傳感器與檢測技術(shù)課件第三章

第一節(jié)測力傳感器第二節(jié)扭矩力傳感器第三節(jié)壓力傳感器用于測量力的傳感器多為電氣式。電氣式測力傳感器，根據(jù)轉(zhuǎn)換方式不同又分為參量型和發(fā)電型兩種。參量型測力傳感器有電阻應(yīng)變式、電容式、電感式等。發(fā)電型測力傳感器有壓電式、壓磁式等。1.電阻應(yīng)變式測力傳感器工作原理電阻應(yīng)變式測力傳感器是將力作用在彈性元件上，彈性元件在力作用下產(chǎn)生應(yīng)變。利用貼在彈性元件上的應(yīng)變片將應(yīng)變轉(zhuǎn)換成電阻的變化。利用電橋?qū)㈦娮枳兓D(zhuǎn)換成電壓(或電流)的變化，再送人測量放大電路測量。利用標定的電壓(或電流)和力之間的對應(yīng)關(guān)系，可測出力的大小或經(jīng)換算得到被測力。一、電阻應(yīng)變式測力傳感器在一組自相平衡的外力作用下物體內(nèi)各個部分產(chǎn)生相互作用力，我們用應(yīng)力來描寫。給一根截面積為S的均勻直桿兩端施加方向相反的拉力F。如果在桿中A點作一垂直于桿軸的截面并且考慮被這截面分開的左半段桿子，根據(jù)靜力平衡要求，在此截面上分布有合力為F的力，這個力就是右半段桿子通過截面A作用到左半段桿子上的內(nèi)力。我們把作用在單位面積上的內(nèi)力叫做應(yīng)力。1.應(yīng)力的基本概念2.應(yīng)變的基本概念桿件在軸向拉伸或壓縮時，所產(chǎn)生的主要變形是沿軸線方向伸長或縮短；但是桿的橫向尺寸還會縮小或增大，前者稱為縱向變形，后者稱為橫向變形。實驗證明，當(dāng)受拉力時，桿的伸長量△l與拉力F和桿件原長成正比，與桿件的橫截面積A成反比?？梢杂脭?shù)學(xué)式表示為：如果引進一個比例系數(shù)，則上式就是軸向拉伸和壓縮時縱向變形的計算公式，稱為虎克定律2.應(yīng)變的基本概念式中的E值與材料的性質(zhì)有關(guān)，稱為材料的彈性模量，其值越大，則桿件的變形越小，故它是衡量材料抵抗變形能力的一個指標。EA代表了桿件抵抗拉伸（壓縮）變形的能力，稱為桿件的抗拉（壓）剛度。2.應(yīng)變的基本概念2.應(yīng)變的基本概念由上式還可以看到，在E、A、F相同的情況下，桿件的長度l愈大，則其絕對伸長量△l也愈大，故絕對伸長△l還不能說明桿件的變形程度。因此，需要運用相對伸長的概念，以單位長度的伸長來衡量桿件的變形程度。稱為縱向線應(yīng)變。2.應(yīng)變的基本概念與軸向垂直方向上的徑向應(yīng)變（有時也稱橫向應(yīng)變）用表示2.應(yīng)變的基本概念實驗證明，橫向應(yīng)變與徑向應(yīng)變的絕對值之比為一個常數(shù)，用μ來表示，稱為泊松比，它是一個因材料而異的常數(shù)。2.應(yīng)變的基本概念當(dāng)縱向應(yīng)變?yōu)樯扉L時，橫向應(yīng)變?yōu)榭s短，所以它們之間的符號總是相反的。一、電阻應(yīng)變式測力傳感器2.彈性元件及計算公式測力傳感器的結(jié)構(gòu)雖各式各樣，但其彈性元件的形式只有柱型、薄壁環(huán)型和梁型。柱型彈性元件柱型彈性元件有圓柱形、圓筒形和方柱形等幾種。一、電阻應(yīng)變式測力傳感器2.彈性元件及計算公式當(dāng)力或荷重沿中心線對其作用時，受力后的應(yīng)變值為柱型彈性元件一、電阻應(yīng)變式測力傳感器2.彈性元件及計算公式一般用它的應(yīng)變作為輸出量在它的表面粘貼應(yīng)變片，可以將應(yīng)變進一步變換為電量。柱型彈性元件的特點是加工方便、加工精度高，但靈敏度較小，適用于載荷較大的場合。柱型彈性元件一、電阻應(yīng)變式測力傳感器2.彈性元件及計算公式當(dāng)被測力較大時，一般用鋼材制作彈性元件，鋼的彈性模量為當(dāng)被測力較小時，一般用鋁合金或銅合金。鋁的彈性模量為材料越軟，彈性模量越小，靈敏度也就越高。薄壁環(huán)型彈性元件一、電阻應(yīng)變式測力傳感器2.彈性元件及計算公式測拉力測壓力薄壁環(huán)型彈性元件圓環(huán)在拉力作用下，各斷面所承受的彎矩為一、電阻應(yīng)變式測力傳感器2.彈性元件及計算公式薄壁環(huán)型彈性元件一、電阻應(yīng)變式測力傳感器2.彈性元件及計算公式最大彎矩在圓環(huán)A斷面和B斷面處，其值為兩處的應(yīng)變值分別為式中：b—薄壁環(huán)的寬度（m）

h—薄壁環(huán)的厚度（m）薄壁環(huán)型彈性元件一、電阻應(yīng)變式測力傳感器2.彈性元件及計算公式圓環(huán)受力后較易變形，因而它多用于測量較小的力。梁型彈性元件一、電阻應(yīng)變式測力傳感器2.彈性元件及計算公式梁型彈性元件靈敏度高。輸出可以是應(yīng)變也可以是撓度（位移）。由于它在相同力的作用下的變形比柱型和薄壁環(huán)型都大，所以多用于較小力的測量。根據(jù)其支承情況，常用的有懸臂梁式和兩端固定梁式兩種懸臂梁式，上下表面的應(yīng)變值為梁型彈性元件一、電阻應(yīng)變式測力傳感器2.彈性元件及計算公式兩端固定梁式，上下表面的應(yīng)變值為梁型彈性元件一、電阻應(yīng)變式測力傳感器2.彈性元件及計算公式柱型一、電阻應(yīng)變式測力傳感器2.彈性元件及計算公式薄壁環(huán)型懸臂梁兩端固定梁式彈性元件的尺寸和材料確定后，彈性元件在外力作用下所產(chǎn)生的應(yīng)變與外力成正比一、電阻應(yīng)變式測力傳感器2.彈性元件及計算公式應(yīng)變片是非電量電測中一種常見的轉(zhuǎn)換元件。由于應(yīng)變片使用簡便，測量精度高，體積小，動態(tài)響應(yīng)好，因而得到廣泛應(yīng)用。一、電阻應(yīng)變式測力傳感器3.應(yīng)變片(1)工作原理應(yīng)變效應(yīng)當(dāng)金屬絲在外力作用下發(fā)生機械變形時，其電阻值將發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)。一、電阻應(yīng)變式測力傳感器3.應(yīng)變片(1)工作原理設(shè)有一根長度為l、截面積為S、電阻率為ρ的金屬絲，其電阻R為一、電阻應(yīng)變式測力傳感器3.應(yīng)變片(1)工作原理設(shè)有一根長度為l、截面積為S、電阻率為ρ的金屬絲，其電阻R為一、電阻應(yīng)變式測力傳感器3.應(yīng)變片兩邊取對數(shù)，得等式兩邊取微分，得金屬的軸向應(yīng)變金屬的徑向應(yīng)變令(1)工作原理一、電阻應(yīng)變式測力傳感器3.應(yīng)變片由材料力學(xué)的知識：在彈性范圍內(nèi)，金屬絲受拉力時，沿軸向伸長，沿徑向縮短，則軸向應(yīng)變和徑向應(yīng)變的關(guān)系為：

εy=-μεx

μ為金屬材料的泊松系數(shù)。(1)工作原理一、電阻應(yīng)變式測力傳感器3.應(yīng)變片(1)工作原理一、電阻應(yīng)變式測力傳感器3.應(yīng)變片為電阻絲電阻率的相對變化，根據(jù)壓阻效應(yīng)可得(1)工作原理一、電阻應(yīng)變式測力傳感器3.應(yīng)變片由尺寸變化引起由壓阻效應(yīng)引起對于金屬絲，第二部分可忽略不計。則：電阻應(yīng)變片的分類金屬電阻應(yīng)變片半導(dǎo)體電阻應(yīng)變片(2)電阻應(yīng)變片一、電阻應(yīng)變式測力傳感器3.應(yīng)變片一、電阻應(yīng)變式測力傳感器3.應(yīng)變片金屬電阻應(yīng)變片:絲式、箔式、薄膜式基片覆蓋層金屬絲引線金屬絲應(yīng)變片結(jié)構(gòu)金屬絲式應(yīng)變片K——金屬電阻絲靈敏系數(shù)一、電阻應(yīng)變式測力傳感器3.應(yīng)變片金屬電阻應(yīng)變片:絲式、箔式、薄膜式基片覆蓋層金屬絲引線金屬絲應(yīng)變片結(jié)構(gòu)金屬絲的作用是感受機械試件的應(yīng)變變化，稱它為敏感柵。電阻應(yīng)變片的電阻值為60Ω、120Ω、200Ω等多種規(guī)格，以120Ω最為常用。

應(yīng)變片柵長大小關(guān)系到所測應(yīng)變的準確度，應(yīng)變片測得的應(yīng)變大小是應(yīng)變片柵長和柵寬所在面積內(nèi)的平均軸向應(yīng)變量。一、電阻應(yīng)變式測力傳感器3.應(yīng)變片基片覆蓋層金屬絲引線金屬絲應(yīng)變片結(jié)構(gòu)對金屬絲的要求1）具有較高的電阻系數(shù)2）具有盡可能大的電阻應(yīng)變靈敏度系數(shù)，而且要求電阻應(yīng)變靈敏度系數(shù)在盡可能大的應(yīng)變范圍內(nèi)保持為常數(shù)。3）具有較小的溫度系數(shù)4）具有較高的彈性極限，以便得到較寬的測量范圍5）良好的加工性和焊接性6）對銅的熱電動勢要小一、電阻應(yīng)變式測力傳感器3.應(yīng)變片基片覆蓋層金屬絲引線金屬絲應(yīng)變片結(jié)構(gòu)基片（基底）用于保持敏感柵、引線的幾何形狀和相對位置，覆蓋層既保持敏感柵和引線的形狀和相對位置，還可保護敏感柵。一、電阻應(yīng)變式測力傳感器3.應(yīng)變片基片覆蓋層金屬絲引線金屬絲應(yīng)變片結(jié)構(gòu)引線是從應(yīng)變片的敏感柵中引出的細金屬線。對引線材料的性能要求：電阻率低、電阻溫度系數(shù)小、抗氧化性能好、易于焊接。大多數(shù)敏感柵材料都可制作引線。一、電阻應(yīng)變式測力傳感器3.應(yīng)變片基片覆蓋層金屬絲引線金屬絲應(yīng)變片結(jié)構(gòu)用于將敏感柵固定于基片上，并將蓋片與基片粘貼在一起。使用金屬應(yīng)變片時，也需用粘結(jié)劑將應(yīng)變片基片粘貼在構(gòu)件表面某個方向和位置上。以便將構(gòu)件受力后的表面應(yīng)變傳遞給應(yīng)變計的基片和敏感柵。常用的粘結(jié)劑分為有機和無機兩大類。有機粘結(jié)劑用于低溫、常溫和中溫。常用的有聚丙烯酸酯、酚醛樹脂、有機硅樹脂，聚酰亞胺等。無機粘結(jié)劑用于高溫，常用的有磷酸鹽、硅酸、硼酸鹽等。粘結(jié)劑利用光刻、腐蝕等工藝制成一種很薄的金屬箔柵，厚度一般在0.003~0.010mm，粘貼在基片上，上面再覆蓋一層薄膜而制成。其優(yōu)點：1）金屬箔很薄2）箔式敏感柵表面積和截面積之比大，散熱條件好，允許通過的電流較大，可制成各種需要的形狀，便于批量生產(chǎn)。一、電阻應(yīng)變式測力傳感器3.應(yīng)變片金屬電阻應(yīng)變片:絲式、箔式、薄膜式金屬箔式應(yīng)變片一、電阻應(yīng)變式測力傳感器3.應(yīng)變片金屬電阻應(yīng)變片:絲式、箔式、薄膜式箔式應(yīng)變片金屬箔式應(yīng)變片一、電阻應(yīng)變式測力傳感器3.應(yīng)變片金屬電阻應(yīng)變片:絲式、箔式、薄膜式金屬薄膜應(yīng)變片

金屬薄膜應(yīng)變片是采用真空蒸鍍或濺射式陰極擴散等方法，在薄的基底材料上制成一層金屬電阻材料薄膜以形成應(yīng)變片。這種應(yīng)變片有較高的靈敏度系數(shù)，允許電流密度大，工作溫度范圍較廣。

半導(dǎo)體應(yīng)變片的工作原理是基于壓阻效應(yīng)。壓阻效應(yīng)是指固體受到應(yīng)力作用時，其電阻率發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為壓阻效應(yīng)。一、電阻應(yīng)變式測力傳感器3.應(yīng)變片半導(dǎo)體應(yīng)變片