33-應(yīng)變式傳感器

1、13.2 電阻式傳感器電阻式傳感器 電阻式傳感器電阻式傳感器是把被測(cè)量轉(zhuǎn)換為電阻變化的一種傳感器是把被測(cè)量轉(zhuǎn)換為電阻變化的一種傳感器, 按工作的原理可分為按工作的原理可分為:變阻器式變阻器式、電阻應(yīng)變式電阻應(yīng)變式1 變阻器式傳感器變阻器式傳感器:分辨力不高，有噪聲。用于線、角位移測(cè)量分辨力不高，有噪聲。用于線、角位移測(cè)量 (1) 原理原理1 2 3 132直線型直線型旋轉(zhuǎn)型旋轉(zhuǎn)型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，分辨力不高；用于伺服記錄儀或電子電位結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，分辨力不高；用于伺服記錄儀或電子電位差計(jì)等差計(jì)等2 等效電路分析等效電路分析: Rp-總電阻;xp-變阻總長(zhǎng);RL負(fù)載電阻;x-電刷移動(dòng)量.1

2、32xxpEinEoutRxRLRp-Rx)1)(1pxxLRpRxpxinLRxRxRpRLRpRinLRxRLRxRxRpRinEEEoutE0 x 100%100%Output 0負(fù)載效應(yīng)負(fù)載效應(yīng)3電阻應(yīng)變式傳感器電阻應(yīng)變式傳感器 電阻應(yīng)變式傳感器是利用電阻應(yīng)變片將電阻應(yīng)變式傳感器是利用電阻應(yīng)變片將應(yīng)變應(yīng)變轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換為為電阻變化電阻變化的傳感器的傳感器, , 傳感器由在彈性元件上粘貼傳感器由在彈性元件上粘貼電阻應(yīng)變敏感元件電阻應(yīng)變敏感元件構(gòu)成。構(gòu)成。 當(dāng)被測(cè)物理量作用在彈性當(dāng)被測(cè)物理量作用在彈性元件上時(shí)元件上時(shí), , 彈性元件的變形引起應(yīng)變敏感元件的阻彈性元件的變形引起應(yīng)變敏感元件的阻值變

3、化值變化, , 通過(guò)轉(zhuǎn)換電路將其轉(zhuǎn)變成通過(guò)轉(zhuǎn)換電路將其轉(zhuǎn)變成電量輸出電量輸出, , 電量電量變化的大小反映了被測(cè)物理量的大小。變化的大小反映了被測(cè)物理量的大小。 應(yīng)變式電阻傳感器是目前測(cè)量力、力矩、應(yīng)變式電阻傳感器是目前測(cè)量力、力矩、 壓力、壓力、加速度、重量等參數(shù)應(yīng)用最廣泛的傳感器。加速度、重量等參數(shù)應(yīng)用最廣泛的傳感器。 4金屬電阻應(yīng)變片的工作原理金屬電阻應(yīng)變片的工作原理金屬電阻應(yīng)變片的工作原理是基于金屬導(dǎo)體的金屬電阻應(yīng)變片的工作原理是基于金屬導(dǎo)體的應(yīng)變效應(yīng)應(yīng)變效應(yīng)，即，即金屬導(dǎo)體在外力作用下發(fā)生機(jī)械變形時(shí)，其電阻值隨著它所受金屬導(dǎo)體在外力作用下發(fā)生機(jī)械變形時(shí)，其電阻值隨著它所受機(jī)械變形機(jī)械

4、變形(伸長(zhǎng)或縮短伸長(zhǎng)或縮短)的變化而發(fā)生變化的現(xiàn)象。的變化而發(fā)生變化的現(xiàn)象。 如圖 所示, 一根金屬電阻絲, 在其未受力時(shí), 原始電阻值為式中: 電阻絲的電阻率; L電阻絲的長(zhǎng)度; S電阻絲的截面積。 SLR.5應(yīng)變片的電阻應(yīng)變片的電阻R為為2rlR)(2drdrldlRrRlRRddrdldRdL/L是長(zhǎng)度相對(duì)變化量, 用應(yīng)變表示 LdL在彈性范圍內(nèi), 金屬絲受拉力時(shí), 沿軸向伸長(zhǎng), 沿徑向縮短, 那么軸向應(yīng)變和徑向應(yīng)變的關(guān)系可表示為L(zhǎng)dLrdrdRdR)21 ()21 (/RdRk6 金屬應(yīng)變片由敏感柵、 基片、 覆蓋層和引線等部分組成。敏感柵是應(yīng)變片的核心部分, 它粘貼在絕緣的基片上,

5、其上再粘貼起保護(hù)作用的覆蓋層, 兩端焊接引出導(dǎo)線。7 金屬應(yīng)變片的橫向效應(yīng)金屬應(yīng)變片的橫向效應(yīng) 將應(yīng)變片粘貼在被測(cè)試件上時(shí), 其敏感柵由直線段和半圓弧段組成, 圓弧段電阻的變化小于同樣長(zhǎng)度直線段電阻絲電阻的變化。將直的電阻絲繞成敏感柵后, 敏感柵的電阻變化較小, 因而其靈敏系數(shù)較電阻絲的靈敏系數(shù)小，這種現(xiàn)象稱(chēng)為應(yīng)變片的橫向效應(yīng)。 敏感柵愈窄敏感柵愈窄, 基長(zhǎng)愈長(zhǎng)的應(yīng)變計(jì)基長(zhǎng)愈長(zhǎng)的應(yīng)變計(jì), 其橫向效應(yīng)引起的誤差越小。其橫向效應(yīng)引起的誤差越小。 8溫度誤差溫度誤差溫度誤差產(chǎn)生的原因 由于環(huán)境溫度改變而帶來(lái)的誤差, 稱(chēng)為應(yīng)變計(jì)的溫度誤差, 又稱(chēng)熱輸出。 產(chǎn)生溫度誤差的原因有二: (1) 敏感柵金屬絲

6、電阻本身隨溫度發(fā)生變化。 (2) 試件材料與應(yīng)變絲材料的線膨脹系數(shù)不一, 使應(yīng)變絲產(chǎn)生附加變形而造成的電阻變化。9對(duì)半導(dǎo)體應(yīng)變片對(duì)半導(dǎo)體應(yīng)變片半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)EdERdRSg/ 工作原理：工作原理：基于半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)基于半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng).壓阻效應(yīng)指單晶半導(dǎo)體材壓阻效應(yīng)指單晶半導(dǎo)體材料在沿軸向受外力作用時(shí)，其電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象。料在沿軸向受外力作用時(shí)，其電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象。 單晶半導(dǎo)體在受外力作用時(shí)，原子點(diǎn)陣排列規(guī)律發(fā)生變化，單晶半導(dǎo)體在受外力作用時(shí)，原子點(diǎn)陣排列規(guī)律發(fā)生變化，導(dǎo)致導(dǎo)致載流子遷移率及載流子濃度載流子遷移率及載流子濃度變化，從而引起電阻率變化變化，從而引起電阻率變化。

7、 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：應(yīng)變靈敏度高、機(jī)械滯后小、應(yīng)變靈敏度高、機(jī)械滯后小、橫向效應(yīng)小、體積小橫向效應(yīng)小、體積小;能制成具有一定能制成具有一定應(yīng)變電阻的元件應(yīng)變電阻的元件.缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：溫度穩(wěn)定性差、靈敏度分散度溫度穩(wěn)定性差、靈敏度分散度大，在較大應(yīng)變作用下，非線性誤差大大，在較大應(yīng)變作用下，非線性誤差大。 dRdR)21 (10電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用：測(cè)力電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用：測(cè)力11案例：案例：電子稱(chēng)電子稱(chēng)原理將物品重量通過(guò)懸臂梁轉(zhuǎn)化結(jié)構(gòu)變形再通過(guò)應(yīng)變片轉(zhuǎn)化為電量輸出。12案例：沖床生產(chǎn)記數(shù)案例：沖床生產(chǎn)記數(shù) 和生產(chǎn)過(guò)程監(jiān)測(cè)和生產(chǎn)過(guò)程監(jiān)測(cè)13案例：機(jī)器人握力測(cè)量案例：機(jī)器人握力測(cè)量14案例：案例：振

8、動(dòng)式地音入侵探測(cè)器振動(dòng)式地音入侵探測(cè)器 適合于金庫(kù)、倉(cāng)庫(kù)、古建筑的防范，挖墻、打適合于金庫(kù)、倉(cāng)庫(kù)、古建筑的防范，挖墻、打洞、爆破等破壞行為均可及時(shí)發(fā)現(xiàn)。洞、爆破等破壞行為均可及時(shí)發(fā)現(xiàn)。1516案例：案例：煤氣包儲(chǔ)量檢測(cè)煤氣包儲(chǔ)量檢測(cè)原理直接將代表煤氣包儲(chǔ)量的高度變化轉(zhuǎn)換為鋼絲的電阻變化煤氣包鋼絲特點(diǎn)：特點(diǎn)：（1）測(cè)量量程大；）測(cè)量量程大；（2）防爆；）防爆；（3）可靠；）可靠；（4）成本低。）成本低。17案例：案例：橋梁固有頻率測(cè)量橋梁固有頻率測(cè)量原理在橋中設(shè)置一三角形障礙物，利用汽車(chē)沖擊障礙物對(duì)橋梁進(jìn)行激勵(lì)，再通過(guò)應(yīng)變片測(cè)量橋梁動(dòng)態(tài)變形，得到橋梁固有頻率。4) 應(yīng)用應(yīng)用應(yīng)變片上限測(cè)量頻率的限制因素：電橋激勵(lì)電源的頻率和應(yīng)變片上限測(cè)量頻率的限制因素：電橋激勵(lì)電源的頻率和應(yīng)變片的基長(zhǎng)。一般上限測(cè)量頻率應(yīng)在電橋激勵(lì)電源頻率應(yīng)變片的基長(zhǎng)。一般上限測(cè)量頻率應(yīng)在電橋激勵(lì)電源頻率的的1/5-1/10;1/5-1/10;基長(zhǎng)愈短，上限測(cè)量頻率可以愈高基長(zhǎng)愈短，上限測(cè)量頻率可以愈高18(5) 應(yīng)用應(yīng)用案例：案例：