單元二 應(yīng)變式傳感器

單元二應(yīng)變式傳感器

應(yīng)變式傳感器測(cè)力任務(wù)一應(yīng)變式傳感器的工作原理一任務(wù)導(dǎo)入電阻應(yīng)變片是利用應(yīng)變效應(yīng)的原理制成的，應(yīng)用最為廣泛的是電阻式傳感器，主要用于機(jī)械量的檢測(cè)，如力、炮管的壓力、彈性元件變形、流量、商業(yè)計(jì)價(jià)秤、郵包秤、人體秤和加速度等量的檢測(cè)。

一根金屬電阻絲,在其未受力時(shí),原始電阻值為R=式中:ρ——電阻絲的電阻率;L——電阻絲的長(zhǎng)度;S—電阻絲的截面積。應(yīng)變效應(yīng):導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料沿一定方向受力時(shí),其阻值將發(fā)生變化,這種現(xiàn)象稱為應(yīng)變效應(yīng)。工作原理分析二任務(wù)一應(yīng)變式傳感器的工作原理

當(dāng)電阻絲受到拉力F作用時(shí),將伸長(zhǎng)ΔL,橫截面積相應(yīng)減小ΔS,電阻率將因晶格發(fā)生變形等因素而改變?chǔ)う?故引起電阻值相對(duì)變化量為式中ΔL/L是長(zhǎng)度相對(duì)變化量,用應(yīng)變?chǔ)疟硎救蝿?wù)一應(yīng)變式傳感器的工作原理

有：金屬絲：金屬絲體積不變：任務(wù)一應(yīng)變式傳感器的工作原理

有：對(duì)金屬材料，導(dǎo)電率不變：金屬絲應(yīng)變片：任務(wù)一應(yīng)變式傳感器的工作原理

半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)簡(jiǎn)化為：優(yōu)點(diǎn)：靈敏度大;體積小;缺點(diǎn)：溫度穩(wěn)定性和可重復(fù)性不如金屬應(yīng)變片。任務(wù)一應(yīng)變式傳感器的工作原理

通常把單位應(yīng)變能引起的電阻值變化稱為電阻絲的靈敏度系數(shù)。靈敏度系數(shù)受兩個(gè)因素影響:

①受力后材料幾何尺寸的變化,即（1+2μ）;②受力后材料的電阻率發(fā)生的變化,即（Δρ/ρ）/ε。

對(duì)金屬材料電阻絲來(lái)說(shuō),靈敏度系數(shù)表達(dá)式中（1+2μ）的值要比（（Δρ/ρ）/ε）大得多,而半導(dǎo)體材料的（（Δρ/ρ）/ε）項(xiàng)的值比（1+2μ）大得多。大量實(shí)驗(yàn)證明,在電阻絲拉伸極限內(nèi),電阻的相對(duì)變化與應(yīng)變成正比,即K為常數(shù)。任務(wù)一應(yīng)變式傳感器的工作原理

用應(yīng)變片測(cè)量應(yīng)變或應(yīng)力時(shí),根據(jù)上述特點(diǎn),在外力作用下,被測(cè)對(duì)象產(chǎn)生微小機(jī)械變形,應(yīng)變片隨著發(fā)生相同的變化,同時(shí)應(yīng)變片電阻值也發(fā)生相應(yīng)變化。當(dāng)測(cè)得應(yīng)變片電阻值變化量ΔR時(shí),便可得到被測(cè)對(duì)象的應(yīng)變值。根據(jù)應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系,得到應(yīng)力值σ為

σ=E·ε

由此可知,應(yīng)力值σ正比于應(yīng)變?chǔ)?而試件應(yīng)變?chǔ)耪扔陔娮柚档淖兓?所以應(yīng)力σ正比于電阻值的變化,這就是利用應(yīng)變片測(cè)量應(yīng)變的基本原理。任務(wù)一應(yīng)變式傳感器的工作原理

應(yīng)變片的種類、材料及粘貼

電阻應(yīng)變片的種類金屬應(yīng)變片組成：金屬電阻應(yīng)變片半導(dǎo)體電阻應(yīng)變片敏感柵、基片、覆蓋層和引線等部分敏感柵是應(yīng)變片的核心部分,它粘貼在絕緣的基片上,其上再粘貼起保護(hù)作用的覆蓋層,兩端焊接引出導(dǎo)線。金屬電阻應(yīng)變片的敏感柵有絲式、箔式和薄膜式三種。任務(wù)一應(yīng)變式傳感器的工作原理

三金屬電阻應(yīng)變片的材料①靈敏系數(shù)大，且在相當(dāng)大的應(yīng)變范圍內(nèi)保持常數(shù)②ρ值大，即在同樣長(zhǎng)度、同樣橫截面積的電阻絲中具有較大的電阻值。③電阻溫度系數(shù)小，否則因環(huán)境溫度變化也會(huì)改變其阻值④與銅線的焊接性能好，與其它金屬的接觸電勢(shì)?。虎輽C(jī)械強(qiáng)度高，具有優(yōu)良的機(jī)械加工性能。任務(wù)一應(yīng)變式傳感器的工作原理

應(yīng)變片的溫度誤差及補(bǔ)償應(yīng)變片的溫度誤差電阻溫度系數(shù)的影響：

Rt=R0（1+α0Δt）試件材料和電阻絲材料的線膨脹系數(shù)的影響電阻應(yīng)變片的溫度補(bǔ)償方法應(yīng)變片自補(bǔ)償法線路補(bǔ)償法任務(wù)一應(yīng)變式傳感器的工作原理

四自補(bǔ)償法若使應(yīng)變片在溫度變化Δt時(shí)的熱輸出值為零，必須使每一種材料的被測(cè)試件，其線膨脹系數(shù)

都為確定值,在選擇應(yīng)變片時(shí)，若應(yīng)變片的敏感柵是用單一的合金絲制成，并使其電阻溫度系數(shù)和線膨脹系數(shù)滿足上式的條件，即可實(shí)現(xiàn)溫度自補(bǔ)償。具有這種敏感柵的應(yīng)變片稱為單絲自補(bǔ)償應(yīng)變片。任務(wù)一應(yīng)變式傳感器的工作原理

USCER2R4R1R3線路補(bǔ)償法由上式可知，當(dāng)R3、R4為常數(shù)時(shí)，Rl和R2對(duì)輸出電壓的作用方向相反。利用這個(gè)基本特性可實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的補(bǔ)償，并且補(bǔ)償效果較好，這是最常用的補(bǔ)償方法之一。電橋輸出電壓與橋臂參數(shù)的關(guān)系為①R1和R2須屬于同一批號(hào)的，即它們的電阻溫度系數(shù)α、線膨脹系數(shù)β、應(yīng)變靈敏系數(shù)K都相同，兩片的初始電阻值也要求相同。②用于粘貼補(bǔ)償片的構(gòu)件和粘貼工作片的試件二者材料必須相同，即要求兩者線膨脹系數(shù)相等。③兩應(yīng)變片處于同一溫度環(huán)境中。任務(wù)一應(yīng)變式傳感器的工作原理任務(wù)一應(yīng)變式傳感器的工作原理五任務(wù)布置

查閱應(yīng)變片的常用材料及粘貼技術(shù)。2.查詢應(yīng)交片的粘貼工藝步驟。任務(wù)一應(yīng)變式傳感器的工作原理六相關(guān)習(xí)題1．什么叫應(yīng)變效應(yīng)?利用應(yīng)變效應(yīng)解釋金屬電阻應(yīng)變片的工作原理。2．試述應(yīng)變片溫度誤差的概念、產(chǎn)生原因和補(bǔ)償辦法。3.如果試件材質(zhì)為合金鋼，線膨脹系數(shù)g

=

11

10?6/℃，電阻應(yīng)變片敏感柵材質(zhì)為康銅，其電阻溫度系數(shù)

=15

10?6/℃，線膨漲系數(shù)s

=

14.9

10?6/℃。當(dāng)傳感器的環(huán)境溫度從10℃變化到50℃時(shí)，所引起的附加電阻相對(duì)變化量(R/R

)t為多少?折合成附加應(yīng)變t為多少?任務(wù)二應(yīng)變式傳感器的測(cè)量電路一任務(wù)導(dǎo)入由于機(jī)械應(yīng)變一般都很小，要把微小應(yīng)變引起的微小電阻變化測(cè)量出來(lái)，同時(shí)要把電阻相對(duì)變化R

/

R轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化，因此，需要有專用的用于測(cè)量應(yīng)變變化而引起電阻變化的測(cè)量電路。工程中通常采用直流電橋和交流電橋。

ACBDR1R2R3R4RLU0+-U0=E（R1R1+R2R3R3+R4—）任務(wù)二應(yīng)變式傳感器的測(cè)量電路二直流電橋R1R4=R2R3當(dāng)電橋平衡時(shí)，U0=0則有：直流電橋平衡條件

電壓靈敏度

ACBDR1R2R3R4RLU0+-當(dāng)應(yīng)變片受力時(shí)，R1變?yōu)椋篟1+△R1，其余電阻不變，電壓靈敏度為：輸出電壓為：U0=E4△R1R1KU=E4R1為電阻應(yīng)變片，R2、R3、R4為電橋固定電阻，這就構(gòu)成了單臂電橋

任務(wù)二應(yīng)變式傳感器的測(cè)量電路ACBDR1R2R3R4RLU0+-輸出電壓為：U0=E2△R1R1電壓靈敏度為：KU=E2半橋R1+△R1，R2變?yōu)椋篟2－△R2R1、R2為受力相反的應(yīng)變片，其余電阻不變，R1變?yōu)椋悍蔷€性誤差及其補(bǔ)償方法任務(wù)二應(yīng)變式傳感器的測(cè)量電路全橋ACBDR1R2R3R4RLU0+-R1+△R1，R1R4+△R4R4R2R2－△R2R3R3－△R3輸出電壓為：U0=E△R1R1電壓靈敏度為：U0=E任務(wù)二應(yīng)變式傳感器的測(cè)量電路

交流電橋任務(wù)二應(yīng)變式傳感器的測(cè)量電路三任務(wù)二應(yīng)變式傳感器的測(cè)量電路由交流電路分析可得交流電橋的平衡條件

任務(wù)二應(yīng)變式傳感器的測(cè)量電路當(dāng)Uo=0時(shí)Z1Z4=Z2Z3

可得

整理得平衡條件為

及任務(wù)二應(yīng)變式傳感器的測(cè)量電路四相關(guān)習(xí)題1.什么是直流電橋？若按不同的橋臂工作方式分類，可分為哪幾種？各自的輸出電壓如何計(jì)算？2.擬在等截面的懸臂梁上粘貼4個(gè)完全相同的電阻應(yīng)變片，并組成差動(dòng)全橋電路，試問(wèn)：①4個(gè)應(yīng)變片應(yīng)怎樣粘貼在懸臂梁上？②畫出相應(yīng)的電橋電路圖。

一任務(wù)三應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用任務(wù)導(dǎo)入

在科研和工業(yè)生產(chǎn)中常常需要研究機(jī)械設(shè)備構(gòu)件或組件承受應(yīng)變的狀況，測(cè)量構(gòu)件形變時(shí)應(yīng)變力，如高壓容器（高壓氣瓶、高壓鍋爐），生產(chǎn)過(guò)程中必須采用應(yīng)變測(cè)量方法檢測(cè)耐壓和變形時(shí)壓力；火炮生產(chǎn)需了解火炮發(fā)射時(shí)炮管形變，飛機(jī)導(dǎo)彈研制時(shí)要在特殊的“風(fēng)洞”實(shí)驗(yàn)場(chǎng)中模擬高空狀態(tài)下飛行時(shí)機(jī)身、機(jī)翼等各部件的形變情況；汽車制造需測(cè)試汽車底盤承壓時(shí)的形變，而各種形變會(huì)借用彈性敏感元件實(shí)現(xiàn)力的變換，常用變換力和變換壓力的彈性敏感元件.

任務(wù)三應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用柱（筒）式力傳感器二任務(wù)三應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用應(yīng)變片接線要求：應(yīng)變片粘貼在彈性體外壁應(yīng)力分布均勻的中間部分，對(duì)稱粘貼多片。應(yīng)變片粘貼要求：采用電橋連接方式，橫向粘貼的應(yīng)變片起溫度補(bǔ)償?shù)淖饔?。柱（筒）式力傳感器R1R2R3R4R5R6R7R8U0R1R3R5R7R4R2R8R6～U柱面展開(kāi)圖電橋連線圖任務(wù)三應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用環(huán)式力傳感器R1R2hABFR環(huán)式傳感器結(jié)構(gòu)圖αα=39.5oMAB應(yīng)力分布圖R2應(yīng)變片所在的位置應(yīng)力為零，故R2應(yīng)變片起溫度補(bǔ)償作用。XRhPεtεr應(yīng)變變化圖εtεrR1R4R3R2應(yīng)變片粘貼應(yīng)變式壓力傳感器R1R4切向粘貼，

R2R3在邊緣處徑向粘貼構(gòu)成全橋電路主要用來(lái)測(cè)量流動(dòng)介質(zhì)的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)壓力，如動(dòng)力管道設(shè)備的進(jìn)出口氣體或液體的壓力、發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的壓力、槍管及炮管內(nèi)部的壓力、內(nèi)燃機(jī)管道的壓力等。三任務(wù)三應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用應(yīng)變式容器內(nèi)液體重量傳感器微壓傳感器電阻應(yīng)變片傳壓桿h感壓膜可以測(cè)量容器內(nèi)儲(chǔ)存的溶液重量及液位。四任務(wù)三應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用當(dāng)容器中溶液增多時(shí)，感壓膜感受的壓力就增大，將其上兩個(gè)傳感器Rt的電橋接成正向串接的雙電橋電路。輸出電壓為：U0=UI－U2＝（K1

－K2

）hρg感壓膜上面液體的重量傳感器傳輸系數(shù)Hρg＝QA容器感壓膜上面液體的重量容器的截面積U0＝（K1

－K2

）QA任務(wù)三應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用應(yīng)變式加速度傳感器工作原理：物體運(yùn)動(dòng)的加速度與作用在它上面的力成正比，與物體的質(zhì)量成反。殼體內(nèi)充滿硅油調(diào)節(jié)阻尼系數(shù)五任務(wù)三應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用測(cè)量時(shí)，將傳感器殼體與被測(cè)對(duì)象剛性連接，當(dāng)被測(cè)物體以加速度a運(yùn)動(dòng)時(shí)，質(zhì)量塊受到一個(gè)與加速度方向相反的慣性力作用，使懸臂梁變形，其上應(yīng)變片發(fā)生形變，阻值變化，電橋不在平衡改變輸出電壓，即可測(cè)出加速度a。測(cè)量原理不適用于頻率較高的振動(dòng)和沖擊場(chǎng)合，頻率為10～60Hz范圍。注意事項(xiàng)任務(wù)三應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品任務(wù)三應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用六半導(dǎo)體力敏應(yīng)變片在電子皮帶秤上的應(yīng)用荷重傳感器是皮帶秤的關(guān)鍵組成部件，采用半導(dǎo)體力敏應(yīng)變片作為敏感元件，雖然在同樣壓力下它的彈性形變較金屬箔式應(yīng)變片小，但其靈敏度卻要高得多，這種傳感器靈敏度可達(dá)7～10mV/kg，額定壓力為5kg的荷重傳感器可輸出50mV左右。任務(wù)三應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用電子皮帶秤工作原理如圖所示

1—電磁振動(dòng)給料機(jī)；2—物料；3—秤架；4—力敏荷重傳感器（包括放大器）；5—支點(diǎn)；6—減速電機(jī)；7—環(huán)行皮帶；8—料倉(cāng)當(dāng)未給料時(shí)，整個(gè)皮帶秤重量通過(guò)調(diào)節(jié)秤架上的平衡錘使之自重基本作用在支點(diǎn)5上，僅留很小一部分壓力作為傳感器預(yù)壓力。當(dāng)電磁振動(dòng)機(jī)開(kāi)始給料時(shí)，通過(guò)皮帶運(yùn)動(dòng)，使物料平鋪在皮帶上。此時(shí)皮帶上物料重量一部分通過(guò)支點(diǎn)傳到基座，另一部分作用于傳感器上。設(shè)每米物料重量為P，則傳感器受力為F，F(xiàn)=CP（C為系數(shù)，取決于傳感器距支點(diǎn)的距離）。當(dāng)傳感器受力后，傳感器中的彈性元件將產(chǎn)生變形，因此，粘貼于彈性元件上的力敏應(yīng)變電橋就有電壓信號(hào)U輸出，其值為

式中：U——應(yīng)變電橋的電源電壓；

R/R——應(yīng)變片的相對(duì)變化。任務(wù)三應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用當(dāng)U和R恒定時(shí)，U與受力成正比。因此U與P成正比。在皮帶速度V不變時(shí)