傳感器相關知識

1、傳感器相關知識第1頁，共152頁，2022年，5月20日，21點31分，星期日第2頁，共152頁，2022年，5月20日，21點31分，星期日本章基本要求：掌握電位器式電阻傳感器結構和工作原理；了解電位器式電阻傳感器特性指標及簡單應用；掌握應變片式電阻傳感器結構和工作原理；通過對電阻應變片測量橋路分析，掌握直流惠斯通電橋結構形式及特點；了解應變片式電阻傳感器特性指標及簡單應用；第3頁，共152頁，2022年，5月20日，21點31分，星期日第二章 電阻式傳感器一、電位計(器)式電阻傳感器二、應變式電阻傳感器三、測量電路及電阻應變儀四、電阻應變片式式傳感器應用舉例五、第三次作業(yè)第4頁，共152頁

2、，2022年，5月20日，21點31分，星期日一、電位計(器)式電阻傳感器一、線繞電位器式傳感器精密電位器 機械位移信號電信號轉換元件第5頁，共152頁，2022年，5月20日，21點31分，星期日1、線繞電位器結構和工作原理(掌握)圖 11 工作原理圖等截面線繞式電位器第6頁，共152頁，2022年，5月20日，21點31分，星期日第7頁，共152頁，2022年，5月20日，21點31分，星期日 空載特性RL=條件：LUSxSUiVV=，0LxURRUUixi=0LRSxSRRR=，xSVSR 均為常數(shù)，他們分別表明了電刷單位位移所能引起的輸出電阻和輸出電壓的變化量。也表明改變電阻值R引起輸

3、出電壓變化為線性變化。電壓的靈敏度電阻的靈敏度第8頁，共152頁，2022年，5月20日，21點31分，星期日2、線繞電位器的輸出特性(掌握)電阻靈敏度電壓靈敏度線性電位器（1）空載下第9頁，共152頁，2022年，5月20日，21點31分，星期日令分壓系數(shù)負載系數(shù) 有載特性第10頁，共152頁，2022年，5月20日，21點31分，星期日00.10.20.30.40.50.60.70.80.910.10.20.30.40.50.60.70.80.91rY0.010.10.20.510KL = 圖1-2 電位器負載特性曲線 有載特性電位器的相對輸出電位器的電阻相對變化量電位器的負載系數(shù)令：結論

4、：K L不能太??！第11頁，共152頁，2022年，5月20日，21點31分，星期日負載誤差相對負載誤差 一定，對K求一階導數(shù)，并令其= 0，得：第12頁，共152頁，2022年，5月20日，21點31分，星期日例 設電位器總電阻 ，要求負載誤差 0.1%，確定負載電阻 。2、減小電位器負載誤差的方法 負載系數(shù)減小法ad15.0max第13頁，共152頁，2022年，5月20日，21點31分，星期日3.線繞式電位器的階梯特性及其分辨率(了解)xU0 階梯特性及產生原因圖 13 階梯特性 階梯特性是由滑動觸點(電刷)在移動過程中, 從一匝滑到另一匝時電阻值產生突變所引起的。其階梯值U為：N 繞線

5、總匝數(shù) 分辨率及階梯誤差分辨率： 階梯誤差： 在理想情況下，工作曲線均勻穿過實際曲線的階梯，此時的階梯誤差為：第14頁，共152頁，2022年，5月20日，21點31分，星期日階梯誤差電壓分辨率行程分辨率第15頁，共152頁，2022年，5月20日，21點31分，星期日4、線繞電位器結構(了解)第16頁，共152頁，2022年，5月20日，21點31分，星期日二、非線繞電位器式傳感器(了解)1、薄膜電位器2、導電塑料電位器基體、電阻膜帶、電刷、轉軸、導電環(huán)合成膜電位器金屬膜電位器3、光電電位器無接觸式電位器光電導層暗電阻:絕緣體明電阻:良導體第17頁，共152頁，2022年，5月20日，21點

6、31分，星期日優(yōu)點：精度、壽命、分辨率、可靠性高、阻值范圍寬缺點：溫度范圍窄、輸出電流小、輸出阻抗較高 結構復雜、體積和重量大第18頁，共152頁，2022年，5月20日，21點31分，星期日三、電位器式傳感器的應用(了解)1、航空飛行高度傳感器第19頁，共152頁，2022年，5月20日，21點31分，星期日2、液面高度測試儀第20頁，共152頁，2022年，5月20日，21點31分，星期日3、電位器式位移傳感器返回第21頁，共152頁，2022年，5月20日，21點31分，星期日二、應變式電阻傳感器一、電阻應變計的結構(掌握)：柵狀敏感柵基底粘結劑蓋層引線傳遞應變應變計工作的物理基礎 電阻

7、應變效應用途：測量位移、加速度、力、力矩、壓力應用領域：航空、機械、電力、化工、建筑、醫(yī)學等。第22頁，共152頁，2022年，5月20日，21點31分，星期日除了外界壓力外，是否還存在使金屬絲發(fā)生形變的其他因素？第23頁，共152頁，2022年，5月20日，21點31分，星期日 金屬電阻應變片的材料(了解) 對電阻絲材料應有如下要求： 靈敏系數(shù)大，且在相當大的應變范圍內保持常數(shù)； 值大，即在同樣長度、同樣橫截面積的電阻絲中具有較大的電阻值； 電阻溫度系數(shù)小，否則因環(huán)境溫度變化也會改變其阻值； 與銅線的焊接性能好， 與其它金屬的接觸電勢??； 機械強度高， 具有優(yōu)良的機械加工性能。 第24頁，共

8、152頁，2022年，5月20日，21點31分，星期日 金屬電阻應變片的粘貼(了解) 應變片是用粘結劑粘貼到被測件上的。粘結劑形成的膠層必須準確迅速地將被測件應變傳遞到敏感柵上。選擇粘結劑時必須考慮應變片材料和被測件材料性能，不僅要求粘接力強，粘結后機械性能可靠，而且粘合層要有足夠大的剪切彈性模量， 良好的電絕緣性，蠕變和滯后小，耐濕，耐油，耐老化，動態(tài)應力測量時耐疲勞等。 還要考慮到應變片的工作條件，如溫度、相對濕度、穩(wěn)定性要求以及貼片固化時加熱加壓的可能性等。第25頁，共152頁，2022年，5月20日，21點31分，星期日二、應變效應(掌握) 導體或半導體材料在受到外界力(拉力或壓力)作

9、用時,產生機械變形,機械變形導致其阻值變化,這種因形變而使其阻值發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為“應變效應”定義：第26頁，共152頁，2022年，5月20日，21點31分，星期日1、導電材料的應變電阻效應第27頁，共152頁，2022年，5月20日，21點31分，星期日圖 應變片軸向受力及橫向效應 （a） 應變片及軸向受力圖； （b） 應變片的橫向效應圖 第28頁，共152頁，2022年，5月20日，21點31分，星期日 dA/A圓形電阻絲的截面積相對變化量，設r為電阻絲的半徑，微分后可得dA=2r dr，則 由材料力學可知，在彈性范圍內，金屬絲受拉力時，沿軸向伸長，沿徑向縮短，令dl/l=為金屬電阻絲的

10、軸向應變，那么軸向應變和徑向應變的關系可表示為 式中,為電阻絲材料的泊松比,負號表示應變方向相反。 第29頁，共152頁，2022年，5月20日，21點31分，星期日軸向線應變其中單位：“微應變”徑向線應變P23軸向線應變泊淞比第30頁，共152頁，2022年，5月20日，21點31分，星期日（1）金屬材料的應變電阻效應（2）半導體材料的應變電阻效應 金屬材料的電阻相對變化與線應變成正比 半導體材料的電阻相對變化與線應變成正比金屬絲材的應變靈敏系數(shù)半導體材料的應變靈敏系數(shù)第31頁，共152頁，2022年，5月20日，21點31分，星期日（3）導電絲材的應變電阻效應金屬半導體幾何尺寸變化電阻率變

11、化金屬絲材的應變電阻效應以結構尺寸變化為主， Km=1.8 4.8幾何尺寸變化壓阻效應半導體材料的應變電阻效應主要基于壓阻效應第32頁，共152頁，2022年，5月20日，21點31分，星期日 用應變片測量應變或應力時，根據(jù)上述特點，在外力作用下，被測對象產生微小機械變形，應變片隨著發(fā)生相同的變化， 同時應變片電阻值也發(fā)生相應變化。當測得應變片電阻值變化量為R時，便可得到被測對象的應變值， 根據(jù)應力與應變的關系，得到應力值為 =E 三、應變片測量原理(掌握)- 試件的應力- 試件的應變 E-試件材料的彈性模量(kg/mm2)第33頁，共152頁，2022年，5月20日，21點31分，星期日四、

12、 應變片的分類(了解) 應變片有很多品種系列: 從尺寸上講, 長的有幾百mm, 短的僅0.2 mm; 由結構形式上看, 有單片、雙片、應變花和各種特殊形狀的圖案; 就使用環(huán)境上說, 有高溫、低溫、水、核輻射、 高壓、磁場等; 而安裝形式, 有粘貼、非粘貼、焊接、火焰噴涂等。 主要的分類方法是根據(jù)敏感元件材料的不同, 將應變片分為金屬式和半導體式兩大類。從敏感元件的形態(tài)又可進一步分類如下: 第34頁，共152頁，2022年，5月20日，21點31分，星期日應變片金屬屬性半導體式體形薄膜型絲式箔式紙基膠基體型薄模型擴散型外延型Pn結及其它形式第35頁，共152頁，2022年，5月20日，21點31

13、分，星期日 半導體式體型薄膜型、擴散型、外延型、PN結及其他形式 金屬電阻應變片常見的形式有絲式、 箔式、 薄膜式等。 絲式應變計是最早應用的品種。 金屬絲彎曲部分可作成圓弧、銳角或直角, 如圖所示。 彎曲部分作成圓?。║）形是最早常用的一種形式, 制作簡單但橫向效應較大。 直角（H）形兩端用較粗的鍍銀銅線焊接, 橫向效應相對較小, 但制作工藝復雜, 將逐漸被橫向效應小、 其他方面性能更優(yōu)越的箔式應變片所代替。第36頁，共152頁，2022年，5月20日，21點31分，星期日 圖 絲式應變計箔式應變計的線柵是通過光刻、腐蝕等工藝制成很薄的金屬薄柵（厚度一般在0.0030.01mm）。與絲式應變

14、計相比有如下優(yōu)點: 第37頁，共152頁，2022年，5月20日，21點31分，星期日 (1) 工藝上能保證線柵的尺寸正確、 線條均勻, 大批量生產時, 阻值離散程度小。 (2) 可根據(jù)需要制成任意形狀的箔式應變片和微型小基長（如基長為0.1 mm）的應變片。 (3) 敏感柵截面積為矩形, 表面積大, 散熱好, 在相同截面情況下能通過較大電流。 (4) 厚度薄, 因此具有較好的可撓性, 它的扁平狀箔柵有利于形變的傳遞。 (5) 蠕變小, 疲勞壽命高。 (6) 橫向效應小。 (7) 便于批量生產, 生產效率高。 第38頁，共152頁，2022年，5月20日，21點31分，星期日圖 幾種箔式應變片

15、 圖中畫出了幾種箔式應變片。 第39頁，共152頁，2022年，5月20日，21點31分，星期日 薄膜式應變片是采用真空濺射或真空沉積技術, 在薄的絕緣基片上蒸鍍金屬電阻薄膜（厚度在零點幾納米到幾百納米）, 再加上保護層制成。 其優(yōu)點是靈敏度高, 允許通過的電流密度大, 工作溫度范圍廣, 可工作于-197317C, 也可用于核輻射等特殊情況下。制作應變計敏感元件的金屬材料應有如下要求: (1) k0大, 并在盡可能大的范圍內保持常數(shù)。第40頁，共152頁，2022年，5月20日，21點31分，星期日 (2) 電阻率大。 這樣, 在一定電阻值要求下, 同樣線徑, 所需電阻絲長度短。 (3) 電阻

16、溫度系數(shù)小。高溫使用時, 還要求耐高溫氧化性能好。 (4) 具有良好的加工焊接性能。 常用的敏感元件材料是康銅（銅鎳合金）、鎳鉻合金、鐵鉻鋁合金、 鐵鎳鉻合金等。 常溫下使用的應變片多由康銅制成。 第41頁，共152頁，2022年，5月20日，21點31分，星期日 半導體應變計應用較普遍的有體型、薄膜型、擴散型、外延型等。體型半導體應變計是將晶片按一定取向切片、研磨、再切割成細條, 粘貼于基片上制作而成。幾種體型半導體應變計示意圖如圖所示。體型半導體應變計示意圖第42頁，共152頁，2022年，5月20日，21點31分，星期日半導體材料的應變電阻效應主要基于壓阻效應第43頁，共152頁，202

17、2年，5月20日，21點31分，星期日 半導體應變片是用半導體材料制成的，其工作原理是基于半導體材料的壓阻效應。壓阻效應是指半導體材料，當某一軸向受外力作用時， 其電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象。當半導體應變片受軸向力作用時， 其電阻相對變化為 式中d/為半導體應變片的電阻率相對變化量，其值與半導體敏感元件在軸向所受的應變力有關，其關系為 第44頁，共152頁，2022年，5月20日，21點31分，星期日將上式計算可得 實驗證明，E比1+2大上百倍，所以1+2可以忽略，因而半導體應變片的靈敏系數(shù)為 -半導休材料的壓阻系數(shù) 第45頁，共152頁，2022年，5月20日，21點31分，星期日 半導體應變片的

18、靈敏系數(shù)比金屬絲式高5080倍， 但半導體材料的溫度系數(shù)大，應變時非線性比較嚴重， 使它的應用范圍受到一定的限制。 用應變片測量應變或應力時，根據(jù)上述特點，在外力作用下，被測對象產生微小機械變形，應變片隨著發(fā)生相同的變化， 同時應變片電阻值也發(fā)生相應變化。當測得應變片電阻值變化量為R時，便可得到被測對象的應變值， 根據(jù)應力與應變的關系，得到應力值為 =E 第46頁，共152頁，2022年，5月20日，21點31分，星期日 薄膜型半導體應變計是利用真空沉積技術將半導體材料沉積于絕緣體或藍寶石基片上制成的。 擴散型半導體應變計是將P型雜質擴散到高阻的N型硅基片上, 形成一層極薄的敏感層制成的。 外

19、延型半導體應變計是在多晶硅或藍寶石基片上外延一層單晶硅制成的。 半導體應變計有如下優(yōu)點:第47頁，共152頁，2022年，5月20日，21點31分，星期日 (1) 靈敏度高。 比金屬應變計的靈敏度約大50100倍。 工作時, 可不必用放大器就可用電壓表或示波器等簡單儀器記錄測量結果。 (2) 體積小, 耗電省。 (3) 由于具有正、 負兩種符號的應力效應（即在拉伸時P型硅應變計的靈敏度系數(shù)為正值; 而N型硅應變計的靈敏度系數(shù)為負值。 (4) 機械滯后小, 可測量靜態(tài)應變、 低頻應變等。 第48頁，共152頁，2022年，5月20日，21點31分，星期日五、電阻應變計的特性(掌握)應變計是一種重

20、要的敏感元件。首先, 它在實驗應力分析中是測量應變和應力的主要傳感元件; 其次, 某些其他類型的傳感器, 如膜片式壓力傳感器、 加速度計、線位移傳感器等, 也經(jīng)常使用應變計作為機電轉換元件或敏感元件, 廣泛地應用于工程測量和科學實驗中。 應變計之所以成為重要的敏感元件, 主要由于具有如下優(yōu)點:第49頁，共152頁，2022年，5月20日，21點31分，星期日 (1) 測量應變的靈敏度和精確度高。能測12微應變（110-6 mm/mm）的應變。 誤差一般可小于1%。精度可達 0.015%FS（普通精度可達 0.05%FS）。 (2) 測量范圍大。 從彈性變形一直可測至塑性變形。 變形范圍從1%2

21、0%。 (3) 尺寸?。ǔ⌒蛻冇嫷拿舾袞懦叽鐬?0.2mm2.5 mm）, 重量輕, 對試件工作狀態(tài)和應力分布影響很小。既可用于靜態(tài)測量, 又可用于動態(tài)測量, 且具有良好的動態(tài)響應（可測幾十甚至上百赫的動態(tài)過程）。 第50頁，共152頁，2022年，5月20日，21點31分，星期日 (4) 能適應各種環(huán)境。可以在高溫、超低壓、高壓、水下、 強磁場以及輻射等惡劣環(huán)境下使用。 (5) 價格低廉、 品種多樣, 便于選擇和大量使用。 應變計有如下缺點: 在大應變下具有較大的非線性, 半導體應變計的非線性更為明顯; 輸出信號較微弱, 故抗干擾能力較差。 應變式傳感器的性能在很大程度上取決于應變計的性

22、能。下面就來討論應變計的主要特性。 第51頁，共152頁，2022年，5月20日，21點31分，星期日1、靜態(tài)特性靈敏度系數(shù) 金屬電阻絲的電阻相對變化與它所感受的應變之間具有線性關系, 用靈敏度系數(shù)k0表示這種關系。金屬絲做成應變計后, 由于基片、粘合劑以及敏感柵的橫向效應, 電阻應變特性與單根金屬絲將有所不同, 必須重新用實驗來測定。 實驗是按規(guī)定的統(tǒng)一標準進行的。電阻應變計貼在一維力作用下的試件上, 例如受軸向拉壓的直桿、純彎梁等。第52頁，共152頁，2022年，5月20日，21點31分，星期日 試件材料用泊松系數(shù) =0.285的鋼。用精密電阻電橋或其他儀器測出應變計相對電阻變化, 再用

23、其他測應變的儀器測定試件的應變, 得出電阻應變計的電阻應變特性。實驗證明, 電阻應變計的電阻相對變化R/R與應變l/l=之間在很大范圍內是線性的, 即第53頁，共152頁，2022年，5月20日，21點31分，星期日式中, 為電阻應變計的靈敏度系數(shù)。 因一般應變計粘貼到試件上后不能取下再用, 只能在每批產品中提取一定百分比（如 5%）的產品進行測定, 取其平均值作為這一批產品的靈敏度系數(shù)。這就是產品包裝盒上注明的靈敏度系數(shù), 或稱“標稱靈敏度系數(shù)”。 第54頁，共152頁，2022年，5月20日，21點31分，星期日橫向效應 實驗表明, 應變計的靈敏度k恒小于金屬線材的靈敏度系數(shù)k0。其原因除

24、了粘合劑、基片傳遞變形失真外, 主要是由于存在橫向效應。 敏感柵由許多直線及圓角組成, 如圖所示。 拉伸被測試件時, 粘貼在試件上的應變計, 被沿應變計長度方向拉伸, 產生縱向拉伸應變x, 應變計直線段電阻將增加。 但是在圓弧段上, 沿各微段（圓弧的切向）的應變并不是x, 與直線段上同樣長的微段所產生的電阻變化不同。第55頁，共152頁，2022年，5月20日，21點31分，星期日 圖第56頁，共152頁，2022年，5月20日，21點31分，星期日 最明顯的是在=/2 垂直方向的微段, 按泊松比關系產生壓應變-y。該微段電阻不僅不增加, 反而減少。在圓弧的其他各微段上, 感受的應變是由+x變

25、化到- y的。這樣, 圓弧段的電阻變化, 顯然將小于同樣長度沿x方向的直線段的電阻變化。 因此, 將同樣長的金屬線材做成敏感柵后, 對同樣應變, 應變計敏感柵的電阻變化較小, 靈敏度有所降低。 這種現(xiàn)象稱為應變計的橫向效應。第57頁，共152頁，2022年，5月20日，21點31分，星期日下面計算橫向效應引起的誤差。 由彈性力學知, 對平面問題, 如果已知任一點P處三個應變分量x, y, xy, 則任何斜向微小線段的正應變 式中, l、 m 為斜向小線段的方向余弦。 如圖 所示, 第58頁，共152頁，2022年，5月20日，21點31分，星期日圖 斜向小線段的方向余弦第59頁，共152頁，2

26、022年，5月20日，21點31分，星期日則 采用半角公式則第60頁，共152頁，2022年，5月20日，21點31分，星期日 當電阻絲受到x, y, xy作用時, 半圓部分的伸長為 式中, ls為半圓弧長, r為圓半徑。 設應變計一個直線段的伸長為 l1=xl1 (l1為直線段長度) 若有n 個直線段, 而半圓弧共有(n-1)個, 那么全長為 L=n l1+(n-1) ls第61頁，共152頁，2022年，5月20日，21點31分，星期日 整個應變計電阻絲受x, y, xy作用后的總伸長為 因電阻的變化與電阻絲之伸長有如下關系 則得第62頁，共152頁，2022年，5月20日，21點31分，

27、星期日 設 可寫成對其他型式應變計也適用的一般形式 式中, kx為對軸向應變的靈敏度系數(shù), 它代表y=0 時, 敏感柵電阻相對變化與x之比, ky為對橫向應變的靈敏度系數(shù), 它代表x=0 時, 敏感柵電阻相對變化與y之比。 因為 第63頁，共152頁，2022年，5月20日，21點31分，星期日 稱為橫向效應系數(shù)。可見ls（r）愈小, l1愈大, H愈小。即敏感柵愈窄, 基長愈長的應變計, 其橫向效應引起的誤差越小。 因為第64頁，共152頁，2022年，5月20日，21點31分，星期日橫向效應系數(shù)的測定方法：R1R2兩式相除第65頁，共152頁，2022年，5月20日，21點31分，星期日其

28、他特性參數(shù)(非重點）線性度 試件的應變和電阻的相對變化R/R, 在理論上呈線性關系。 但實際上, 在大應變時, 會出現(xiàn)非線性關系。應變計的非線性度一般要求在0.05%或1%以內。應變極限 粘貼在試件上的應變計所能測量的最大應變值稱為應變極限。 在一定的溫度 (室溫或極限使用溫度) 下, 對試件緩慢地施加均勻的拉伸載荷, 當應變計的指示應變值對真實應變值的相對誤差大于10%時, 就認為應變計已達到破壞狀態(tài), 此時的真實應變值就作為該批應變計的應變極限。 mee8000lim第66頁，共152頁，2022年，5月20日，21點31分，星期日機械滯后和熱滯后 貼有應變計的試件進行加載和卸載時, 其R

29、/R-特性曲線不重合。把加載和卸載特性曲線的最大差值稱為應變計的機械滯后值。 零漂和蠕變 恒定溫度下, 粘貼在試件上的應變計, 在不承受載荷的條件下, 應變量隨時間變化的特性稱為應變計的零漂。在恒溫恒載下, 粘貼在試件上的應變計，應變量隨時間變化的特性稱為應變計的蠕變。產生零漂和蠕變的主要原因是, 敏感柵通過工作電流后的溫度效應, 應變計的內應力逐漸變化, 粘接劑固化不充分等。 第67頁，共152頁，2022年，5月20日，21點31分，星期日圖 應變計的機械滯后圖 零漂和蠕變第68頁，共152頁，2022年，5月20日，21點31分，星期日疲勞壽命 已安裝的應變計, 在恒定幅值的交變應力作用

30、下, 可以連續(xù)工作而不產生疲勞損壞的循環(huán)次數(shù)。 所謂疲勞損壞是指應變計指示應變的變化超過規(guī)定誤差, 或者應變計的輸出波形上出現(xiàn)毛刺, 或者應變計完全損壞而無法工作。疲勞壽命反映應變計對動態(tài)應變的適應能力。應變計的疲勞壽命的循環(huán)次數(shù)一般可達106次。 第69頁，共152頁，2022年，5月20日，21點31分，星期日最大工作電流 最大工作電流是指允許通過應變計而不影響其工作的最大電流值。工作電流大, 應變計輸出信號就大, 因而靈敏度高。但過大的工作電流會使應變計本身過熱, 使靈敏系數(shù)變化, 零漂、蠕變增加, 甚至燒壞應變計。工作電流的選取, 要根據(jù)散熱條件而定, 主要取決于敏感柵的幾何形狀和尺寸

31、、截面的形狀和大小、基底的尺寸和材料、粘合劑的材料和厚度以及試件的散熱性能等。通常允許電流值在靜態(tài)測量時約取25 mA左右, 動態(tài)測量時可高一些, 箔式應變計可取更大些。在測量塑料、 玻璃、 陶瓷等導熱性差的材料時, 工作電流要取小些。 第70頁，共152頁，2022年，5月20日，21點31分，星期日絕緣電阻 絕緣電阻是指應變計的引線與被測試件之間的電阻值, 一般以兆歐計。 絕緣電阻過低, 會造成應變計與試件之間漏電而產生測量誤差。 應變計電阻值R 應變計在未安裝也不受外力的情況下, 于室溫時測得的電阻值。這是使用應變計時應知道的一個參數(shù)。國內應變計系列習慣上選用120、 175、 350、

32、 500、 1000、 1500。 幾何尺寸 圓弧敏感柵應變計敏感柵基長L從圓弧頂部算起, 箔式應變計則從橫向粗線的內沿算起。通常應變計L 約為230mm, 箔式應變計最小可達0.2mm, 長的達100mm或更長。 第71頁，共152頁，2022年，5月20日，21點31分，星期日2、應變計的動態(tài)特性 在測量頻率較高的動態(tài)應變時, 應考慮到它的動態(tài)響應特性。 在動態(tài)情況下, 應變以波動形式在材料中傳播, 傳播速度為聲速。 應力波從試件通過膠層、 基片傳到敏感柵需要一定時間。沿應變計長度方向經(jīng)過敏感柵需要更長一些的時間。敏感柵電阻的變化是對某一瞬時作用于其上應力的平均值的反應。鋼材聲速為5000

33、m/s, 膠層聲速為1000m/s。 膠層和基片的總厚度約為0.05mm, 由試件經(jīng)過膠層和基片傳到敏感柵的時間約為 510-8s, 可以忽略不計。 然而, 當應變波沿敏感柵長度方向傳播的影響, 應加以考慮。 第72頁，共152頁，2022年，5月20日，21點31分，星期日 階躍波沿敏感柵軸向傳播時, 由于應變波通過敏感柵需要一定時間, 當階躍波的躍起部分通過敏感柵全部長度后, 電阻變化才達到最大值。應變計的理論響應特性。由于應變計粘合層對應變中高次諧波的衰減作用, 實際波形如圖所示。如以輸出從最大值的10%上升到90%的這段時間為上升時間, 則可測頻率 0.35,rft=第73頁，共152

34、頁，2022年，5月20日，21點31分，星期日階躍應變波通過敏感柵及其波形圖 90%100%tr10%tk0.8uLts(a)(b)(c)uL第74頁，共152頁，2022年，5月20日，21點31分，星期日 實際上tr值是很小的。 例如, 應變計基長L=20mm, 應變 波速v=5000m/s時, tr=3.210-6s, f=110 kHz。 當測量按正弦規(guī)律變化的應變波時, 由于應變計反映的應變波形, 是應變計線柵長度內所感受應變量的平均值, 因此應變計反應的波幅將低于真實應變波, 從而帶來一定誤差。顯然, 這種誤差將隨應變計基長的增加而加大。 當基片一定時將隨頻率的增加而加大。表示應

35、變計正處于應變波達到最大值時的瞬時情況。應變波的波長為, 應變計的基長為L, 兩端點的坐標為x1和x2, 而 此時應變計在其基長L內測得的平均應變p達到最大值。 其值為第75頁，共152頁，2022年，5月20日，21點31分，星期日圖第76頁，共152頁，2022年，5月20日，21點31分，星期日 設= , 因而應變波幅測量的相對誤差e為 因為= 第77頁，共152頁，2022年，5月20日，21點31分，星期日 對于鋼材 v =5000m/s, 若要e=1%時, 對L=1mm的應變計, 其允許的最高工作頻率為 由上式可知, 測量誤差e與應變波長對基長的相對比值n=/L有關, 其關系曲線如

36、圖2.9所示。/L愈大, 誤差e愈小。一般可取/L=1020, 其誤差 e小于1.60.4%。 又有f=v/(nL)。即 n愈大, 工作頻率愈高。 第78頁，共152頁，2022年，5月20日，21點31分，星期日 圖 2.9第79頁，共152頁，2022年，5月20日，21點31分，星期日六、應變計的溫度特性及補償(掌握)1、熱輸出及原因（1）敏感柵電阻值（T）（2）線膨脹系數(shù)不匹配由于溫度變化引起的應變輸出熱輸出-敏感材料的電阻溫度系數(shù)分別為應變柵與試件材料的膨脹系數(shù)。第80頁，共152頁，2022年，5月20日，21點31分，星期日例解： 2、熱輸出的補償方法（1）單絲自補償-敏感材料的

37、電阻溫度系數(shù)第81頁，共152頁，2022年，5月20日，21點31分，星期日（2）雙絲自補償（3）橋路補償法相同的應變片平衡電阻-敏感材料的電阻溫度相反返回第82頁，共152頁，2022年，5月20日，21點31分，星期日三、測量電路及電阻應變儀(掌握)例 變化 電阻應變計電橋電路機械應變U(I) 變化電阻應變儀放大、顯示第83頁，共152頁，2022年，5月20日，21點31分，星期日一、應變電橋(掌握)雙臂應變電橋單臂應變電橋全臂應變電橋直流電橋：R交流電橋: R、L、C不平衡橋式：偏差測量法（動態(tài)）平衡橋式：零位測量法（靜態(tài)）半等臂電橋全等臂電橋工作方式橋臂關系電源負載工作臂電壓輸出橋

38、：功率輸出橋：U、I電源端對稱輸出端對稱第84頁，共152頁，2022年，5月20日，21點31分，星期日二、直流電橋及輸出特性(掌握)初始平衡條件：或此時1、電壓輸出橋的輸出特性第85頁，共152頁，2022年，5月20日，21點31分，星期日ABC：ADC：電橋平衡條件：第86頁，共152頁，2022年，5月20日，21點31分，星期日橋臂比線性部分非線性部分-為非線性系數(shù)第87頁，共152頁，2022年，5月20日，21點31分，星期日討論：全等臂電橋半等臂對輸出端對稱電橋線性部分-非線性誤差第88頁，共152頁，2022年，5月20日，21點31分，星期日（1）電橋的靈敏度（2）電橋的

39、非線性補償措施加減特性，雙臂或四臂差動工作方式K：金屬 半導體（3）電橋的加減特性對象：全等臂電橋、對輸出端對稱電橋 “相鄰臂相減，相對臂相加”第89頁，共152頁，2022年，5月20日，21點31分，星期日一個橋臂R1工作兩個相鄰橋臂工作第90頁，共152頁，2022年，5月20日，21點31分，星期日兩個相對橋臂工作全臂工作第91頁，共152頁，2022年，5月20日，21點31分，星期日電橋加減特性 “相鄰臂相減，相對臂相加”例 ： 分析橋路補償塊法進行溫度補償?shù)脑斫猓?第92頁，共152頁，2022年，5月20日，21點31分，星期日例 解： 第93頁，共152頁，2022年，5月

40、20日，21點31分，星期日例 利用全橋測量提高靈敏度并實現(xiàn)溫度補償。解 第94頁，共152頁，2022年，5月20日，21點31分，星期日恒流源供電法a恒流源供電電橋特點：橋路供電電流I =恒量。工作原理分析 設：流過R1、R2支路的電流為I1； 流過R3、R4支路的電流為I2。輸出U 0在無應變時為:當有應變發(fā)生時R 1 R 1+R 1，在無應變時滿足R1=R2=R3=R4輸出為：?。簳r，舍掉的非線性因子：比小得多。恒流源供電法(了解)a恒流源供電電橋第95頁，共152頁，2022年，5月20日，21點31分，星期日2、功率輸出橋的輸出特性(了解)輸出功率最大的條件：第96頁，共152頁，

41、2022年，5月20日，21點31分，星期日（1）全等臂電橋（2）半等臂對輸出端對稱電橋第97頁，共152頁，2022年，5月20日，21點31分，星期日三、交流電橋及其平衡(了解) 根據(jù)直流電橋分析可知，由于應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生零漂，因此應變電橋多采用交流電橋。 圖為半橋差動交流電橋的一般形式，為交流電壓源， 由于供橋電源為交流電源，引線分布電容使得二橋臂應變片呈現(xiàn)復阻抗特性，其中Z1, Z2, Z3, Z4為復阻抗。即相當于兩只應變片各并聯(lián)了一個電容，其電源電壓, 輸出電壓均應用復數(shù)表示。則每一橋臂上復阻抗分別為 第98頁，共152頁，2022年，5

42、月20日，21點31分，星期日圖 交流電橋 第99頁，共152頁，2022年，5月20日，21點31分，星期日輸出電壓的特性方程為第100頁，共152頁，2022年，5月20日，21點31分，星期日平衡條件或1、交流電橋平衡條件第101頁，共152頁，2022年，5月20日，21點31分，星期日（1）電阻調平法2、交流電橋的調平方法串聯(lián)電阻法并聯(lián)電阻法第102頁，共152頁，2022年，5月20日，21點31分，星期日（2）電容調平法差動電容法阻容調平法第103頁，共152頁，2022年，5月20日，21點31分，星期日四、電阻應變儀(了解)1、分類第104頁，共152頁，2022年，5月20

43、日，21點31分，星期日第105頁，共152頁，2022年，5月20日，21點31分，星期日2、結構及工作原理電橋：電源 400 2000Hz，被測應變信號放大器：放大倍數(shù)帶寬振蕩器：載波信號、相敏檢波器的參考電壓相敏檢波器：檢波器（解調）、辨別相位第106頁，共152頁，2022年，5月20日，21點31分，星期日圖 電阻應變儀方框圖第107頁，共152頁，2022年，5月20日，21點31分，星期日 在測量靜態(tài)應變時,不是將由相敏檢波器檢波后的信號直接記錄、處理或顯示,而是采用一個讀數(shù)電橋來測定應變。讀數(shù)電橋與測量電橋都由同一振蕩器來供電,它們的輸出端反向串聯(lián)起來輸入到放大器的輸入變壓器的

44、初級。 第108頁，共152頁，2022年，5月20日，21點31分，星期日 當測量電橋感受應變,使電橋不平衡而有一輸出電壓e1時,適當改變讀數(shù)電橋的橋臂電阻值,使其失去平衡輸出一個幅值大小與測量電橋輸出電壓相等而相位相反的輸出電壓e2。當e1-e2=0時,檢流計指示為零;當e1e2時,放大器立即將它放大,引起檢流計很大偏轉,從而能夠很精確地調整讀數(shù)電橋的橋臂阻值使e1很精確地等于e2。 第109頁，共152頁，2022年，5月20日，21點31分，星期日 由于測量電橋與讀數(shù)電橋均由同一振蕩器供電,因此電源電壓的波動,將對e1、e2產生同樣比例的影響,所以不會影響應變讀數(shù)。另外,在這種情況下,

45、放大器以及檢流計只起平衡指示作用,只要放大器放大系數(shù)足夠大,檢流計比較靈敏就夠了。對放大系數(shù)的穩(wěn)定性和檢流計的精度要求就可以大為降低。零值法的優(yōu)點是,測量精度主要取決于讀數(shù)電橋的精度,而不受電橋供電電壓波動以及放大器放大系數(shù)波動等的影響,因此測量精度較高。但由于需要進行手調平衡,故一般用于靜態(tài)測量。 第110頁，共152頁，2022年，5月20日，21點31分，星期日 通常的靜、動態(tài)電阻應變儀的測量電路有交流供橋載波放大和直流供橋直流放大兩種類型。交流供橋載波放大具有靈敏度高,穩(wěn)定性好,受外界干擾和電源影響小及造價低等優(yōu)點。但存在工作頻率上限較低,導線分布電容影響大等缺點。而直流放大器等則相反

46、,工作頻帶寬,能解決分布電容等問題。但它需配用精密電源供橋和穩(wěn)定的直流放大器,造價較高。第111頁，共152頁，2022年，5月20日，21點31分，星期日 在數(shù)字應變儀、超動態(tài)應變儀中已逐漸采用由參考穩(wěn)壓電源和運算放大電路組成的直流電橋電路。當然,直流放大器原理上的缺點并未徹底克服,實際運用時,需采取各種輔助技術。由于直流電橋輸出的穩(wěn)定性和供橋直流電壓的穩(wěn)定性密切相關,因此,直流電橋必須有一個穩(wěn)定的直流供橋電壓。采用集成的參考穩(wěn)壓電源和運算放大電路可以得到穩(wěn)定的供橋直流電壓,如下圖所示。第112頁，共152頁，2022年，5月20日，21點31分，星期日圖 基本電橋驅動電路 第113頁，共1

47、52頁，2022年，5月20日，21點31分，星期日 圖為專用的傳感器電源模塊作為穩(wěn)定的直流供橋電壓源。圖中(a)為基本電路,圖(b)為電源模塊。因為電橋工作在非零輸出狀態(tài),其激勵電壓發(fā)生變化會直接影響到電橋輸出的變化,對于低阻值電橋(應變計使用低阻值應變計時)連接到電橋激勵端的導線上的電壓降可能明顯地改變電橋激勵電壓,從而產生誤差。 第114頁，共152頁，2022年，5月20日，21點31分，星期日圖第115頁，共152頁，2022年，5月20日，21點31分，星期日圖第116頁，共152頁，2022年，5月20日，21點31分，星期日 為了校正此誤差,常采用四線法(凱爾文法)連接電橋。兩

48、根導線傳送給電橋電流,另兩根導線感受在電橋兩端的實際電壓,此實際電壓反饋回來與參考電壓相比較,以調整供橋電源的輸出電壓維持在所要求的電橋電壓值上。高增益的反饋回路使輸給電橋的電壓必定是比較器輸入為零(Ur-kUB=0)時,所需電壓,因此UB=Ur/k,如圖 (a)所示。第117頁，共152頁，2022年，5月20日，21點31分，星期日第118頁，共152頁，2022年，5月20日，21點31分，星期日被測應變信號調幅后輸出電壓一般檢波器檢波相敏檢波器檢波第119頁，共152頁，2022年，5月20日，21點31分，星期日3、環(huán)形相敏檢波器(掌握)拉伸應變壓縮應變第120頁，共152頁，202

49、2年，5月20日，21點31分，星期日 拉伸應變第121頁，共152頁，2022年，5月20日，21點31分，星期日 壓縮應變返回第122頁，共152頁，2022年，5月20日，21點31分，星期日五、電阻應變片式傳感器應用舉例一、應變式傳感器的特點(了解)1、優(yōu)點應用和測量范圍廣精度和靈敏度高頻率響應特性好對復雜環(huán)境的適應性強商品化2、缺點大應變下的非線性屏蔽措施不能測應力梯度的變化0.1%0.01%幾十上百KHz第123頁，共152頁，2022年，5月20日，21點31分，星期日二、應變計的使用(了解)1、應變計的型號代號第124頁，共152頁，2022年，5月20日，21點31分，星期日

50、2、應變計的選用（1）選擇類型(a) 、(f) 、(i) ：直角應變花(b)、(g)：45 。應變花(c)：45 。應變花(d)、(e)：縱向、橫向應變計鏈(h)：殘余應變計第125頁，共152頁，2022年，5月20日，21點31分，星期日例 裂紋探測應變計第126頁，共152頁，2022年，5月20日，21點31分，星期日例： 膜片式應變壓力傳感器周邊固定的圓形金屬膜片徑向應變切向應變徑向負應變切向正應變第127頁，共152頁，2022年，5月20日，21點31分，星期日（2）材料考慮（3）阻值選擇（4）尺寸選擇敏感柵、基底材料電阻應變儀：120 提高靈敏度：大阻值 應變梯度較大：柵長較小

51、 瞬態(tài)及高頻動態(tài)應變：柵長較小 3、應變計的使用方法（1）粘結劑的選擇（2）應變片的粘貼準備涂膠貼片復查接線防護第128頁，共152頁，2022年，5月20日，21點31分，星期日第129頁，共152頁，2022年，5月20日，21點31分，星期日應變式測力 應變式測力傳感器由彈性體、應變計和外殼組成。彈性體是測力傳感器的基礎,應變計是傳感器的核心。根據(jù)彈性體的結構形式的不同可分為:柱式、輪輻式、梁式、環(huán)式等。 1、柱式傳感器 柱式傳感器是稱重(或測力)傳感器應用較普遍的一種形式。它分為圓筒形和柱形兩種。圖2.23畫出了傳感器的結構示意圖和外形。其結構是在圓筒或圓柱上按一定方式貼上應變計。圓筒

52、或圓柱在外力F作用下產生的應變?yōu)榈?30頁，共152頁，2022年，5月20日，21點31分，星期日 圖 柱式傳感器 (a)圓柱; (b)圓筒; (c)外形第131頁，共152頁，2022年，5月20日，21點31分，星期日 2. 輪輻式傳感器 輪輻式傳感器是一種剪切力傳感器。其結構示意圖如圖所示,由輪轱1、輪圈2、輪輻條3、承壓應變計4和拉伸應變計5等組成。輪輻條成對地連接在輪圈和輪轱之間,可為四根或八根(圖中為四根)。采用鋼球傳遞重力,因為圓球壓頭有自動定中心的功能。測量橋路如圖所示。當外力F作用在輪轱的上端面和輪圈下端面時,使矩形輻條產生平行四邊形的變形,如圖所示。當兩個輪輻條互相垂直時

53、,其最大剪應力及剪應變分別為第132頁，共152頁，2022年，5月20日，21點31分，星期日 圖 輪輻式傳感器(a)結構示意圖; (b)外形第133頁，共152頁，2022年，5月20日，21點31分，星期日 3.懸臂梁式傳感器 懸臂梁式傳感器是一種低外形、高精度、抗偏、抗側性能優(yōu)越的稱重測力傳感器。采用彈性梁及電阻應變計作敏感轉換元件,組成全橋電路。當垂直正壓力或拉力作用在彈性梁上時,電阻應變計隨金屬彈性梁一起變形,其應變使電阻應變計的阻值變化,因而應變電橋輸出與拉力(或壓力)成正比的電壓信號。配以相應的應變儀,數(shù)字電壓表或其他二次儀表,即可顯示或記錄重量(或力)。第134頁，共152頁

54、，2022年，5月20日，21點31分，星期日 圖 懸臂梁(a)等截面梁; (b)等強度梁 第135頁，共152頁，2022年，5月20日，21點31分，星期日圖 幾種梁式傳感器外形 第136頁，共152頁，2022年，5月20日，21點31分，星期日4、應用舉例(掌握)例： 筒形結構的稱重傳感器FFF彈性元件傳感元件(應變片)被測非電量電阻應變（1）應變式力傳感器電子自動秤第137頁，共152頁，2022年，5月20日，21點31分，星期日F第138頁，共152頁，2022年，5月20日，21點31分，星期日 應變式加速度傳感器主要用于物體加速度的測量。其基本工作原理是：物體運動的加速度與作

55、用在它上面的力成正比， 與物體的質量成反比，即a=F/m。 圖是應變片式加速度傳感器的結構示意圖， 圖中1是等強度梁，自由端安裝質量塊2，另一端固定在殼體3上。等強度梁上粘貼四個電阻應變敏感元件4 。為了調節(jié)振動系統(tǒng)阻尼系數(shù)， 在殼體內充滿硅油。 （2）應變計式加速度傳感器第139頁，共152頁，2022年，5月20日，21點31分，星期日圖 電阻應變式加速度傳感器結構圖 第140頁，共152頁，2022年，5月20日，21點31分，星期日慣性系統(tǒng)：a F適用頻率：10 60Hz第141頁，共152頁，2022年，5月20日，21點31分，星期日第142頁，共152頁，2022年，5月20日，

56、21點31分，星期日（3）應變計式位移傳感器測量范圍：0.1um 0.1mm角位移傳感器第143頁，共152頁，2022年，5月20日，21點31分，星期日（4） 應變式扭矩傳感器力矩：轉動狀態(tài)L、D 扭矩軸的軸長、 軸直徑G 扭矩軸的彎曲系數(shù)T 扭矩扭矩角：單位：N . m壓縮力拉伸力軸的扭轉彈性形變程度返回第144頁，共152頁，2022年，5月20日，21點31分，星期日電阻式傳感器有哪些主要類型？什么是金屬材料的應變效應？什么是半導體材料的壓阻效應？比較金屬應變片和半導體應變片相同點與不同點？采用應變片進行測量時為什么要進行溫度補償？常用溫補的方法有哪些？ 分析采用橋路補償塊法進行溫度補償?shù)脑?？如果?00電阻應變片貼在彈性試件上，若試件受力橫截面積S=0.510-4m2，彈性模量正E=21011Nm2，若有F=5104N的拉力引起應變電阻變化為1。試求該應變片的靈敏度系數(shù)? 課本上42頁 3.5 3.6 3.9 三