第2章-應(yīng)變式傳感器4分析課件

第2章電阻式傳感器

應(yīng)變式傳感器

應(yīng)變式傳感器主要內(nèi)容

1.電阻應(yīng)變片原理2.金屬應(yīng)變片的主要特性3.應(yīng)變片測(cè)量電路4.應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用

應(yīng)變式傳感器概述

電阻式應(yīng)變傳感器作為測(cè)力的主要傳感器，測(cè)力范圍小到肌肉纖維，大到登月火箭，精確度可到0.01—0.1%。有拉壓式（柱、筒、環(huán)元件）、彎曲式、剪切式。

應(yīng)變式傳感器特征：材料類型:金屬應(yīng)變片、半導(dǎo)體應(yīng)變片

應(yīng)用范圍:應(yīng)變力、壓力、轉(zhuǎn)矩、位移、加速度；

優(yōu)點(diǎn):使用簡(jiǎn)單、精度高、范圍大體積小。

應(yīng)變式傳感器概述

各種電子秤廣泛應(yīng)用于－應(yīng)變式傳感器概述

高精度電子汽車衡

動(dòng)態(tài)電子秤電子天平應(yīng)變式傳感器2.1電阻應(yīng)變片原理

（1）應(yīng)變效應(yīng)金屬電阻應(yīng)變片基于電阻應(yīng)變效應(yīng):導(dǎo)體產(chǎn)生機(jī)械形變時(shí)電阻值發(fā)生變化。一根長(zhǎng)L，截面積為S，電阻率為ρ的金屬絲電阻為:

當(dāng)電阻絲受到軸向拉力F作用時(shí)，電阻值ΔR的變化引起電阻的相對(duì)變化為:

應(yīng)變式傳感器2.1電阻應(yīng)變片原理

（1）應(yīng)變效應(yīng)當(dāng)電阻絲受到軸向拉力F作用時(shí)，金屬絲幾何尺寸變化引起電阻的相對(duì)變化

應(yīng)變式傳感器2.1電阻應(yīng)變片原理

（1）應(yīng)變效應(yīng)用橫向、徑向應(yīng)變、泊松系數(shù)帶入后電阻變化率為：結(jié)論：金屬材料的主要受（1+2μ）影響；非金屬材料主要受（Δρ/ρ）/ε影響！令：

設(shè)

應(yīng)變式傳感器2.1電阻應(yīng)變片原理

（1）應(yīng)變效應(yīng)對(duì)于金屬電阻絲

μ=0.25～0.5(鋼μ=0.285)

k0≈1+2μk0≈1.5～2金屬應(yīng)變片靈敏系數(shù)k0由材料幾何尺寸的變化決定

通過彈性元件可將位移、壓力、振動(dòng)等物理量將應(yīng)力轉(zhuǎn)換為應(yīng)變進(jìn)行測(cè)量，這是應(yīng)變式傳感器測(cè)量應(yīng)變的基本原理。應(yīng)變式傳感器2.1電阻應(yīng)變片原理

（1）應(yīng)變效應(yīng)金屬應(yīng)變片結(jié)構(gòu)：網(wǎng)狀敏感柵——高阻金屬絲、金屬箔基片——絕緣材料蓋片——保護(hù)層應(yīng)變式傳感器2.1電阻應(yīng)變片原理

（1）應(yīng)變效應(yīng)1—敏感元件

2、4—基底

3—引線應(yīng)變片組成應(yīng)變片結(jié)構(gòu)應(yīng)變式傳感器2.1電阻應(yīng)變片原理

（1）應(yīng)變效應(yīng)箔式應(yīng)變片結(jié)構(gòu)應(yīng)變式傳感器2.1電阻應(yīng)變片原理

（1）應(yīng)變效應(yīng)應(yīng)變片的粘貼技術(shù) 粘貼劑的選擇 工藝處理過程要求：準(zhǔn)確傳遞應(yīng)變 粘貼強(qiáng)度好，蠕變小，機(jī)械滯后??； 耐疲勞性好，長(zhǎng)期穩(wěn)定性好，絕緣性好。應(yīng)變式傳感器2.1電阻應(yīng)變片原理

（1）應(yīng)變效應(yīng)應(yīng)變片的粘貼處理過程1應(yīng)變片的檢查與選擇2試件的表面處理3底層處理4貼片5固化6粘貼質(zhì)量檢查7引線焊接與組橋連接應(yīng)變式傳感器2.1電阻應(yīng)變片原理

（2）壓阻效應(yīng)和壓阻式傳感器半導(dǎo)體應(yīng)變片又稱壓阻式傳感器優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高、耗電少、有正負(fù)兩種應(yīng)力效應(yīng)。缺點(diǎn)：受溫度影響較大。

半導(dǎo)體材料的靈敏系數(shù)Ｋ０主要由壓阻效應(yīng)引起的電阻率ρ的變化；靈敏系數(shù)遠(yuǎn)大于金屬應(yīng)變片的靈敏系數(shù)。

對(duì)半導(dǎo)體

已知固體受力引起的電阻變化為：

應(yīng)變式傳感器2.1電阻應(yīng)變片原理

（3）應(yīng)變片種類

按材料分：金屬式：絲式、箔式、薄膜型

半導(dǎo)體式：體型、薄膜型、擴(kuò)散型、外延型、PN結(jié)型按結(jié)構(gòu)分：?jiǎn)纹?、雙片、特殊形狀按使用環(huán)境：高溫、低溫、高壓、磁場(chǎng)、水下體型半導(dǎo)體電阻應(yīng)變片對(duì)比

半導(dǎo)體壓阻效應(yīng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)電阻率變化金屬導(dǎo)體電阻效應(yīng)機(jī)械形變電阻值變化性能指標(biāo)使用面積電阻值靈敏度系數(shù)基底材料和形式最大允許工作電流極限溫度電阻溫度系數(shù)靈敏度溫度系數(shù)應(yīng)變極限動(dòng)態(tài)特性應(yīng)變式傳感器

2.2金屬應(yīng)變片的主要特性

應(yīng)變式傳感器2.2金屬應(yīng)變片的主要特性（1）應(yīng)變片的靈敏系數(shù)金屬絲做成應(yīng)變片后電阻應(yīng)變特性與單根金屬絲不同；實(shí)驗(yàn)證明，應(yīng)變片靈敏系數(shù)K<K0電阻絲靈敏系數(shù)，產(chǎn)品的靈敏系數(shù)稱“標(biāo)稱靈敏系數(shù)”。被測(cè)體應(yīng)變片ＦＦ

應(yīng)變式傳感器

直線電阻絲繞成敏感柵后，雖然長(zhǎng)度相同，但應(yīng)變不同，園弧部分使靈敏系數(shù)K下降，這種現(xiàn)象稱為橫向效應(yīng)。2.2金屬應(yīng)變片的主要特性

（2）橫向效應(yīng)

應(yīng)變式傳感器2.2金屬應(yīng)變片的主要特性

（3）應(yīng)變片溫度誤差及補(bǔ)償

應(yīng)變片安裝在自由膨脹的試件上，如果環(huán)境溫度變化，應(yīng)變片的電阻也會(huì)變化，這種變化疊加在測(cè)量結(jié)果中稱應(yīng)變片溫度誤差。應(yīng)變片溫度誤差來(lái)源有兩個(gè)主要因素：

αt——應(yīng)變片本身電阻溫度系數(shù)影響

βg——試件材料的線膨脹系數(shù)影響

因環(huán)境溫度改變引起的附加電阻變化與環(huán)境溫度變化Δt有關(guān)；應(yīng)變片本身的性能參數(shù)αt、βs；

試件參數(shù)βg有關(guān)。

應(yīng)變式傳感器

2.2金屬應(yīng)變片的主要特性

（3）應(yīng)變片溫度誤差及補(bǔ)償電阻絲阻值與溫度關(guān)系：

因試件使應(yīng)變片電阻產(chǎn)生附加形變?cè)斐傻碾娮枳兓瘻囟茸兓時(shí)電阻絲的電阻變化

應(yīng)變式傳感器2.2金屬應(yīng)變片的主要特性

（3）應(yīng)變片溫度誤差及補(bǔ)償溫度補(bǔ)償方法有：線路補(bǔ)償、自補(bǔ)償、電橋補(bǔ)償、熱敏電阻補(bǔ)償、計(jì)算機(jī)補(bǔ)償?shù)?。線路補(bǔ)償：被測(cè)試件相鄰臂上安裝一補(bǔ)償片，處于相同的溫度場(chǎng),但不受力。電橋輸出U0與橋臂參數(shù)的關(guān)系為：

U0=A（R1R3-RBR2）當(dāng)溫度變化時(shí)ΔR1=ΔRB，電橋平衡，當(dāng)有應(yīng)變時(shí)R1有增量,正比于Kε，補(bǔ)償片RB無(wú)變化ΔRB=0電橋輸出U0與溫度無(wú)關(guān)

應(yīng)變式傳感器2.2金屬應(yīng)變片的主要特性

（3）應(yīng)變片溫度誤差及補(bǔ)償自補(bǔ)償方法

雙絲法R1、R2

溫度系數(shù)互補(bǔ)應(yīng)變式傳感器2.2金屬應(yīng)變片的主要特性

（3）應(yīng)變片溫度誤差及補(bǔ)償電橋補(bǔ)償方法

應(yīng)變式傳感器2.3電阻應(yīng)變片測(cè)量電路

被測(cè)對(duì)象的特點(diǎn)： 機(jī)械應(yīng)變量值小0.5%以下 靈敏度系數(shù)較小1-2

電阻相對(duì)變化小1%以下 如：一般電阻應(yīng)變片基值為120歐,電阻相對(duì)變化1.2歐,采用常規(guī)的電阻測(cè)量法難以進(jìn)行.應(yīng)變式傳感器2.3電阻應(yīng)變片測(cè)量電路

（1）直流電橋直流電橋平衡條件

負(fù)載RL—∞（開路）

電橋平衡時(shí)I0=0U0=0對(duì)臂積相等鄰臂比相等2.3電阻應(yīng)變片測(cè)量電路直流電橋形式

等臂電橋 R1=R2=R3=R4

輸出對(duì)稱電橋R1=R2=R,R3=R4=R’

電源對(duì)稱電橋R1=R3=R,R2=R4=R’

單臂接應(yīng)變片:單臂工作電橋兩臂接應(yīng)變片:雙臂工作電橋,或稱半橋 四臂接應(yīng)變片:全橋

應(yīng)變式傳感器

應(yīng)變式傳感器2.3電阻應(yīng)變片測(cè)量電路

（1）直流電橋單臂電橋工作設(shè)R1為應(yīng)變片，應(yīng)變時(shí)R1變化量為ΔR1，這時(shí)電橋失衡，不平衡輸出電壓為：

應(yīng)變式傳感器2.3電阻應(yīng)變片測(cè)量電路

（1）直流電橋電橋靈敏度定義為：

電橋輸出：在分母中忽略設(shè)n=R2/R1=R4/R3即R1R1

應(yīng)變式傳感器討論：

電橋電壓靈敏度Ku越大，應(yīng)變變化相同情況輸出電壓越大;Ku是橋臂比n的函數(shù)Ku（n），恰當(dāng)選擇n可提高電壓靈敏度Ku;Ku與電橋電源E成正比Ku∝E， 但供電受應(yīng)變片允許功耗限制;2.3電阻應(yīng)變片測(cè)量電路

（1）直流電橋

應(yīng)變式傳感器討論：

顯然

n=1R1=R2R3=R4時(shí)，Ku最大

2.3電阻應(yīng)變片測(cè)量電路

（1）直流電橋

單臂工作片電壓靈敏度：

橋路輸出電壓：

注：等臂電橋、輸出對(duì)稱電橋有最大靈敏度應(yīng)變式傳感器

2.3電阻應(yīng)變片測(cè)量電路

（1）直流電橋等臂電橋n=1時(shí),由上式近似得到：

實(shí)際輸出值為：非線性誤差：應(yīng)變式傳感器

可見非線性誤差與ΔR1/R1成正比為減小非線性誤差常采用差動(dòng)電橋差動(dòng)電橋：在試件上安裝兩個(gè)工作片，一個(gè)受拉、一個(gè)受壓接在電橋的相鄰兩個(gè)臂，電橋輸出為：2.3電阻應(yīng)變片測(cè)量電路

（1）直流電橋非線性誤差補(bǔ)償應(yīng)變式傳感器2.3電阻應(yīng)變片測(cè)量電路

（1）直流電橋非線性誤差補(bǔ)償

半橋電壓靈敏度為：

討論：

輸出電壓U0與R/R呈線性關(guān)系，無(wú)非線性誤差；電壓靈敏度是單橋的兩倍；具有溫度補(bǔ)償作用。半橋電橋輸出：

應(yīng)變式傳感器

2.3電阻應(yīng)變片測(cè)量電路

（1）直流電橋非線性誤差補(bǔ)償

全橋：將四臂按對(duì)臂同性接四個(gè)工作片稱全橋。若ΔR1=ΔR2=ΔR3=ΔR4

全橋電壓輸出：

全橋電壓靈敏度為：

應(yīng)變式傳感器2.3電阻應(yīng)變片測(cè)量電路

（1）直流電橋單橋

半橋

全橋

應(yīng)變式傳感器

直流電橋在RR1時(shí)，UO與應(yīng)變成線性關(guān)系相鄰兩臂，方向相反相對(duì)兩臂，方向相同優(yōu)點(diǎn)：電源穩(wěn)定,電路簡(jiǎn)單，是主要測(cè)量電路；

缺點(diǎn)：直流放大器較復(fù)雜，存在零漂、工頻干擾。2.3電阻應(yīng)變片測(cè)量電路

（1）直流電橋應(yīng)變式傳感器2.3電阻應(yīng)變片測(cè)量電路

（2）交流電橋交流電橋優(yōu)點(diǎn)：放大電路簡(jiǎn)單無(wú)零漂，不受干擾，為特定傳感器帶來(lái)方便；缺點(diǎn)：需專用測(cè)量?jī)x器或電路不易取得高精度。應(yīng)變式傳感器

2.4應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用

（1）電阻應(yīng)變儀按測(cè)量應(yīng)變力的頻率可分為靜態(tài)應(yīng)變儀和動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀，按應(yīng)變力頻率又可細(xì)分為：靜態(tài)——5Hz；

靜動(dòng)態(tài)——幾百Hz；

動(dòng)態(tài)——5KHz；

超動(dòng)態(tài)——幾十KHz；

交流電橋電阻應(yīng)變儀主要由電橋、振蕩器、放大器、相敏檢波器、濾波器、轉(zhuǎn)換和顯示電路組成。

應(yīng)變式傳感器

2.4應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用

（2）力傳感器（測(cè)力與秤重）

力傳感器的彈性元件有：柱式、梁式、環(huán)式、輪輻式等：

柱式力傳感器有空心（筒形）、實(shí)心（柱形）在圓筒（柱）上按一定方式粘貼應(yīng)變片，圓筒

(柱）在外力F作用下產(chǎn)生形變，實(shí)心圓柱因外力作用產(chǎn)生的應(yīng)變?yōu)椋菏街校篖為彈性元件的長(zhǎng)度，

S為彈性元件的橫截面積

F外力；σ為應(yīng)力，σ=F/S；

E為彈性模量

應(yīng)變式傳感器2.4應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用（2）力傳感器

一般應(yīng)變片均勻貼在圓柱表面中間部分，

R1R2、R3R4串聯(lián)擺放在兩對(duì)臂內(nèi)，當(dāng)有偏心應(yīng)力時(shí)，一方受拉另一方受壓產(chǎn)生相反變化，可減小彎矩的影響。橫向粘貼應(yīng)變片為溫度補(bǔ)償片。

R=R1=R2=R3=R4，受力方向相同

橋路連接圖靈敏度按半橋計(jì)算電橋輸出為：

應(yīng)變式傳感器

2.4應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用

（2）力傳感器（測(cè)力與秤重）

圓柱面展開圖

應(yīng)變式傳感器

2.4應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用

（2）力傳感器（測(cè)力與秤重）

懸臂梁式力傳感器

等截面梁：懸臂梁的橫截面積處處相等，所以稱等截面梁。當(dāng)外力F作用在梁的自由端時(shí)，固定端產(chǎn)生的應(yīng)變最大，粘貼在應(yīng)變片處的應(yīng)變?yōu)椋菏街校菏橇荷蠎?yīng)變片至自由端距離，

b、h分別為梁的寬度和梁的厚度。應(yīng)變式傳感器2.4應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用

（2）力傳感器（測(cè)力與秤重）

等強(qiáng)度梁：懸臂梁長(zhǎng)度方向的截面積按一定規(guī)律變化，是一種特殊形式的懸臂梁。當(dāng)力作用在自由端時(shí)，力距作用點(diǎn)任何截面積上應(yīng)力相等，應(yīng)變片的應(yīng)變大小為：

應(yīng)變式傳感器2.4應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用（2）力傳感器

順梁的方向貼上下各貼兩只。四個(gè)應(yīng)變片組成全橋。上面兩個(gè)受壓時(shí)下面兩個(gè)受拉。這種傳感器適用于測(cè)量500Kg以下荷重。

應(yīng)變式傳感器2.4應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用