單元二 應(yīng)變式傳感器

單元二應(yīng)變式傳感器

應(yīng)變式傳感器測力任務(wù)一應(yīng)變式傳感器的工作原理一任務(wù)導入電阻應(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，主要用于機械量的檢測，如力、炮管的壓力、彈性元件變形、流量、商業(yè)計價秤、郵包秤、人體秤和加速度等量的檢測。

一根金屬電阻絲,在其未受力時,原始電阻值為R=式中:ρ——電阻絲的電阻率;L——電阻絲的長度;S—電阻絲的截面積。應(yīng)變效應(yīng):導體或半導體材料沿一定方向受力時,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

當電阻絲受到拉力F作用時,將伸長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Δρ,故引起電阻值相對變化量為式中ΔL/L是長度相對變化量,用應(yīng)變ε表示任務(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：對金屬材料，導電率不變：金屬絲應(yīng)變片：任務(wù)一應(yīng)變式傳感器的工作原理

半導體應(yīng)變計簡化為：優(yōu)點：靈敏度大;體積小;缺點：溫度穩(wěn)定性和可重復性不如金屬應(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。

對金屬材料電阻絲來說,靈敏度系數(shù)表達式中（1+2μ）的值要比（（Δρ/ρ）/ε）大得多,而半導體材料的（（Δρ/ρ）/ε）項的值比（1+2μ）大得多。大量實驗證明,在電阻絲拉伸極限內(nèi),電阻的相對變化與應(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)變片測量應(yīng)變或應(yīng)力時,根據(jù)上述特點,在外力作用下,被測對象產(chǎn)生微小機械變形,應(yīng)變片隨著發(fā)生相同的變化,同時應(yīng)變片電阻值也發(fā)生相應(yīng)變化。當測得應(yīng)變片電阻值變化量ΔR時,便可得到被測對象的應(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ε,而試件應(yīng)變ε正比于電阻值的變化,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,其上再粘貼起保護作用的覆蓋層,兩端焊接引出導線。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，且在相當大的應(yīng)變范圍內(nèi)保持常數(shù)②ρ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。③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④與銅線的焊接性能好，與其它金屬的接觸電勢??；⑤機械強度高，具有優(yōu)良的機械加工性能。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)變片的溫度補償方法應(yīng)變片自補償法線路補償法任務(wù)一應(yīng)變式傳感器的工作原理

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

都為確定值,在選擇應(yīng)變片時，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，即可實現(xiàn)溫度自補償。具有這種敏感柵的應(yīng)變片稱為單絲自補償應(yīng)變片。任務(wù)一應(yīng)變式傳感器的工作原理

USCER2R4R1R3線路補償法由上式可知，當R3、R4為常數(shù)時，Rl和R2對輸出電壓的作用方向相反。利用這個基本特性可實現(xiàn)對溫度的補償，并且補償效果較好，這是最常用的補償方法之一。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/℃。當傳感器的環(huán)境溫度從10℃變化到50℃時，所引起的附加電阻相對變化量(R/R

)t為多少?折合成附加應(yīng)變t為多少?任務(wù)二應(yīng)變式傳感器的測量電路一任務(wù)導入由于機械應(yīng)變一般都很小，要把微小應(yīng)變引起的微小電阻變化測量出來，同時要把電阻相對變化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量應(yīng)變變化而引起電阻變化的測量電路。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)變式傳感器的測量電路二直流電橋R1R4=R2R3當電橋平衡時，U0=0則有：直流電橋平衡條件

電壓靈敏度

ACBDR1R2R3R4RLU0+-當應(yīng)變片受力時，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€性誤差及其補償方法任務(wù)二應(yīng)變式傳感器的測量電路全橋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)變式傳感器的測量電路

交流電橋任務(wù)二應(yīng)變式傳感器的測量電路三任務(wù)二應(yīng)變式傳感器的測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)變式傳感器的測量電路當Uo=0時Z1Z4=Z2Z3

可得

整理得平衡條件為

及任務(wù)二應(yīng)變式傳感器的測量電路四相關(guān)習題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算？2.擬在等截面的懸臂梁上粘貼4個完全相同的電阻應(yīng)變片，并組成差動全橋電路，試問：①4個應(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)導入

在科研和工業(yè)生產(chǎn)中常常需要研究機械設(shè)備構(gòu)件或組件承受應(yīng)變的狀況，測量構(gòu)件形變時應(yīng)變力，如高壓容器（高壓氣瓶、高壓鍋爐），生產(chǎn)過程中必須采用應(yīng)變測量方法檢測耐壓和變形時壓力；火炮生產(chǎn)需了解火炮發(fā)射時炮管形變，飛機導彈研制時要在特殊的“風洞”實驗場中模擬高空狀態(tài)下飛行時機身、機翼等各部件的形變情況；汽車制造需測試汽車底盤承壓時的形變，而各種形變會借用彈性敏感元件實現(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)變片起溫度補償?shù)淖饔?。柱（筒）式力傳感器R1R2R3R4R5R6R7R8U0R1R3R5R7R4R2R8R6～U柱面展開圖電橋連線圖任務(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測量流動介質(zhì)的動態(tài)和靜態(tài)壓力，如動力管道設(shè)備的進出口氣體或液體的壓力、發(fā)動機內(nèi)部的壓力、槍管及炮管內(nèi)部的壓力、內(nèi)燃機管道的壓力等。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感壓膜可以測量容器內(nèi)儲存的溶液重量及液位。四任務(wù)三應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用當容器中溶液增多時，感壓膜感受的壓力就增大，將其上兩個傳感器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：物體運動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)用測量時，將傳感器殼體與被測對象剛性連接，當被測物體以加速度a運動時，質(zhì)量塊受到一個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，即可測出加速度a。測量原理不適用于頻率較高的振動和沖擊場合，頻率為10～60Hz范圍。注意事項任務(wù)三應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用標準產(chǎn)品任務(wù)三應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用六半導體力敏應(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—電磁振動給料機；2—物料；3—秤架；4—力敏荷重傳感器（包括放大器）；5—支點；6—減速電機；7—環(huán)行皮帶；8—料倉當未給料時，整個皮帶秤重量通過調(diào)節(jié)秤架上的平衡錘使之自重基本作用在支點5上，僅留很小一部分壓力作為傳感器預壓力。當電磁振動機開始給料時，通過皮帶運動，使物料平鋪在皮帶上。此時皮帶上物料重量一部分通過支點傳到基座，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的距離）。當傳感器受力后，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)變片的相對變化。任務(wù)三應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用當U和R恒定時，U與受力成正比。因此U與P成正比。在皮帶速度V不變時