《应变片传感器》PPT课件.ppt

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1、1,第2章 应变片式传感器,内容提要和小结,2.3 温度误差及补偿,2.1 电阻应变片,2.2 电阻应变片的特性,2.4 电阻应变片的测量电路,2.5 应变式传感器应用举例,2,电阻式传感器是把被测量转换为电阻变化的一种传感器,按工作的原理可分为：,电阻应变式、变阻器式、热敏式、光敏式、电敏式.,电阻应变式、变阻器式、热敏式、光敏式、电敏式.,部分实物,3,电阻应变仪,下图所示的静态应变仪测量范围：19999；分辨率：1；电桥电压：直流2.5V；应变片：120或其他阻值；测量点数：8/16点；,4,2.1 电阻应变片,2.1.1 应变效应,2.1.2 应变片的分类,2.1.3 应变片的粘贴技术

2、,5,2.1.1 应变效应,导体或半导体材料在外界力的作用下，会产生机械变形，其电阻值也将随着发生变化，这种现象称为应变效应。,主要由电阻应变片及测量电路等组成。,定义：,组成：,电阻应变片是核心元件，它可将试件上的应力变化转换成电阻变化。,一、应变效应,6,金属丝受拉时，l、r和R将如何变化？,提出问题,7,结论：金属丝受拉时，l变长、r变小，导致R变大。,8,二、电阻应变片,1.工作原理,设有一长度为l、截面积为A、半径为r、电阻率为 的金属丝，它的电阻值R可表示为：,当电阻丝受到拉力F作用时,将伸长dl,横截面积相应减小dA,电阻率将因晶格发生变形等因素而改变d,故引起电阻值相对变化量为

3、：,（2-2）,（2-1）,9,式中：,若电阻丝是圆形的，则A=r,对r 微分得dA=2r dr，则：,为圆形电阻丝的截面积相对变化量,（2-3）,是长度相对变化量,10,由材料力学可知,在弹性范围内,金属丝受拉力时,沿轴向伸长,沿径向缩短,那么轴向应变和径向应变的关系可表示为:,电阻丝材料的泊松比,负号表示应变方向相反。,令 称为电阻丝轴向应变,称为电阻丝径向应变,（2-4）,11,由 及材料力学知识:,：形变效应部分，为电阻丝几何尺寸改变引起,：压阻效应部分，为电阻丝的电阻率随应变的改变所引起；对大多数金属电阻丝，其值为常数，可以忽略。,式中：,（2-5）,12,一般金属丝K=1.7-3.

4、6,金属电阻应变片上主要为电阻丝几何尺寸变化而引起的电阻变化。,结论：,实验证明：,K电阻应变片的灵敏度,13,强调：,对半导体材料而言，灵敏度比金属材料大几十倍。,对金属材料而言，当它受力之后所产生的轴向应变最好不要大于110-3，即1000m/m，否则有可能超过材料的极限强度而导致断裂。,即：要求其机械应变小,14,应力-应变关系：,应变片测试原理,应变-电阻关系：,15,半导体应变片,金属电阻应变片,金属丝式应变片,箔式应变片,金属薄膜应变片,2.1.2 应变片的分类,16,金属丝式应变片使用最早，但由于金属丝式应变片蠕变较大，金属丝易脱胶，有逐渐被箔式所取代的趋势。但其价格便宜，多用于

5、要求不高的应变、应力的大批量、一次性试验。,一、金属丝式应变片,17,（2）材料：电阻率大而电阻温度系数小的材料。,（1）制作：由金属丝绕制而成。,（4）阻值范围：一般在501 000范围内，常用的为120。,（3）表示方式：一般以使用面积（）和敏感栅的电阻值来表示。,18,箔式应变片与片基的接触面积大得多，散热条件较好，在长时间测量时的蠕变较小，一致性较好，能将温度影响减小到最小的程度，适合于大批量生产，目前已用于各种应变式传感器的制造中。,应用较多,二、箔式应变片,19,金属薄膜应变片主要是采用真空蒸镀技术，在薄的绝缘基片上蒸镀上金属材料薄膜，最后加保护层形成，它是近年来薄膜技术发展的产物

6、。,三、金属薄膜应变片,20,半导体应变片是用半导体材料作敏感栅而制成的。当它受力时，电阻率随应力的变化而变化。它的主要优点是灵敏度高，主要缺点是灵敏度的一致性差、温漂大、电阻与应变间非线性严重，使用时需采用温度补偿和非线性补偿措施。,四、半导体应变片,21,半导体应变片的工作原理是基于半导体材料的压阻效应而制成的一种纯电阻性元件。当半导体材料某一轴向受外力作用时，其电阻率会发生变化。,当半导体应变片受轴向力作用时，其电阻相对变化为:,（2-6）,22,式中 为半导体应变片的电阻率的相对变化，其值与半导体敏感条在轴向所受的应力之比为一常数。即:,代入（2-7）式，得：,（2-8）式中1+2项随

7、几何形状而变化，LE项为压阻效应，随电阻率而变化。,（2-7）,（2-8）,23,实验证明LE比1+2大近百倍，所以1+2可以忽略，因而半导体应变片的灵敏系数为：,半导体应变片的突出优点是体积小，灵敏度高，频率响应范围宽，输出幅值大，可直接与记录仪连接。但其温度系数大，应变时非线性较严重。,（2-9）,24,应变片主要性能指标举例,上表中，哪几个型号是半导体应变片？依据是什么？,25,1、去污：采用手持砂轮工具除去构件表面的油污、漆、锈斑等，并用细纱布交叉打磨出细纹以增加粘贴力，用浸有酒精或丙酮的纱布片或脱脂棉球擦洗。,2.1.3 电阻应变片的粘贴技术,26,2、贴片：在应变片的表面和处理过的

8、粘贴表面上，各涂一层均匀的粘贴胶，用镊子将应变片放上去，并调好位置，然后盖上塑料薄膜，用手指揉和滚压，排出下面的气泡。,27,3、测量：从分开的端子处，预先用万用表测量应变片的电阻，发现端子折断和坏的应变片。,28,4、焊接：将引线和端子用烙铁焊接起来，注意不要把端子扯断。,29,5、固定：焊接后用胶布将引线和被测对象固定在一起，防止损坏引线和应变片。,30,2.2 电阻应变片的特性,2.2.1 基本特性,2.2.2 灵敏度系数,2.2.3 横向效应,2.2.4 动态特性,31,1.应变片的电阻值(R0)应变片不受外力作用情况下,于室温条件测定的电阻值(原始电阻值),已标准化.主要有60,12

9、0,350,600,1000等各种规格，其中120 为最常使用。2.绝缘电阻 敏感栅与基底之间电阻值,一般应大于1010。,2.2.1 基本特性,32,金属应变丝的电阻相对变化与它所感受的应变之间具有线性关系，用灵敏度系数KS表示。当金属丝做成应变片后，其电阻应变特性与金属单丝情况不同。实验表明，金属应变片的电阻相对变化与应变在很宽的范围内均为线性关系。即:,K为金属应变片的灵敏系数。测量结果表明，应变片的灵敏系数K恒小于线材的灵敏系数KS。原因主要是胶层传递变形失真及横向效应。,2.2.2 灵敏度系数,33,如果将100电阻应变片贴在弹性试件上，试件受力横截面积S=0.510-4m2，弹性模

10、量E=21011N/m2,若有F=5104N的拉力引起应变片电阻变化为1。试求该应变片的灵敏系数。,例2-1,由题意得应变片电阻相对变化量:,解：,根据材料力学理论可知：应变,（）,故应变:,应变片的灵敏数,34,将金属丝绕成敏感栅构成应变片后，在轴向单向应力作用下，由于敏感栅“横栅段”（圆弧或直线）上的应变状态不同于敏感栅“直线段”上的应变，使应变片敏感栅的电阻变化较相同长度直线金属丝在单向应力作用下的电阻变化小，因此，灵敏系数有所降低，这种现象称为应变片的横向效应。如图2-3所示。,图2-3 横向效应,2.2.3 横向效应,35,将应变片粘贴在受单向拉伸应力试件时，其电阻相对变化可表示为(

11、2-10)当y=0时，可得轴向灵敏系数(2-11)当x=0时，可得横向灵敏系数(2-12)横向灵敏系数与轴向灵敏系数的比值称为横向效应系数H，H=Ky/Kx由此式（3-10）可写为(2-13),36,应当指出，制造厂商在标定应变片的灵敏系数K时，是按规定的特定应变场（单向应力场，=0.285）下进行的，标定出的K值实际上也将横向效应的影响包括在内，只要应变片在实际使用时，符合特定条件（如平面应力状态，或试件的0.285），则会引起一定的横向效应误差，需进行修正。,37,应变测试中，应变片的指示应变是敏感栅覆盖面积下的轴向平均应变。静态测试时，应变片能正确反映它所处受力试件内各点的应变；动态测试

12、时，应变是以应变波的形式沿应变片的敏感栅的长度方向传播，因而应变片反映的平均应变与瞬时应变有一定差异，产生动态误差。,2.2.4 动态特性,38,一、受力试件内的应变波为阶跃变化时(图2-4(a)，应变片对其响应如图2-4(b)（理论响应）和图2-4(c)（实际响应）所示。响应特性用上升时间t r表示 t r=0.8l/v,图2-4 应变片对阶跃应变的响应特性,39,二、受力试件内的应变波为正弦变化时，考虑应变波峰值处应变片(红色，长度l0)的响应情况如图2-5所示。,图2-5 应变片对正弦应变波的响应特性与误差曲线,40,100,/l0,30,10,0,20,10,20,30,图2-6 应变

13、片对正弦应变波的误差曲线,41,利用频率f、波长和波速v的关系v/f和n=/l0，可得到应变波的频率与应变片基长的关系：fv/nl0 当n=/l0=1020时，=1.6%0.4%2%时，应变片的响应频率:,对于钢材，v=5000m/s，若取n=20，则不同基长l0的应变片响应的最高工作频率如表2-1所示,2-1,42,2.3 温度误差及补偿,2.3.1 温度误差,2.3.2 温度补偿,43,因环境温度改变而引起电阻变化的两个主要因素：应变片的电阻丝(敏感栅)具有一定温度系数；电阻丝材料与测试材料的线膨胀系数不同。,设环境引起的构件温度变化为t（）时，粘贴在试件表面的应变片敏感栅材料的电阻温度系

14、数为t，则应变片产生的电阻相对变化为:,由于测量现场环境温度的改变而给测量带来的附加误差,称为应变片的温度误差。,2.3.1 温度误差,44,由于敏感栅材料和被测构件材料两者线膨胀系数不同，当t 存在时，引起应变片的附加应变，相应的电阻相对变化为:,K应变片灵敏系数;e试件材料线膨胀系数；g敏感栅材料线膨胀系数。,（2-15）,45,温度变化t形成的总电阻相对变化：,相应的虚假应变为:,可见，应变片热输出的大小不仅与应变计敏感栅材料的性能(t,g)有关，而且与被测试件材料的线膨胀系数(e)有关。,（2-16）,46,一、应变片温度自补偿 1.单丝自补偿应变片（选择式自补偿应变片）由(2-21)

15、式知，若使应变片在温度变化t时的热输出值为零，必须使即：此时温度变化所引起的附加应变t得到自动补偿（消除）,单丝自补偿应变片的优点是结构简单，制造和使用都比较方便，但它必须在具有一定线膨胀系数材料的试件上使用，否则不能达到温度自补偿的目的。,2.3.2 温度补偿,（217）,47,由两种不同电阻温度系数（一种为正值，一种为负值）的材料串联组成敏感栅，以达到一定温度范围内在一定材料的试件上实现温度补偿,(Ra)t=(Rb)t,2.双金属敏感栅应变片（组合式自动补偿应变片）,这种应变片的自补偿条件要求粘贴在某种试件上的两段敏感栅，随温度变化而产生的电阻增量大小相等，符号相反，即：,焊点,Ra,Rb

16、,48,二、电路补偿法,测量应变时，使用两个应变片，一片贴在被测试件的表面,称为工作应变片R1。另一片贴在与被测试件材料相同的补偿块上，称为补偿应变片R2。在工作过程中补偿块不承受应变，仅随温度发生变形。,49,图2-7 桥路补偿法,把R1与R2接入电桥相邻臂上，,当被测试件不承受应变时，R1和R2处于同一温度场，调整电桥参数，可使电桥输出电压为零，即：,50,选择R1=R2=R及R3=R4=r。当温度升高或降低t 时，若R1t=R2t，即两个应变片的热输出相等，则电桥的输出电压为：,图2-7 桥路补偿法,51,若被测试件受应变作用时，工作片R1感受应变，阻值变化R1；补偿片R2不承受应变，阻

17、值不变。此时电桥输出电压为:,由（218）式可知，电桥输出电压U0只与应变有关，与温度无关。,（218）,52,电桥补偿法要达到全补偿，需满足下列三个条件：R1和R2须属于同一批号的，即它们的电阻温度系数、线膨胀系数、应变灵敏系数K都相同，两片的初始电阻值也要求相同；用于粘贴补偿片的构件和粘贴工作片的试件二者材料必须相同，即要求两者线膨胀系数相等；两应变片处于同一温度环境中。此方法简单易行，能在较大温度范围内进行补偿。缺点是条件不易满足，尤其是条件。在某些测试条件下，温度场梯度较大，R1和R2很难处于相同温度点。,53,根据被测试件承受应变的情况，可以不另加专门的补偿块，而是将补偿片贴在被测试

18、件上，这样既能起到温度补偿作用，又能提高输出的灵敏度。具体见下图：,54,梁受弯曲应变时，应变片R1和R2的变形方向相反，上面受拉，下面受压，应变绝对值相等，符号相反，将它们接入电桥的相邻臂后，可使输出电压增加一倍。当温度变化时，应变片R1和R2阻值变化的符号相同，大小相等，电桥不产生输出，达到了补偿的目的。构件受单向应力时，将工作应变片R2的轴线顺着应变方向，补偿应变片R1的轴线和应变方向垂直，R1和R2接入电桥相邻臂，其输出为,构件受弯曲应力,构件受单向应力,55,三、热敏电阻电路补偿 图2-8 热敏电阻温度补偿法 当温度升高应变片的灵敏度下降时，负温度系数热敏电阻Rt 电阻也下降，使电桥

19、的输入电压升高，提高电桥的输出阻抗电压。选择分流电阻R，可以使应变片灵敏度下降对电桥输出影响得到很好的补偿。,56,2.4 电阻应变片的测量电路,2.4.1 直流电桥,2.4.2 交流电桥,57,由于机械应变一般都很小,那么考虑:,通常采用直流电桥和交流电桥。,提出问题？,要把微小应变引起的微小电阻变化测量出来；,同时要把电阻相对变化R/R转换为电压或 电流的变化。,应该采用什么测量转换电路？,回答,58,由四个桥臂R1、R2、R3及R4和一个供桥电源Ui组成。,2.电路特点,当被测量无变化，四桥臂满足一定的关系，输出为零；当被测量发生变化时，测量电桥平衡被破坏，有电压输出。,1.电路组成,其

20、中，RL为负载电阻 Uo为电桥输出电压。,2.4.1 直流电桥,59,3.电桥平衡条件,当电桥平衡时,Uo=0,则有：,R1R4=R2R3,欲使电桥平衡,其相邻两臂电阻的比值应相等,或相对两臂电阻的乘积相等。,电桥平衡条件,结论：,或,60,4.电压灵敏度,（1）,R2,R3,R4为电桥固定电阻,这就构成了单臂电桥。,R1为电阻应变片,61,（2）当R1产生应变时,若应变片电阻变化为R1，其它桥臂固定不变，电桥输出电压Uo0,电桥不平衡输出电压为:,设桥臂比n=R2/R1,考虑到平衡条件R2/R1=R4/R3,且R1/R1很小可忽略,62,电桥电压灵敏度定义为：,电桥不平衡输出电压为:,设桥臂

21、比n=R2/R1,且R1/R1很小可忽略,考虑到平衡条件R2/R1=R4/R3,63,电桥电压灵敏度K=K(n)，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。,分析可知：,电桥电压灵敏度,电桥电压灵敏度K正比于电桥供电电压Ui,提出问题？,当Ui值确定后,n值取何值时使K最高？,但供电电压Ui的提高受到应变片允许功耗的限制，所以要作适当选择;,Ui K,64,当dK/dn=0 时，求K的最大值。,即：在电桥电压确定后,当R1=R2=R3=R4时,电桥电压灵敏度最高,此时有,解决办法：,求得n=1时,K为最大值,当电桥电压Ui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

22、也是定值,且与各桥臂电阻阻值大小无关。,结论：,65,5.非线性误差及其补偿方法,理想值,实际值,非线性误差,如果是四等臂电桥,R1=R2=R3=R4,则,提出问题？,非线性误差 是否能满足测量要求？,66,讨论：非线性误差是否能满足测量要求？,对于一般应变片来说，所受应变通常在510-3以下。,（1）若取K=2,则R1/R1=K=0.01,代入上式计算得非线性误差为0.5%;,（2）若K=130,=10-3时,R1/R1=0.130,则得到非线性误差为6%。,结论：K较小时，能非线性误差满足测量要求；当K到某值时，非线性误差已不能满足测量要求。,必须予以减小和克服非线性误差。,如何解决？,6

23、7,解决办法：差动电桥,即：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,称为半桥差动电路。,68,单臂电桥,双臂电桥,（半桥式）,69,解决办法：差动电桥,即：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,称为半桥差动电路。,该电桥输出电压为:,呈线性关系；,无非线性误差；,电桥电压灵敏度K=Ui/2,比单臂工作时提高一倍；,结论：,能克服温漂。,半桥差动电路,70,当环境温度升高时，,温度补偿原理,因：,桥臂上的应变片温度同时升高，,温度引起的电阻值漂移数值一致，,可以相互抵消。,则：半桥的温漂较小,71,若将电桥四臂接入四片应变片,

24、如图 所示,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,构成全桥差动电路。,此时全桥差动电路不仅没有非线性误差,而且电压灵敏度是单片的 4 倍,同时仍具有温度补偿作用。,若R1=R2=R3=R4,且R1=R2=R3=R4,则,推广：,72,例32,今有一悬臂梁，在其中部上、下两面各粘两片应变片，组成全桥，如图所示，,73,74,在悬臂梁一端受一向下力F0.5N，试求：,(2)若电桥供电电压为5V，求输出电压。,(1)此时四个应变片阻值。已知：应变片灵敏度系数K=2.1；应变片空载电阻。(注：),今有一悬臂梁，在其中部上、下两面各粘两片应变片，组成全桥，如图所示，,若,75

25、,解：,由题意，可求出,全桥,全桥,76,应变片R1工作时,其电阻值变化很小，即：R1很小,电桥相应输出电压也很小，即：Uo很小,所以，一般需要加入放大器放大。,（1）考虑：,6.存在的不足,77,（2）由于放大器的输入阻抗比桥路输出阻抗高很多,所以此时仍视电桥为开路情况，Uo基本不变。,即：,存在零点漂移,78,根据直流电桥分析可知,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,且交流电桥可接入LC，因此应变电桥多采用交流电桥。,由于供桥电源为交流电源,引线分布电容使得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,则每一桥臂上复阻抗分别为：,1.电路

26、特点,2.4.2 交流电桥,79,由交流电路分析可得,Z1 Z4=Z2 Z3,2.平衡条件,其实部、虚部分别相等,并整理可得:,80,电阻平衡条件,电容平衡条件,交流电桥的平衡条件:,其实部、虚部分别相等,并整理可得:,既要满足电阻平衡条件，还要满足电容平衡条件。,81,2.5 应变式传感器应用举例,2.5.1 柱（筒）式力传感器,2.5.2 悬臂梁式力传感器,2.5.3 电阻应变式加速度传感器,2.5.4 梁式弹性元件位移传感器,82,特点：结构简单、可承受很大载荷；多种截面形状：实心截面、空心截面。,柱（筒）式力传感器，弹性敏感元件为实心或空心的柱体（截面积为S，材料弹性模量为E），当柱体

27、轴向受拉（压）力F作用时，在弹性范围内，应力与应变成正比关系:=E,2.5.1 柱（筒）式力传感器,83,轴向应变：（2-19）横(周)向应变：y=应变片粘贴在弹性柱体外壁应力分布均匀的中间部分，沿轴向和周向对称地粘贴多片应变片。贴片在柱面上的展开位置及其在桥路中的连接如图2-9（d）和（e）所示。,图2-9 柱式力传感器,84,图2-9中作用力F在各应变片上产生的应变分别为 1=+t=2=3=4 5=+t=6=7=8式中，柱体材料的泊松比；t温度t所引起的附加应变；柱体在F作用下的轴向应变（=F/SE）。全桥接法的总应变0为：0=2(1+)电桥的输出电压为从而得到被测力F为,R1、R3串接，

28、R2、R4串接并置于相对臂；R5、R7串接，R6、R8串接并置于另一相对臂，以减小弯矩影响。横向贴片作温度补偿作用。,85,汽车衡称重系统,86,汽车衡示意图,87,如图2-10所示，当力F作用在弹性悬臂梁自由端时，悬臂梁产生变形，在梁的上、下表面对称位置上应变大小相等，极性相反，若分别粘贴应变片R1、R4 和R2、R3，并接成差动电桥，则电桥输出电压Uo与力F成正比。,图2-10 悬臂粱式力传感器,2.5.2 悬臂梁式力传感器,88,(1)等截面梁 1=4=x，2=3=x，则 被测力F为:,图2-11 悬臂粱式力传感器,89,(2)等强度梁,不随应变片粘贴位置变化，任何截面上的应力都相等。,

29、图2-12 悬臂粱式力传感器,90,(3)其它特殊悬臂梁力传感器,图2-13 特殊粱式力传感器（a）双孔粱；（b）单孔粱；（c）S型粱,电子称一般采用悬臂梁式力传感器。,91,各种悬臂梁,F,F,固定点,固定点,电缆,92,应变片在悬臂梁上的粘贴及变形,93,手提式数字电子称 准S型称重传感器如图2-14所示。图2-14 准S型称重传感器,94,手提数字电子称测量电路如图2-15所示（b）手提数字电子称电路图（a）小数点显示电路图2-15 手提数字电子称测量电路,95,电子秤,磅秤,超市打印秤,远距离显示,96,电子天平,电子天平的精度可达十万分之一,97,人体秤,98,电阻应变式加速度传感器

30、如图2-16所示.图2-16 应变式加速度传感器1-质量块；2-应变粱；3-硅油阻尼液；4-应变片；5-温度补偿电阻；6-绝缘套管；7-接线柱；8-电缆；9-压线板；10-壳体；11-保护块,2.5.3 电阻应变式加速度传感器,99,1结构：惯性质量块、弹性悬臂梁和电阻应变片组成，如图2-16（a）所示。2原理：加速度a质量块惯性作用力ma悬臂梁变形电阻应变片产生电阻变化R。3特性分析：数学模型：加速度传感器可等效为一质量-弹簧-阻尼二阶系统，如图2-16（b）所示 运动方程：式中，k弹性梁弹性系数；m质量块质量；x1、x2壳体和质量块的位移；x质量块与壳体间相对位移，x=x2x1 被测加速度

31、 a1=n2 x1 位移x使梁变形，粘贴在梁上的应变片电阻值变化R，电桥输出正比与R，输出电压Uo与加速度a1成正比关系。,100,2.5.4 梁式弹性元件位移传感器,西南石油大学,101,重量的自动检测-配料设备,原理：弹簧-力-位移-应变片-电阻,102,第2章 内容提要和小结,1掌握金属电阻应变片的结构、原理（电阻-应变效应，K=(R/R)/）及特性：2掌握电阻应变式传感器测量线路（直流惠斯通电桥）的结构形式（特别是差动结构）及特点，一般情况下，电桥输出电压为:,103,第3章 内容提要和小结,3.掌握电阻应变式传感器的组成、应用及其分析方法；弹性敏感元件+电阻应变片 电阻应变式传感器 弹性敏感元件的应变-应力关系：=/E；弹性敏感元件的泊松比：d/d=l/l=。4.掌握压阻效应，了解半导体应变片的结构；了解压阻传感器的应用。,