R,1,成线性关系，无非线性误差，而且电桥电压灵敏度,S,u,=,U,，是单臂工作时的4倍。,A,C,B,U,D,Uo,10,全桥差动：在试件上安装四个工作应变片，两个受拉应变，两个受压,10,（2）采用高内阻的恒流源电桥,1.电桥输出电压与电阻变化量的关系,解此方程组得：,输出电压为：,图2-10 恒流源电桥,R,1,+,R,3,R,2,R,4,U,o,I,a,b,I,1,I,2,11,（2）采用高内阻的恒流源电桥解此方程组得：输出电压为：图2-,11,若,当第一桥臂电阻变为 时，电桥输出电压为：,若忽略 ，则此时,2.非线性误差,恒流源与恒压源电路相比，非线性误差减少一倍。,12,若当第一桥臂电阻变为 时，电桥输出电压,12,2.1.4 应变式传感器的应用,应变片能将应变,直接,转换成电阻的变化,其他物理量（力、压力、加速度等），需先将这些量转换成应变弹性元件,应变式传感器的组成：弹性元件、应变片、附件（补偿元件、保护罩等）,13,2.1.4 应变式传感器的应用 应变片能将应变直接转换成电,13,1.,应变式力传感器,被测物理量：,荷重或力,主要用途：,作为各种电子称与材料试验机的测力元件、发动机的推力测试、水坝坝体承载状况监测等。,力传感器的弹性元件：,柱式、筒式、环式、悬臂式等,14,1.应变式力传感器14,14,圆柱（筒）式力传感器,（a）柱式；（b）筒式；（c）圆柱面展开图；（d）桥路连线图,1）柱（筒）式力传感器,15,圆柱（筒）式力传感器1）柱（筒）式力传感器15,15,2）环式力传感器,图 环式力传感器,(a)环式传感器结构图；(b)应力分布,16,2）环式力传感器图 环式力传感器16,16,对,R,/,h,5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。,17,对R/h5的小曲率圆环：A、B两点的应变。,17,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.应变式压力传感器,18,主要用来测量流动介质的动态或静态压力。2.应变式压力传感器,18,图 膜片式压力传感器,（a）应变变化图;（b）应变片粘贴,19,图 膜片式压力传感器19,19,应变变化曲线的特点,：当,x,=0时，,rmax,=,tmax,；,当,x=R,时，,t,=0，,r,=2,rmax,。,特点的应用,：一般在平膜片圆心处切向粘贴,R,1,、,R,4,两个应变片，在边缘处沿径向粘贴,R,2,、,R,3,两个应变片，然后接成全桥测量电路。避开 位置。,20,应变变化曲线的特点：当x=0时，rmax=tmax；,20,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,R,t,的电桥接成正向串接的双电桥电路，此时输出电压为,U,o,=,U,1,U,2,=(,K,1,K,2,),hg,式中,K,1,，,K,2,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.应变式容器内液体重量传感器,21,感压膜感受上面液体的压力。当容器中溶液增,21,图 应变片容器内液体重量传感器,22,图 应变片容器内液体重量传感器 22,22,用于物体加速度的测量。,依据：,a,=,F/m,。,图 电阻应变式加速度传感器结构图,4.应变式加速度传感器,23,用于物体加速度的测量。图 电阻应变式加速度传感器结构,23,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。,24,测量原理：将传感器壳体与被测对象刚性连接，当,24,半导体、单晶,2.2 压阻式传感器,用半导体应变片制作的传感器称为压阻式传感器。,2.2.1 压阻效应,半导体材料在沿某一轴向受外力作用时，其电阻率发生很大变化的现象，称为半导体的压阻效应。,2.2.2 工作原理,一个长为,，,横,截面积为A,电阻率为,的均匀条形半导体材料，其,电阻值为,25,半导体、单晶25,25,当该均匀条形半导体材料受到一个沿长度方向的纵向应力时，它的几何形状和内部结构要发生变化，会引起电阻值的变化，通过对上式的全微分可求得它的电阻相对变化为：,压阻系数,:半导体材料的电阻率的相对变化与应力成正比，二者的比例系数定义为压阻系数。,即,式中 为半导体材料的压阻系数，它与半导体材料的种类及应力方向与晶轴方向之间的夹角有关：E为弹性模量，与晶向有关。,26,当该均匀条形半导体材料受到一个沿长度方向的纵向应力时，它,26,实验表明，对半导体材料而言，,所以：,半导体材料的应变灵敏系数为：,27,实验表明，对半导体材料而言，所以：半导体材料的应变灵敏系数为,27,A,C,B,E,D,Uo,2.2.3 测量桥路及温度补偿恒流源供电全桥差动电桥,假设 为温度引起的电阻变化，则输出电压为：,电桥的输出电压与电阻的变化成正比，与恒流源的电流成正比，但与温度无关，因此不受温度的影响。,28,ACBEDUo2.2.3 测量桥路及温度补偿恒流源供电,28,习题与思考题,1.P19-20,2.解：,R,U,无应变时：,有应变时：,3.P22-24,4.直流电桥：直流电源供电的电桥，由被连接成四边形的四个电阻，其中一个对角线上接电源，另一个对角线上接电压检测器。,29,习题与思考题RU无应变时：有应变时：3.P22-2429,29,按桥臂的工作方式可分为：,（1）电桥单臂变化,（2）电桥相邻两臂同向变化,（3）电桥相邻两臂反向变化（半差动电桥）,（4）电桥四臂差动变化（全差动电桥）,输出电压：P26-28,5.解：输出电压分别为：,(1),(2),(3),30,按桥臂的工作方式可分为：5.解：输出电压分别为：(3),30,6.解：（,1）电阻相对变化量为：,电阻变化量为：,（2）电桥实际输出电压为：,电桥理想输出电压为：,非线性误差为：,31,6.解：（1）电阻相对变化量为：电阻变,31,（3）若要减小非线性误差，应,（1）采用差动电桥,（2）采用高内阻的恒流源电桥,32,（3）若要减小非线性误差，应32,32,本章小结,概念：电阻应变效应；横向效应；压阻效应,公式：应变、泊松系数、胡克定律、电阻相对变化与应变的关系公式,计算：直流电桥的输出电压,推导：金属丝的电阻相对变化应变的关系,33,本章小结33,33,