應(yīng)變式傳感器3PPT課件

1、初始時(shí)，把R1用應(yīng)變片代替，未發(fā)生應(yīng)變時(shí)，通過(guò)選擇R2，R3，R4的阻值使電橋平衡。當(dāng)應(yīng)變片發(fā)生應(yīng)變時(shí)，由于應(yīng)變片的阻值由R1變?yōu)椋≧1+R1），電橋不再平衡， 固定R3，R4的阻值，可以通過(guò)調(diào)節(jié)R2，使電橋再次達(dá)到平衡。（ R1+R1 ）R4R2R3（ R1+R1 ）R4=（R2+R2）R3 R1R4 +R1 R4=R2R3+R2R3 R1 R4=R2R32431RRRR （1）兩次平衡 （2）通過(guò)改變橋臂比，可以改變量程應(yīng)用：求出了R1，就可以求出相應(yīng)的應(yīng)變。第1頁(yè)/共33頁(yè)2）不平衡電橋的工作原理初始平衡，若應(yīng)變片電阻變化為R，其它橋臂固定不變，電橋輸出電壓Uo0，則電橋不平衡，輸出電壓

2、為341211113443211414332111111)(RRRRRRRRRRURRRRRRRURRRRRRRRUUo nnRRRRnUUo111111 初始平衡條件 ，假設(shè)n=R2/R1R4/R3，R1R4=R2R3略去分母中的微小項(xiàng)R1/R1，則有112)1 (RRnnUUo 第2頁(yè)/共33頁(yè)電橋的電壓靈敏度為：分析： 電橋電壓靈敏度正比于電橋供電電壓， 供電電壓越高， 電橋電壓靈敏度越高，但供電電壓的提高受兩方面的限制：一是應(yīng)變片的允許溫升；二是電橋電阻的溫度誤差。 所以一般供電電壓為13V。 電橋電壓靈敏度是橋臂電阻比值n的函數(shù)，恰當(dāng)?shù)剡x擇橋臂比n的值，保證電橋具有較高的電壓靈敏度。

3、 2110)1 (nnURRUSu 第3頁(yè)/共33頁(yè)分析：由 , 可求Su的最大值 可知n=1時(shí)，Su為最大值。即在供橋電壓確定后，當(dāng)R1=R2，R3=R4時(shí)，電橋電壓靈敏度最高， (一般取R1=R2=R3=R4)，此時(shí)有 44110USRRUUu ？當(dāng)U值確定后，n取何值時(shí)才能使Su最高？0nSu0)1 (142nnnSu1112114RRRRUUo 應(yīng)用：根據(jù)上式，如果已知應(yīng)變，就可以求出輸出電壓；反之依然。第4頁(yè)/共33頁(yè)1112114RRRRUUo 2.非線性誤差及其補(bǔ)償方法)1 (111110nRRnRRnUU U0與R1/R1的關(guān)系是非線性的，非線性誤差為 11111RRnRRUU

4、Uooou 112)1 (RRnnUUo 理想情況（略去分母中的R1/R1項(xiàng)）：實(shí)際情況（保留分母中的R1/R1項(xiàng)）：1104 RRUU 111111112121112RRRRRRRRu 若n=1：若n=1：若n=1：第5頁(yè)/共33頁(yè)例如：對(duì)于一般應(yīng)變片：所受應(yīng)變通常在5000以下，若取應(yīng)變片靈敏系數(shù)K=2，則R1/R1=K=0.01，計(jì)算得非線性誤差為0.5%；若K=100，=1000時(shí)，R1/R1=0.1，則得到非線性誤差為5%，故當(dāng)非線性誤差不能滿(mǎn)足測(cè)量要求時(shí)，必須予以消除。 第6頁(yè)/共33頁(yè)圖2-9 差動(dòng)電橋 R1 R1R4R3ACBEDR2 R2Uo(a)R1 R1ACBEDR2 R

5、2Uo(b)R3 R3R4 R4減小和消除非線性誤差的方法(1)差動(dòng)電橋第7頁(yè)/共33頁(yè)R4R3ACBUDUoRR 1RR 1半橋差動(dòng)：在試件上安裝兩個(gè)工作應(yīng)變片，一個(gè)受拉應(yīng)變，一個(gè)受壓應(yīng)變， 接入電橋相鄰橋臂。 該電橋輸出電壓為 433221111RRRRRRRRRUUo 若R1=R2，R1=R2，R3=R4，則得 112 RRUUo 可知：Uo 與R1/R1成線性關(guān)系，無(wú)非線性誤差，而且電橋電壓靈敏度Su=U/2，是單臂工作時(shí)的2倍。第8頁(yè)/共33頁(yè)全橋差動(dòng)：在試件上安裝四個(gè)工作應(yīng)變片，兩個(gè)受拉應(yīng)變，兩個(gè)受壓應(yīng)變， 接入橋路時(shí)，將兩個(gè)變形符號(hào)相同的應(yīng)變片接在相對(duì)臂內(nèi)，符號(hào)不同的接在相鄰臂內(nèi)

6、。 該電橋輸出電壓為 443333221111RRRRRRRRRRRRUUo 若R1=R2=R3=R4 ，R1=R2=R3=R4，則得 11RRUUo 可知：Uo 與R1/R1成線性關(guān)系，無(wú)非線性誤差，而且電橋電壓靈敏度Su=U，是單臂工作時(shí)的4倍。ACBUDUoRR RR RR RR 第9頁(yè)/共33頁(yè)（2）采用高內(nèi)阻的恒流源電橋 1. 電橋輸出電壓與電阻變化量的關(guān)系21432211)()(IIIRRIRRI解此方程組得：IRRRRRRIIRRRRRRI43212124321431輸出電壓為：IRRRRRRRRRIRIU4321324132110圖2-10 恒流源電橋R1+R3R2R4UoIa

7、bI1I21R 第10頁(yè)/共33頁(yè)若RRRRR4321當(dāng)?shù)谝粯虮垭娮枳優(yōu)?時(shí)，電橋輸出電壓為：11RR RRRIIRRRRU4114140 若忽略 ，則此時(shí)RR 0041URIU 2. 非線性誤差RRRRRRRRIRRRIUUUoooI44141114141141 恒流源與恒壓源電路相比，非線性誤差減少一倍。第11頁(yè)/共33頁(yè)2.1.4 應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用 應(yīng)變片能將應(yīng)變直接轉(zhuǎn)換成電阻的變化其他物理量（力、壓力、加速度等），需先將這些量轉(zhuǎn)換成應(yīng)變彈性元件應(yīng)變式傳感器的組成：彈性元件、應(yīng)變片、附件（補(bǔ)償元件、保護(hù)罩等）第12頁(yè)/共33頁(yè)1.應(yīng)變式力傳感器被測(cè)物理量：荷重或力主要用途：作為各種電子

8、稱(chēng)與材料試驗(yàn)機(jī)的測(cè)力元件、 發(fā)動(dòng)機(jī)的推力測(cè)試、 水壩壩體承載狀況監(jiān)測(cè)等。 力傳感器的彈性元件：柱式、筒式、環(huán)式、懸臂式等第13頁(yè)/共33頁(yè)(a)(b)(c)R1R5R2R6R3R7R4R8R1R3R5R7R6R8R2R4(d)UoU 圓柱（筒）式力傳感器（a） 柱式；（b） 筒式；（c） 圓柱面展開(kāi)圖；（d） 橋路連線圖 1）柱（筒）式力傳感器第14頁(yè)/共33頁(yè) 2）環(huán)式力傳感器圖 環(huán)式力傳感器(a) 環(huán)式傳感器結(jié)構(gòu)圖； (b) 應(yīng)力分布 (a)AR1R2Bh(b)MBAFR39.5第15頁(yè)/共33頁(yè) 對(duì)R/h5的小曲率圓環(huán)：A、B兩點(diǎn)的應(yīng)變。 EbhFREbhFRBA2291. 109. 1

9、這樣， 測(cè)出A、 B處的應(yīng)變， 即可得到載荷F。 A23( /2)2(1)F Rhbh EB23( /2) 2F Rhbh E內(nèi)貼取“一” 內(nèi)貼取“” 式中： h圓環(huán)厚度； b圓環(huán)寬度； E材料彈性模量。0()()0URRUfKf FRRRUFR 測(cè)量第16頁(yè)/共33頁(yè)主要用來(lái)測(cè)量流動(dòng)介質(zhì)的動(dòng)態(tài)或靜態(tài)壓力。應(yīng)變片壓力傳感器大多采用膜片式或筒式彈性元件。 在壓力p作用下，膜片產(chǎn)生徑向應(yīng)變r(jià)和切向應(yīng)變t，表達(dá)式分別為 EhxRpEhxRptr222222228)(1 (38)3)(1 (32. 應(yīng)變式壓力傳感器第17頁(yè)/共33頁(yè)圖 膜片式壓力傳感器（a） 應(yīng)變變化圖; （b） 應(yīng)變片粘貼 trxh

10、RpR2R1R4R3rt(a)(b)第18頁(yè)/共33頁(yè)應(yīng)變變化曲線的特點(diǎn)：當(dāng)x=0時(shí)，rmax=tmax； 當(dāng)x=R時(shí)，t=0， r=2rmax。 特點(diǎn)的應(yīng)用：一般在平膜片圓心處切向粘貼R1、R4兩個(gè)應(yīng)變片，在邊緣處沿徑向粘貼R2、R3兩個(gè)應(yīng)變片，然后接成全橋測(cè)量電路。 避開(kāi) 位置。3/Rx 0r3/Rx 第19頁(yè)/共33頁(yè) 感壓膜感受上面液體的壓力。 當(dāng)容器中溶液增多時(shí)，感壓膜感受的壓力就增大。將其上兩個(gè)傳感器Rt的電橋接成正向串接的雙電橋電路，此時(shí)輸出電壓為 Uo=U1U2=(K1K2)hg 式中, K1，K2為傳感器傳輸系數(shù)。AQgh120()KK QUA 結(jié)論：電橋輸出電壓與柱式容器內(nèi)

11、感壓膜上面溶液的重量成線性關(guān)系，因此可以測(cè)量容器內(nèi)儲(chǔ)存的溶液重量。 3. 應(yīng)變式容器內(nèi)液體重量傳感器第20頁(yè)/共33頁(yè)圖 應(yīng)變片容器內(nèi)液體重量傳感器 微 壓 傳 感 器電 阻 應(yīng) 變敏 感 元 件傳 壓 桿感 壓 膜hRLU1R2R4R0R1R3RtUoLRU22R1R4R0RtR3R第21頁(yè)/共33頁(yè)用于物體加速度的測(cè)量。 依據(jù)：a=F/m。 32141等強(qiáng)度梁；2質(zhì)量塊；3殼體；4電阻應(yīng)變敏感元體圖 電阻應(yīng)變式加速度傳感器結(jié)構(gòu)圖 4. 應(yīng)變式加速度傳感器第22頁(yè)/共33頁(yè) 測(cè)量原理：將傳感器殼體與被測(cè)對(duì)象剛性連接，當(dāng)被測(cè)物體以加速度a 運(yùn)動(dòng)時(shí)，質(zhì)量塊受到一個(gè)與加速度方向相反的慣性力作用，

12、使懸臂梁變形，該變形被粘貼在懸臂梁上的應(yīng)變片感受到并隨之產(chǎn)生應(yīng)變，從而使應(yīng)變片的電阻發(fā)生變化。 電阻的變化引起應(yīng)變片組成的橋路出現(xiàn)不平衡，從而輸出電壓， 即可得出加速度a值的大小。 適用范圍：不適用于頻率較高的振動(dòng)和沖擊場(chǎng)合， 一般適用頻率為1060 Hz范圍。 第23頁(yè)/共33頁(yè)半導(dǎo)體、單晶2.2 2.2 壓阻式傳感器 用半導(dǎo)體應(yīng)變片制作的傳感器稱(chēng)為壓阻式傳感器。 2.2.1 2.2.1 壓阻效應(yīng) 半導(dǎo)體材料在沿某一軸向受外力作用時(shí)，其電阻率發(fā)生很大變化的現(xiàn)象，稱(chēng)為半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)。2.2.2 2.2.2 工作原理 一個(gè)長(zhǎng)為 ，橫截面積為A,A,電阻率為的均勻條形半導(dǎo)體材料，其電阻值為lAl

13、R第24頁(yè)/共33頁(yè) 當(dāng)該均勻條形半導(dǎo)體材料受到一個(gè)沿長(zhǎng)度方向的縱向應(yīng)力時(shí)，它的幾何形狀和內(nèi)部結(jié)構(gòu)要發(fā)生變化，會(huì)引起電阻值的變化，通過(guò)對(duì)上式的全微分可求得它的電阻相對(duì)變化為： dRdR)21 ( )21 (RR壓阻系數(shù) : 半導(dǎo)體材料的電阻率的相對(duì)變化與應(yīng)力成正比，二者的比例系數(shù)定義為壓阻系數(shù)。即Ell 式中 為半導(dǎo)體材料的壓阻系數(shù)，它與半導(dǎo)體材料的種類(lèi)及應(yīng)力方向與晶軸方向之間的夾角有關(guān)：E為彈性模量，與晶向有關(guān)。l第25頁(yè)/共33頁(yè)實(shí)驗(yàn)表明，對(duì)半導(dǎo)體材料而言，)21 ( El所以：llERR 半導(dǎo)體材料的應(yīng)變靈敏系數(shù)為：ERRKl 第26頁(yè)/共33頁(yè)ACBEDUoTRRR TRRR TRRR

14、 TRRR 2.2.3 測(cè)量橋路及溫度補(bǔ)償恒流源供電全橋差動(dòng)電橋 假設(shè) 為溫度引起的電阻變化，則輸出電壓為：IIIADCABC21RIRRRIRRRIUUTTBD )(21)(210TR 電橋的輸出電壓與電阻的變化成正比，與恒流源的電流成正比，但與溫度無(wú)關(guān)，因此不受溫度的影響。第27頁(yè)/共33頁(yè)習(xí)題與思考題1. P19-202. 解：)(36. 01012005 . 21206 RKRKRRRU無(wú)應(yīng)變時(shí)：01667. 01202RUI有應(yīng)變時(shí)：01662. 036. 01202RRUI 3. P22-244. 直流電橋：直流電源供電的電橋，由被連接成四邊形的四個(gè)電阻，其中一個(gè)對(duì)角線上接電源，另

15、一個(gè)對(duì)角線上接電壓檢測(cè)器。第28頁(yè)/共33頁(yè)按橋臂的工作方式可分為：（1）電橋單臂變化（2）電橋相鄰兩臂同向變化（3）電橋相鄰兩臂反向變化（半差動(dòng)電橋）（4）電橋四臂差動(dòng)變化（全差動(dòng)電橋）輸出電壓：P26-285. 解：輸出電壓分別為： (1) (2) )(0099. 0412012012041202 . 11202 . 11204332110VURRRURRRRRU 0412012012042 . 11202 . 11202 . 11204332110URRRURRRRRRU (3) )(02. 0412012012042 . 11202 . 11202 . 11204332110VURRRURRRRRRU 第29頁(yè)/共33頁(yè)6. 6. 解：（1 1）電阻相對(duì)變化量為：341064. 110805. 2 KRR 電阻變化量為：)(1968. 010805. 212041 KRR （2）電橋?qū)嶋H輸出電壓為：)(001229. 0312012012031201968. 01201968. 0120433211110VURRRURRRRRU 電橋理想輸出電