《电阻式传感器》课件.ppt

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1、第2章 电阻式传感器,按工作的原理可分为:电位器式、电阻应变 式、压阻式,电阻式传感器是把被测量转换为电阻变化的一种 传感器,再经过转换电路变成电信号输出。,常用来测量力、压力、位移、加速度、应变、扭矩、温度等。,2.1 电位器式电阻传感器,可用于测压力、高度、加速度、航面角等参数,结构简单、尺寸小、重量轻精度高、输出信号大性能稳定,要求输入能量大 电刷与电阻元件之间容易磨损,按结构形式不同，可分为线饶式、薄膜式、光电式等，按特性不同，可分为线性电位器和非线性电位器,一、线性电位器1、线性电位器的空载特性,线性电位器的理想空载特性曲线应具有严格的线性关系,作变阻器使用：,作分压器使用：,线性线

2、绕电位器理想的输出、输入关系遵循上述四个公式。因此对如图2-3所示的位移传感器来说，因为,其灵敏度应为,图2-3 线性线绕电位器示意图,图2-3 线性线绕电位器示意图,式中，、分别为电阻灵敏度、电压灵敏度；为导线电阻率；A为导线横截面积；n为线绕电位器绕线总匝数。由上式可以看出，线性线绕电位器的电阻灵敏度和电压灵敏度除与电阻率有关外，还与骨架尺寸h和b、导线横截面积A(导线直径d）、绕线节距t等结构参数有关；电压灵敏度还与通过电位器的电流I的大小有关。,图2-4所示为绕n匝电阻丝的线性电位器的局部剖面和阶梯特性曲线图。电刷在电位器的线圈上移动时，线圈一圈一圈的变化，因此，电位器阻值随电刷移动不

3、是连续地改变，导线与一匝接触的过程中，虽有微小位移，但电阻值并无变化，因而输出电压也不改变，在输出特性曲线上对应地出现平直段；当电刷离开这一匝而与下一匝接触，电阻突然增加一匝阻值,因此特性曲线相应出现阶跃段。这样，电刷每移过一匝，输出电压便阶跃一次，共产生n个电压阶梯，其阶跃值亦即视在分辨脉冲为,2、阶梯特性、阶梯误差和分辨率,图2-4 局部剖面和阶梯特性,实际上，当电刷从j匝移到(j+1)匝的过程中，必定会使这两匝短路，于是电位器的总匝数从n匝减小到（n-1）匝，这样总阻值的变化就使得在每个电压阶跃中还产生一个小阶跃。这个小电压阶跃亦即次要分辨脉冲为,工程上常把图2-4那种实际阶梯曲线简化成

4、理想阶梯曲线，如图2-5所示。这时，电位器的电压分辨率定义为：在电刷行程内，电位器输出电压阶梯的最大值与最大输出电压Umax之比的百分数，对理想阶梯特性的线绕电位器，电压分辨率为,图2-5 理想阶梯特性曲线,除了电压分辨率外，还有行程分辨率，其定义为：在电刷行程内，能使电位器产生一个可测出变化的电刷最小行程与整个行程之比的百分数，即,从图2-5中可见在理想情况下，特性曲线每个阶梯的大小完全相同，则通过每个阶梯中点的直线即是理论特性曲线，阶梯曲线围绕它上下跳动，从而带来一定误差，这就是阶梯误差。电位器的阶梯误差j通常以理想阶梯特性曲线对理论特性曲线的最大偏差值与最大输出电压值的百分数表示，即,阶

5、梯误差和分辨率的大小都是由线绕电位器本身工作原理所决定的,是一种原理性误差,它决定了电位器可能达到的最高精度。在实际设计中,为改善阶梯误差和分辨率,需增加匝数,即减小导线直径（小型电位器通常选0.5mm或更细的导线）或增加骨架长度（如采用多圈螺旋电位器)。,二、非线性电位器,非线性电位器是指在空载时其输出电压（或电阻）与电刷行程之间具有非线性函数关系的一种电位器。它可以实现指数函数、三角函数、对数函数等，也称函数电位器。因此可以满足控制系统的特殊要求，也可满足传感、检测系统最终获得线性输出的要求。常用的非线性线绕电位器有变骨架式、变截距式、分路电阻式及电位给定式,非线性电位器的主要功用为：1）

6、获得所需要的非线性输出，以满足测控系统的一些特殊要求；2）由于测量系统有些环节出现了非线性，为了修正、补偿非线性，需要将电位器设计成非线性特性，使测量系统的最后输出获得所需要的线性特性；3）用于消除或改善负载误差。对于线绕式电位器，其非线性特性的实现可以采用三种不同的绕线方法实现非线性电位器：变骨架方式、变绕线节距方式和变电阻率方式。,变骨架式非线性电位器 变骨架式电位器是利用改变骨架高度或宽度的方法来实现非线性函数特性。图2-6所示为一种变骨架高度式非线性电位器。,图2-6变骨架高度式线性电位器,骨架变化的规律变骨架式非线性电位器是在保持电位器结构参数、A、t不变时，只改变骨架宽度b或高度h

7、来实现非线性函数关系。这里以只改变h的变骨架高度式非线性线绕电位器为例来对骨架变化规律进行分析。在图2-6所示曲线上任取一小段,则可视为直线，电刷位移为x，对应的电阻变化就是R，因此前述的线性电位器灵敏度公式仍然成立，即,当x0时,则有,由上述两个公式可求出骨架高度的变化规律为,h是电刷位移x的函数，且与特性曲线的导数dRx/有关。,非线性电位器输出与电刷行程之间是非线性函数关系,三、负载特性与负载误差,上面讨论的电位器空载特性相当于负载开路或为无穷大时的情况，而一般情况下，电位器接有负载，接入负载时，由于负载电阻和电位器的比值为有限值，此时所得的特性为负载特性，负载特性偏离理想空载特性的偏差

8、称为电位器的负载误差，带负载的电位器的电路如图2-9所示。电位器的负载电阻为Rf，则此电位器的输出电压为,图2-9带负载的电位器电路,相对输出电压为：,设电阻相对变化为：,而理想空载特性为：,电位器的负载系数为：,比较以上两式，由于m不等于0，即RL不是无限大，使负载特性和空载特性之间产生偏差，以上各式对线性和非线性电位器均适用,电位器在接入负载电阻Rf后的负载误差为,图2-10所示为f与m、r的曲线关系。由图可见无论m为何值，r=0和r=1时，即电刷在起始位置和最终位置时，负载误差都为零；当电刷处于行程中心位置时，负载误差最大。且增大负载系数时，即减小负载电阻时，负载误差也随之增加。为了减小

9、负载误差，首先要尽量减小负载系数，通常希望m0.1。,图2-10 f与m、X的关系曲线,但是有时负载满足不了这个条件,一般可以采取限制电位器工作区间的办法减小负载误差；或者由于电位器的负载特性相对于其空载特性下凹，将电位器的空载特性设计为某种上凸的曲线，即设计出非线性电位器也可以消除负载误差，此非线性电位器的空载特性曲线2与线性电位器的负载特性曲线1，两者是以特性直线3互为镜像的，如图2-11所示。,图2-11 负载误差的补偿方式,二、电位器的结构与材料,1、电阻丝2、电刷3、骨架,三、电位器式传感器举例,1、电位器式压力传感器 电位器式压力传感器如图2-12所示,弹性敏感元件膜盒的内腔,通入

10、被测流体,在流体压力作用下,膜盒硬中心产生弹性位移,推动连杆上移,使曲柄轴带动电位器的电刷在电位器绕组上滑动,因而输出一个与被测压力成比例的电压信号。该电压信号可远距离传送,故可作为远程压力表。,图2-12 电位器式压力传感器,2、电位器式加速度传感器 图为电位器式加速度传感器,惯性质量块在被测加速度的作用下,使片状弹簧产生正比于被测加速度的位移,从而引起电刷在电位器的电阻元件上滑动,输出一与加速度成比例的电压信号。,电位器传感器结构简单,价格低廉,性能稳定,能承受恶劣环境条件,输出功率大,一般不需要对输出信号放大就可以直接驱动伺服元件和显示仪表;其缺点是精度不高,动态响应较差,不适于测量快速

11、变化量。,案例：煤气包储量检测,原理：钢丝-收线圈数-电位器-电阻,案例：玩具机器人,原理：电机-转角-电位器-电阻,2.2 应变片式电阻传感器,电阻式应变传感器作为测力与应变的主要传感器，测力范围小到肌肉纤维（510-17N)，大到登月火箭（5107N)，精确度可到0.01-0.1%，有10年以上的校准稳定性。可用于应变力、压力、转矩、位移、加速度。据统计日本力传感器中应变片占70%，美国占90%。,应变片式电阻传感器是以应变片为传感元件的传感器。它具有以下优点：1、精度高，测量范围广2、适用寿命长，性能稳定可靠3、结构简单、尺寸小，重量轻，因此在测试时，对工件工 作状态及应力分析影响小4、

12、频率响应特性好。应变片响应时间约是10-7s5、可在高低温、高速、高压、强烈振动、强磁场、核辐射 和化学腐蚀等恶劣环境条件下工作6、应变片种类繁多、价格便宜 同时，也存在一些缺点，在大应变状态下具有较大非线性；输出信号微弱。不适用与高温环境（1000以上）；应变片实际测出的只是某一面积上的平均应变，不能完全显示应力场中应力梯度的情况,一、工作原理：,电阻应变片工作原理是基于电阻应变效应，即金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着所受机械变形(伸长或缩短)的变化而发生变化。,一、工作原理：,上述任何一个参数变换均会引起电阻变化,求导数,金属应变片的电阻R为,代入,有：,金属丝：,在弹性范

13、围内，金属丝受拉力时，沿轴向伸长，沿径向缩短轴向应变和径向应变的关系为：,有：,通常把 单位应变引起的电阻相对变化称作电阻线的灵敏系数，表达式为：,明显可以看出，电阻丝灵敏系数k0由两部分组成:(1+2u)表示受力后材料的几何尺寸变化引起的，表示由材料电阻率变化所引起的。,对金属材料，,K0=1.73.6,半导体应变计,简化为：,优点：灵敏度大;体积小;缺点：温度稳定性和可重复性不如金属应变片。,K 金属丝的灵敏系数：,二、金属电阻应变片主要特性,金属电阻应变片结构、材料1、结构 有丝状应变片和箔状应变片如图所示，它们均由敏感栅，基底，盖层，引线和粘结剂等组成。,应变片的基本结构,其中敏感栅是

14、应变片中最重要的部分，一般采用栅丝直径为，L为栅长，a为基宽，根据不用用途，栅长可为0.2-200mm,基底用以保持敏感栅及引线的几何形状和相对位置，并将被测件上的应变迅速准确地传递到敏感栅上，因此基底做的很薄，一般为0.02-0.4mm,盖层起保护作用.引线常用直径为的镀锡铜线，并与敏感栅两输出端焊接,二、金属电阻应变片主要特性,金属电阻应变片结构、材料1、结构 金属箔式应变片的敏感栅1是由很薄的金属箔片制成，箔厚只有约，用光刻技术制成，2为引线，3是胶膜基底，它与金属丝应变片相比有如下优点：,1、用光刻技术能制成各种复杂 形状的敏感栅，2、横向效应小3、允许电流大、散热性好，可 提高想匹配

15、电桥电压，从而 可提高灵敏度4、疲劳寿命长、蠕变小5、生产效率高,应变计,金属应变计,但是制造箔式应变片的电阻值的分散性要比丝式的大，有的能相差几十欧姆，需要做阻值的调整，由于箔式应变片的一系列优点，它将取代丝式应变片而占主要地位,2、材料,对金属电阻应变片敏感栅材料的基本要求是：1、灵敏系数k0值大，并且在较大的应变范围内保持常数2、电阻温度系数小3、电阻率大4、机械强度高，且易于拉丝或辗薄5、与铜丝的焊接性好，与其他金属的接触热电势小常用的材料有康铜、镍铬合金、镍镉铝合金、铁铬铝合金、铂、铂钨合金等箔式应变片敏感栅材料常采用康铜、镍铬。,3、测量原理用应变片测量时，将其粘贴在被测对象表面上

16、。当被测对象受力变形时，应变片的敏感栅也随同变形，其电阻值发生相应变化，通过转换电路转换为电压或电流的变化，这是用来直接测量应变。通过弹性敏感元件，将位移、力、力矩、加速度、压力等物理量转换为应变，则可用应变片测量上述各量，而做成各种应变式传感器。,1.灵敏系数K,电阻应变片主要特性：,当具有初始电阻值的应变片粘贴于试件表面时，试件受力引起的表面应变，将传递给应变片的敏感栅，使其产生电阻相对变化。实验证明，在一定的应变范围内，有下列关系：,实验测定 KK0,K0是单丝的灵敏系数,原因主要是胶层传递变形失真及横向效应。,2.横向效应,3.机械滞后，零漂及蠕变,（1）机械滞后 如图所示，应变片粘贴

17、在试件上,应变片的机械滞后,对应同一机械应变所指示应变量(输出)之差值。,（2）蠕变和零漂 粘贴在试件上的应变计，在恒温恒载条件下，指示应变量随时间单向变化的特性称为蠕变。当试件初始空载时，应变计示值仍会随时间变化的现象称为零漂。蠕变反映了应变计在长时间工作中对时间的稳定性，引起蠕变的主要原因是制作应变计时内部产生的内应力和工作中出现的剪应力，使栅丝、基底，尤其是胶层之间产生的“滑移”所致。选用弹性模量较大的粘结剂和基底材料，适当减薄胶层和基底，并使之充分固化，有利于蠕变性能的改善。,5.应变极限,应变极限是衡量应变计测量范围和过载能力的指标。在恒温条件下，使非线性误差达到10%时的真实应变值

18、，称为应变极限。,4.温度效应,绝缘电阻是指应变计的引线与被测试件之间的电阻值,一般以兆欧计。绝缘电阻过低,会造成应变计与试件之间漏电而产生测量误差最大工作电流是指允许通过应变计而不影响其工作的最大电流值。工作电流大,应变计输出信号就大,因而灵敏度高。但过大的工作电流会使应变计本身过热,使灵敏系数变化,零漂、蠕变增加,甚至烧坏应变计。,工作电流的选取,要根据散热条件而定,主要取决于敏感栅的几何形状和尺寸、截面的形状和大小、基底的尺寸和材料、粘合剂的材料和厚度以及试件的散热性能等。通常允许电流值在静态测量时约取25 mA左右,动态测量时可高一些,箔式应变计可取更大些。在测量塑料、玻璃、陶瓷等导热

19、性差的材料时,工作电流要取小些。,6.绝缘电阻、最大工作电流,应变片对应变波的动态响应,7.动态响应特性,是指应变片对应变波（随时间变化的应变值）的动态响应特性，当频率很高的被测应变值传递给应变片时，应考虑栅长方向传播时的动态响应,1.温度误差,把应变计安装在自由膨胀的试件上,即使试件不受任何外力作用,如果环境温度发生变化,应变计的电阻也将发生变化。这种变化叠加在测量结果中将产生很大误差。这种由于环境温度改变而带来的误差,称为应变计的温度误差,又称热输出。,三、温度误差及补偿,金属应变片测量时，因环境温度变化（t)而引起的电阻阻值的变化 主要有两个因素：1、应变片电阻丝温度系数 而产生的误差2

20、、电阻丝膨胀系数 与测试试件材料的膨胀系数 之间不同而产生误差,综合以上两因素，其应变片由温度变化效应而产生的电阻相对变化为：,其中,称虚假应变,2.温度补偿一、自补偿法1.单丝自补偿应变片,在试件确定的情况下，选择相应的应变片，使得应变片敏感栅金属丝的、满足下述关系式,即：,常用的处理方法是对栅丝进行冷却或不同的热处理规范来控制栅丝的温度系数,2.双丝组合补偿应变片（1）它是利用两种电阻丝材料的电阻温度系数符号不同(一个为正,一个为负)的特性,将二者串联绕制成敏感栅。若两段敏感栅R1和R2由于温度变化而产生的电阻变化为R1t和R2t,大小相等而符号相反,就可以实现温度补偿。,(R1)t=-(

21、R2)t,如图所示由两种不同电阻温度系数,在工作温度范围内通常可达到0.45/C。,（2）这种自补偿应变计的敏感栅也由两种合金丝材制成,但形成的两个电阻分别接入电桥相邻的两臂上。如图所示,R1是工作臂,R2与外接串联电阻RB组成补偿臂。,电阻温度系数符号相同的双金属敏感栅自补偿应变计,R2为补偿电阻，具有高的温度系数及低的应变灵敏系数，RB为温度系数很小的附加电阻，,就可使两桥臂由于温度引起的电阻变化相等或接近,实现温度自补偿。补偿栅R2用温度变化产生的R2t去补偿工作栅R1的R1t，但也使应变计的灵敏系数损失一部分，因此补偿栅材料通常选用电阻温度系数大且电阻率小的铂或铂合金,这样只要几欧的铂

22、电阻就能达到温度补偿,使应变计的灵敏系数少损失一些。,两种丝材电阻温度系数的符号相同(例如都为正),适当调节它们之间的长度比和外接电阻RB的数值,使,由电桥原理可知，由于温度变化引起的电桥相邻两臂的电阻变化相等或很接近，相应的电桥输出电压即为零或极小,这种补偿方法只要适当调节RB,就可以在不同线膨胀系数的试件上实现温度自补偿,所以比较通用,这是它的优点。但使用它时,必须每片都接成半桥线路,并要外接一个高精度电阻RB,在测量点很多的情况下,使用较麻烦。自补偿法都从敏感栅材料上加以选择处理实现补偿。虽然简单，但是范围窄，有一定的局限性。,二、线路补偿法 最常用和最好的补偿方法是电桥补偿法。（1）在

23、被测试件上安装一工作应变计,在另外一个与被测试件的材料相同,但不受力的补偿件上安装一补偿应变计。补偿件与被测试件处于完全相同的温度场内。测量时,使两者接入电桥的相邻臂上,如图2-14所示。由于补偿片R2是与工作片R1完全相同的,且都贴在同样材料的试件上,并处于同样温度下,这样,由于温度变化使工作片产生的电阻变化R1t补偿片的电阻变化R2t相等,因此,电桥输出Usc与温度无关,从而补偿了应变计的温度误差。,桥路补偿法,（2）差动电桥补偿法，既能实现电路补偿，又能提高桥输出灵敏度。,根据被测试件的应变情况,亦可不专门设补偿件,而将补偿片亦贴在被测试件上,使其既能起到温度补偿作用,又能提高灵敏度。例

24、如,构件作纯弯曲形变时,构件面上部的应变为拉应变,下部为压应变,且两者绝对值相等符号相反。测量时可将R2贴在被测试件的下面,接入图2-14 的电桥中。由于在外力矩M作用下,R2与R1的变化值大小相等符号相反,电桥的输出电压增加一倍。此时R2既起到了温度补偿作用,又提高了灵敏度,而且可补偿非线性误差。,图 2-15,四、应变片式电阻传感器的测量电路,应变片将应变的变化转换成电阻相对变化R/R，要把电阻的变化转换成电压或电流的变化，才能用电测仪表进行测量。,测量电路可以是直流电桥或是交流电桥。桥的作用是将应变片产生的应变而引起的电阻变化量R转换成U电压变化量或电流变化量I输出传送。,直流电桥平衡条

25、件,图为由桥臂R1、R2、R3、R4组成的直流电桥。直流电桥的特性方程是指电桥对角端负载电流If与各桥臂参数和电源电压的关系式。利用等效电源定理可得,1、直流电桥,等效电压源定理 内容：任何一个线性有源单口网络，就其外部的电压电流关系而言，总可以等效为一个恒压源和一个内阻相串联的电路。恒压源的电压等于端口的开路电压Uo，等效内阻等于单口网络中全部独立电源为零时端口的输入电阻RO。,电桥平衡时IL=0,有,R1R4-R2R3=0,或,上式称为直流电桥平衡条件,它说明欲使电桥达到平衡,其相邻两臂的比值应相等(相对两臂的乘积相等)。,若R1由应变片替代，当电桥开路时，不平衡电桥输出的电压为:,2.直

26、流电桥电压灵敏度,设桥臂比n=R2/R1，由于R1R1，分母中R1/R1可忽略，并考虑到平衡条件R2/R1=R4/R3，则上式可写为：,电桥电压灵敏度定义为：,分析：电桥电压灵敏度正比于电桥供电电压，供电电压越高，电桥电压灵敏度越高，但供电电压的提高受到应变片允许功耗的限制，所以要作适当选择；电桥电压灵敏度是桥臂电阻比值n的函数，恰当地选择桥臂比n的值，保证电桥具有较高的电压灵敏度。,？当E值确定后，n取何值时才能使KU最高？,分析：思路：dKU/dn=0求KU的最大值,求得n=1时，KU为最大值。即在供桥电压确定后，当R1=R2，R3=R4时，电桥电压灵敏度最高，此时有：,结论：当电源电压E

27、和电阻相对变化量R1/R1一定时，电桥的输出电压及其灵敏度也是定值，且与各桥臂电阻阻值大小无关。,3.非线性误差及其补偿方法,与R1/R1的关系是非线性的，非线性误差为,理想情况（略去分母中的R1/R1项）：,实际情况（保留分母中的R1/R1项）：,如果桥臂比n=1，则：,例如：对于一般应变片：所受应变通常在510-3以下，若取Ku=2，则R1/R1=K=0.01，计算得非线性误差为0.5%；若K=130，=10-3时，R1/R1=0.130，则得到非线性误差为6%，故当非线性误差不能满足测量要求时，必须予以消除。,可见，与R1/R1成正比，有时能达到可观的程度,差动电桥,减小和消除非线性误差

28、的方法,半桥差动：在试件上安装两个工作应变片，一个受拉应变，一个受压应变，接入电桥相邻桥臂。该电桥输出电压为：,若R1=R2，R1=R2，R3=R4，则得：,可知：Uo与R1/R1成线性关系，无非线性误差，而且电桥电压灵敏度KU=E/2，是单臂工作时的两倍。,全桥差动：电桥四臂接入四片应变片，即两个受拉应变，两个受压应变，将两个应变符号相同的接入相对桥臂上。若R1=R2=R3=R4，且R1=R2=R3=R4，则：,结论：全桥差动电路不仅没有非线性误差，而且电压灵敏度为单片工作时的4倍。,U0,2 交流电桥 引入原因：由于应变电桥输出电压很小，一般都要加放大器，而直流放大器易于产生零漂，因此应变

29、电桥多采用交流电桥。下图为交流电桥,为交流电压源,开路输出电压为,由于供桥电源为交流电源,引线分布电容使得二桥臂应变片呈现复阻抗特性,即相当于二只应变片各并联了一个电容。,交流电桥的平衡条件：,分析交流电路得出：,要满足电桥平衡条件，即U0=0,则应有：,或,设四臂阻抗为：,上式中R1,R2,R3,R4为各桥臂的电阻，X1,X2,X3,X4为各桥臂的电抗，|Z1|,|Z2|,|Z3|,|Z4|和 分别为各桥臂复阻抗的模和辐角,代入式：,得交流电桥平衡条件：,上列各式说明:交流电桥的平衡条件与直流电桥的不同,需要满足两个方程式,即必须不仅各桥臂复阻抗的模满足一定的比例关系,而且相对桥臂的幅角和必

30、须相等。,交流应变电桥的输出特性及平衡条件,设交流电桥的初始状态是平衡的，Z1Z4=Z2Z3,当工作应变片R1改变R1后，引起Z1变化Z1,可算出：,考虑到电桥的起始平衡条件并略去分母中含Z1/Z1 项,并设初始 Z1=Z2=Z3=Z4,则：,现举例说明，如下图交流电桥的平衡条件：,式中C1、C2表示应变片引线分布电容,由交流电路分析可得,(1),要满足电桥平衡条件,即=0,则有 Z1 Z4=Z2 Z3,取Z1=Z2=Z3=Z4，将（1）式代入（2）式得：,(2),整理得：,其实部、虚部分别相等,并整理可得交流电桥的平衡条件为:,对这种交流电容电桥,除要满足电阻平衡条件外,还必须满足电容平衡条

31、件。为此在桥路上除设有电阻平衡调节外还设有电容平衡调节。电桥平衡调节电路如下图 所示。,当被测应力变化引起Z1=Z0+Z,Z2=Z0-Z变化时,则电桥输出为：,五、应变式电阻传感器应用举例,电阻应变丝、片,除直接用来测定试件的应变和应力外,还广泛用作传感元件研制成各种应变式传感器,用来测定其他物理量,如力、压力、扭矩、加速度等。应变式传感器的基本构成通常可分为两部分,弹性敏感元件和应变片(丝)。弹性敏感元件在被测物理量的作用下,产生一个与它成正比的应变,然后用应变片(丝)作为转换元件将应变转换为电阻变化。,主要用途：作为各种电子称与材料试验机的测力元件、发动机的推力测试、水坝坝体承载状况监测等

32、。力传感器的弹性元件：柱式、筒式、环式、悬臂式等。,2.6 应变式传感器应用举例,2.6.1 力（荷重）传感器,例2-1.柱式力传感器,轴向布置一个或几个应变片，在圆周方向布置同样数目的应变片，后者取符号相反的应变，以构成差动对。由于应变片沿圆周方向分布，所以非轴向载荷分量被补偿。,三式联立解得:,故,弹性元件上应变片的粘贴和电桥连接，应尽可能消除偏心和弯矩的影响，一般将应变片对称地贴在应力均匀的圆柱表面中部，构成差动对,且处于对臂位置，以减小弯矩的影响。横向粘贴的应变片具有温度补偿作用。,例2-2 梁式力传感器,(1)等强度梁,一端固定，一端自由，厚度为h,长度l，固定端宽度为b0,力F 作

33、用在三角形顶点。其表面应变为：,此位置上下两侧分别粘有4只应变片，R1、R4同侧；R3、R2同侧，这两侧的应变方向刚好相反，且大小相等，可构成全差动电桥。,由于是全差动电桥，应有：,所以：,(2)等截面梁,一端固定，一端自由，厚度为h,宽度为b,悬臂外端到应变片中心的距离 为l。其应变为：,(3)固定梁,双弯曲梁为传感器弹性体，四片应变片分别粘贴在梁的上、下两表面上，组成全桥电路。当载荷F作用时，R1、R2受拉伸，阻值增加；R3、R4受压缩，阻值减小。电桥失去平衡，产生电压输出。,（4）双弯曲梁,若梁的厚度为h，宽度为b，梁端到梁中心的距离为d，梁端到应变片的距离为，应变片的基长为a，材料的弹

34、性模量为E，当载荷F作用时，双弯曲梁的应变为,电桥输出电压为：,S型拉压传感器,悬臂梁式传感器,铝合金传感器,桥式传感器,2.6.2 应变式传感器测量压力,例2-3 应变式压力传感器,薄壁筒上贴有两片工作应变片，实心部分贴有两片温度补偿片。实心部分在筒内有压力时不产生形变。当无压力时，四片应变片组成的全桥平衡；当被测压力P进入应变筒的腔内时，圆筒发生形变，电桥失衡。圆筒外表面上的环向应变为：,筒式应变压力传感器,若壁较薄时，可用下式计算环向应变:,筒式压力传感器性能特点：可用于高压测量。结构特点：圆柱盲孔，环向应变。,2.6.3 应变式传感器测量加速度,例2-3 应变式加速度传感器,例2-4

35、玩具机器人（广州中鸣数码）,原理：电机-转角-应变片-电阻,电阻应变式传感器的应用：测力,标准产品,例2-5 桥梁固有频率测量,例2-6 电子称,原 理将物品重量通过悬臂梁转化结构变形再通过应变片转化为电量输出。,例2-7 冲床生产记数和生产过程监测,例2-8 机器人握力测量,例2-9 振动式地音入侵探测器,适合于金库、仓库、古建筑的防范，挖墙、打洞、爆破等破坏行为均可及时发现。,作业：,2、5、9、10图示为等强度梁测力系统，R1为电阻应变片，其灵敏系数K=2.05，未受应变时R1=120，当梁受力F时，应变片承受的平均应变=800um/m，求（1）应变片电阻变化量R1和电阻相对变化量R1/R1(2）将电阻应变片R1置于电流电桥的一个桥臂，若电桥供电电压为3V，求电桥输出电压及电桥的非线性误差,作业,1、什么是电阻应变效应？金属丝材料的电阻应变效应与半导体材料的有何不同？2、采用电阻值R=120,灵敏度系数k=2.0的金属电阻应变片与阻值R=120的固定电阻组成电桥，供桥电压为10V,当应变片应变为1000u时，若要使输出电压大于10mV，则可采用何种工作方式（设输出阻抗为无穷大）？3、减小直流电桥的非线性误差有哪些方法？,