應變式傳感器課件

1、各種電子各種電子秤秤廣泛應用于廣泛應用于高高精精度度電電子子汽汽車車衡衡 動態(tài)電子秤動態(tài)電子秤電子天平電子天平機械秤包裝機機械秤包裝機吊秤吊秤應變式傳感器5斜拉橋上的斜拉繩應變測試斜拉橋上的斜拉繩應變測試 結構受力和變形測量結構受力和變形測量可制成多種用途的傳感器，應用領域非常廣泛?？芍瞥啥喾N用途的傳感器，應用領域非常廣泛。 LRS2rL2r2r LRSRLSRLSLL應變應變：)21 ( cvdvcdRLSRLSrrdrsds22r(12 )(12 )RCRRLSRLSRRCLL(12 )(12 )SKCSRKRSK0 . 213 . 0sKcKs約在1.83.6之間RRCSKSRKR應變式

2、傳感器應變式傳感器典型的電阻應變片結構示意圖典型的電阻應變片結構示意圖 2341bl柵長柵長柵寬柵寬應變式傳感器 2341應變式傳感器 2341應變式傳感器 2341應變式傳感器 2341應變式傳感器 2341鹽等。鹽等。應變式傳感器應變式傳感器應變式傳感器應變式傳感器應變式傳感器金屬應變計金屬應變計應變式傳感器應變式傳感器KRR應變式傳感器bl應變式傳感器rrnrnnlLLL2121221rSSSKLrnKLrnnlLLKRR2) 1(2) 1(2 xyrRKKRSxKLrnnlK2) 1(2SyKLrnK2) 1(應變式傳感器rnnlrnKKHxy121應變式傳感器應變式傳感器應變式傳感器

3、應變式傳感器應變式傳感器lim真實應變z指示應變i10%1|100%ziz應變式傳感器0llxtx應變式傳感器0llxtx 002sinsin 212xtx（）ttx2sin0vf應變式傳感器0llxtxllxxdxltxxmltltsin2sin2sin10022平均應變m與中點應變t相對誤差為：si 2n1311 tmmttll（）應變式傳感器0llxtx平均應變m與中點應變t相對誤差為：sin1tmtll下表給出了下表給出了l/為為1/101/10和和1/201/20時時 的數值：的數值：誤差誤差的計算結果的計算結果 l / 應變式傳感器SRKRSRR K應變式傳感器 R2R4R1R3E

4、電橋線路原理圖RgACDIgB2143432143213241RRRRRRRRRRRRRRRRREIgg14231234123434121ggggE R RR RUI RRRRRR RRRR RRRR+-應變式傳感器14231234123434121ggggE R RR RUI RRRRRR RRRR RRRR14231234gR RR RUERRRR應變式傳感器應變式傳感器1 1、等臂電橋、等臂電橋當R1=R2=R3=R4=R時，稱為等臂電橋。此時電橋輸出可寫為 43213241432122RRRRRRRRRRRRRRREUg3124123444gRRRREEKURRRRRKR一般情況下，一

5、般情況下，Ri（i=1，2，3，4）很小，即）很小，即RRi，略去上式中的高階微量，并利用略去上式中的高階微量，并利用 式得到式得到: 應變式傳感器 與 與3124123444gRRRREEKURRRR應變式傳感器KERREUg443124123444gRRRREEKURRRR應變式傳感器112114211424KKERRRRERRREUg3281412114KKKKEUg32328141214814121144KKKKEKKKKEKE1/2K14231234gR RR RUERRRR應變式傳感器例：例：設設K=2，要求非線性誤差，要求非線性誤差1%，試求允許測量的，試求允許測量的最大應變值最

6、大應變值max。01.021maxK1000001. 0201. 0201. 02maxK結論：如果被測應變大于結論：如果被測應變大于10000，采用等臂電橋時，采用等臂電橋時的非線性誤差大于的非線性誤差大于1%。應變式傳感器2）雙臂差動工作時 為線性關系！ 靈敏度是單臂時2倍。 3）四臂差動的工作 Ug為線性關系（開路時） 靈敏度為單臂時的4倍.kERRERRRRRRREUg224)2)(2()(2112RRRRRRRRR4321RRRRRRRRRRRR3421EkRREUg4414231234gR RR RUERRRR應變式傳感器2 2、第一對稱電橋、第一對稱電橋若R1=R2=R，R3=R

7、4=R，則稱它為第一對稱電橋。設R1有一增量R，電橋的輸出電壓為:RRRERRRRRRRREUg2422RRRRE21114UgEBACD4EUgK應變式傳感器RRRRRRRRRREUgRRkkkkRREUg111121RRkUgR2=RR4=RR1=RR3=RE第二對稱電橋BACD應變式傳感器應變式傳感器應變式傳感器1 tRtRK K應變片靈敏系數應變片靈敏系數; ; e e試件試件材料線膨脹系數；材料線膨脹系數；g g敏感柵敏感柵材料線膨脹系數材料線膨脹系數。2 egRKtR應變式傳感器12 218tegtRRRtKtRRR （）ttegtRKttRK 應變式傳感器ttegttK 應變式傳

8、感器ttegttK 0getK tgeK應變式傳感器由兩種不同電阻溫度系數（一種為由兩種不同電阻溫度系數（一種為正值正值，一種為，一種為負值負值）的材料）的材料串聯(lián)串聯(lián)組成敏感組成敏感柵，以達到一定溫度范圍內在一定材料的試件上實現溫度補償柵，以達到一定溫度范圍內在一定材料的試件上實現溫度補償. .(Ra) t = (Rb) t焊點焊點RaRb應變式傳感器應變式傳感器把把R R1 1與與R R2 2接入電橋相鄰臂上，接入電橋相鄰臂上，當被測試件不承受應變時，當被測試件不承受應變時，R R1 1和和R R2 2處于同一溫度處于同一溫度場，調整電橋參數，可使電橋輸出電壓為零，即：場，調整電橋參數，可

9、使電橋輸出電壓為零，即：032410RRRRAU 選擇選擇R R1 1= =R R2 2= =R R及及R R3 3= =R R4 4= =r r。 當溫度升高或降低當溫度升高或降低 t t 時，若時，若 R R1t1t=R R2t2t，即兩個應，即兩個應變片的熱輸出相等，則電橋的輸出電壓為：變片的熱輸出相等，則電橋的輸出電壓為：01142231212120ttttttttUARRRRRRARRrRRrA RrrRRrrRArRR 應變式傳感器ArRKRAr RRRRRRRAUtt132241110應變式傳感器應變式傳感器構件受彎構件受彎曲應力曲應力構件受單向應力構件受單向應力應變式傳感器構件

10、受彎曲應力梁受彎曲應變時，應變片梁受彎曲應變時，應變片R R1 1和和R R2 2的變形方向相反，的變形方向相反，上面受拉，下面受壓，應變絕對值相等，符號相上面受拉，下面受壓，應變絕對值相等，符號相反，將它們接入電橋的相鄰臂后，可使輸出電壓反，將它們接入電橋的相鄰臂后，可使輸出電壓增加一倍。當溫度變化時，應變片增加一倍。當溫度變化時，應變片R R1 1和和R R2 2阻值變阻值變化的符號相同，大小相等，電橋不產生輸出，達化的符號相同，大小相等，電橋不產生輸出，達到了補償的目的。到了補償的目的。應變式傳感器構件受單向應力0121UAR R K 應變式傳感器 圖圖2-14 2-14 柱式力傳感器柱

11、式力傳感器FF面積面積S-1+2-2+1截面積截面積SF(a)(a)實心圓柱實心圓柱(b)(b)空心圓柱空心圓柱F應變式傳感器F F- -2 2+ +1 1截面積截面積S SF F(a)(a)實心圓柱實心圓柱1lFlESE21FSE應變式傳感器F-2+1截面積截面積SFU0R1R3R5R7R6R8R2R4R6R7R8R2R3R4R5R1應變式傳感器應變式傳感器一端固定，一端自由，厚度為一端固定，一端自由，厚度為h h, ,長度長度l l，固定端寬度，固定端寬度為為b b0 0, ,力力F F 作用在三角形頂點。其表面作用在三角形頂點。其表面應變?yōu)閼優(yōu)?：206 FlEb h E4 4只應變片

12、只應變片0b應變式傳感器206 FlEb h E4 4只應變片只應變片0b Ug12344gUKU1423206 gFlUUKUKbh E應變式傳感器4 4只應變片只應變片224 Flbh E應變式傳感器4 4只應變片只應變片23 Flbh E應變式傳感器懸臂梁是一端固定、一端自由的彈性敏感元件。它的特點是靈敏度比較高。懸臂梁是一端固定、一端自由的彈性敏感元件。它的特點是靈敏度比較高。所以多用于較小力的測量。例如，民用電子稱中就多采用懸臂梁。當力所以多用于較小力的測量。例如，民用電子稱中就多采用懸臂梁。當力F F（例如蘋果的重力）以垂直方向作用于電子秤中的鋁質懸臂梁的末端時，梁（例如蘋果的重力

13、）以垂直方向作用于電子秤中的鋁質懸臂梁的末端時，梁的上表面產生拉應變，下表面產生壓應變，上下表面的應變大小相等符號相的上表面產生拉應變，下表面產生壓應變，上下表面的應變大小相等符號相反。粘貼在上下表面的應變片也隨之拉伸和縮短。得到正負相間的電阻值的反。粘貼在上下表面的應變片也隨之拉伸和縮短。得到正負相間的電阻值的變化，接入橋路后，就能產生輸出電壓。變化，接入橋路后，就能產生輸出電壓。應變式傳感器應變式傳感器應變式傳感器應變式傳感器P圓形金屬膜片圓形金屬膜片P（b） （a）應變片應變式傳感器金屬元件的膜片周邊被固定，當金屬元件的膜片周邊被固定，當膜片一面受壓力膜片一面受壓力P P作用時，膜片作用

14、時，膜片的另一面有的另一面有徑向應變徑向應變r r和和切向應切向應變變t t 。應變值分別為：。應變值分別為：22223138rPrxhE 2222318tPrxhE應變式傳感器22223138rPrxhE 2222318tPrxhE222310;4trPrhE 222318rtPrhE0r/30.58xrr應變式傳感器R1 R20.58rR3 R4應變式傳感器應變片應變式傳感器適合于金庫、倉庫、古建筑的防范，挖墻、打洞、爆破等破壞行為均可及時發(fā)現。應變式傳感器 應變式傳感器21dRdR12dRR dE 1212dRER 電阻相對變化量：電阻相對變化量：壓阻系數；壓阻系數；E彈性模量；彈性模量

15、； 應力；應力； 應變。應變。d較小應變式傳感器1212dRER 壓阻系數；壓阻系數；E彈性模量；彈性模量； 應力；應力； 應變。應變。dRER 應變式傳感器應變式傳感器應變式傳感器所以各方向上的壓阻效應大小不一樣。所以各方向上的壓阻效應大小不一樣。Edd壓阻系數的定義壓阻系數的定義 應變式傳感器llttssdRR C ZOBAXY11晶體晶面的截距表示llttdRR 應變式傳感器1 N-Si膜片膜片 2 P-Si導電層導電層 粘貼劑粘貼劑 硅底座硅底座 引壓管引壓管 Si 保護膜保護膜 7 引線引線 應變式傳感器 llttRR （b）trlrttltRrRtlrttrRR lttrtRR 應

16、變式傳感器trlrttltRrRt2223138rPrxh222311 38tPrxh應變式傳感器根據應力分布圖，當根據應力分布圖，當x=0.635r時，時，r=0；x0，即為拉應力；，即為拉應力；x0.635r時，時，r0，即為壓應力。，即為壓應力。當當x=0.812r時，時，t=0，僅有，僅有r存在，且存在，且r0，即為壓應，即為壓應力。力。trrttr3P4rh23P4rh23P(1+)8rh2平膜片的應力分布圖00.51trlrttltRrRt應變式傳感器USCRR+RTACDBRR+RTR+R+RTR+R+RT恒恒流流源源I12ABCADCIIITTBDSCRRRIRRRIUU212

17、1SCUIR應變式傳感器 R2R4R1R3USC溫度漂移的補償RpBCDARSEDi應變式傳感器 R2R4R1R3USC溫度漂移的補償RpBCDARSEDi補償電阻補償電阻RS、RP的計算：的計算：設設R1、R2、R3、R4與與R1、R2、R3、R4為四個橋臂為四個橋臂電阻在低溫和高溫下的實測電阻在低溫和高溫下的實測數據，數據，RS、RP與與RS、RS分分別為別為RS、RP在低溫與高溫下在低溫與高溫下的欲求數值。的欲求數值。應變式傳感器21234PSPR RRRRRRR 21234PSPR RRRRRRR 1SSRRT 1PPRRT應變式傳感器 R2R4R1R3USC溫度漂移的補償RpBCDA

18、RSEDi說明傳感器的壓阻系數的溫度系說明傳感器的壓阻系數的溫度系數為數為。補償靈敏度溫漂可以采用在補償靈敏度溫漂可以采用在電源回路中電源回路中串聯(lián)二級管串聯(lián)二級管的方的方法。法。二極管二極管PN結的溫度特性為結的溫度特性為負值負值，溫，溫度每升高度每升高1時，正向壓降約減小時，正向壓降約減小(1.92.5)mV。溫度溫度壓阻系數壓阻系數輸出輸出二極管壓降二極管壓降輸出輸出應變式傳感器 R2R4R1R3USC溫度漂移的補償溫度漂移的補償RpBCDARSEDi設溫度變化引起滿量程輸出為：設溫度變化引起滿量程輸出為： USC= USCUSC電橋的滿量程補償輸出：電橋的滿量程補償輸出：R/R：滿量程

19、電阻相對變化量，滿量程電阻相對變化量，上式計算出為補償靈敏度隨溫度下降，上式計算出為補償靈敏度隨溫度下降，橋壓需要提高的數值橋壓需要提高的數值E。用串聯(lián)二極管補償用串聯(lián)二極管補償當當n只二極管串聯(lián)時，可得：只二極管串聯(lián)時，可得： nT=E式中式中二極管二極管PN結正向壓降的溫度結正向壓降的溫度系數，一般為系數，一般為-2mV/；n串聯(lián)二極管的個數；串聯(lián)二極管的個數；T溫度的變化范圍。溫度的變化范圍。RREUSCRREUUSCSC 應變式傳感器 R2R4R1R3USC溫度漂移的補償RpBCDARSEDiEnT 應變式傳感器穩(wěn)壓源+R1R2R3R4ACBDRFrA1A2IoI1I21mA輸出放大及

20、轉換應變電橋（319）mARr（420）mA恒流源應變式傳感器應變式傳感器123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:13-Mar-2009Sheet of File:G:電路設計bkyali.ddbDrawn By:SUB6IR11VIN-2RG3RG4NC5IRET6IO7E8B9V+10VREG11VLIN12VIN+13IR214IC11234YJ1234PJbg1c1r1IR11VIN-2RG3RG4NC5IRET6IO7E8B9V+10VREG11VLIN12VIN+13IR214IC212WJr2r3r4r5c3bg2c2r6

21、xrt105xtr105r10r11應變式傳感器應變式傳感器應變式傳感器107低壓進氣口低壓進氣口絕對壓力傳感器絕對壓力傳感器高壓進氣口高壓進氣口應變式傳感器小型壓阻式固態(tài)壓力傳感器小型壓阻式固態(tài)壓力傳感器呼吸、透析和注射泵設備中用的壓力傳感器呼吸、透析和注射泵設備中用的壓力傳感器p1進氣管進氣管p2進氣管進氣管固態(tài)壓力固態(tài)壓力傳感器傳感器應變式傳感器 比較重量設定原材料應變式傳感器煤氣包儲量檢測煤氣包儲量檢測煤氣包煤氣包鋼絲鋼絲應變式傳感器電阻應變式傳感器的應用：測力應變式傳感器應變式傳感器應變式傳感器應變式傳感器應變式傳感器汽車衡汽車衡稱重系統(tǒng)稱重系統(tǒng)應變式傳感器應變式數顯扭矩扳手應變式數

22、顯扭矩扳手 可用于汽車、摩托車、飛機、內燃機、機械可用于汽車、摩托車、飛機、內燃機、機械制造和家用電器等領域，準確控制緊固螺紋的制造和家用電器等領域，準確控制緊固螺紋的裝配扭矩。量程裝配扭矩。量程2500N.m，耗電量耗電量10mA，有公制有公制/英制單位轉換、峰值保持、自動斷電英制單位轉換、峰值保持、自動斷電等功能。等功能。應變式傳感器 壓阻式固態(tài)壓力傳感器用于投入式液位計：壓阻式固態(tài)壓力傳感器用于投入式液位計：p1的進氣孔用柔性不銹鋼隔離膜片隔離，并用的進氣孔用柔性不銹鋼隔離膜片隔離，并用硅油傳導壓力而與液體相通。硅油傳導壓力而與液體相通。 應變式傳感器投入式液位計外形（續(xù)）投入式液位計外

23、形（續(xù)） 壓阻式固壓阻式固態(tài)壓力傳態(tài)壓力傳感器感器 光柱光柱 顯示器顯示器 橡膠橡膠 背壓管背壓管 應變式傳感器投入式液位傳感器投入式液位傳感器安裝方便，適應于安裝方便，適應于深度為深度為 幾米幾米 至至 幾十幾十米，且混有米，且混有 大大 量量 污污物、雜質的水或其物、雜質的水或其他液體的液位測量。他液體的液位測量。 應變式傳感器例題例題:L=100mm l=80mm h=20mm,b=10mm E=2*104 N/mm2 =2000/2, u=4v, k=2 求求 : Fmax,vo解解:1. 2.)(13331*2*2000010*61622maxNbhLF)(10*6410*20*10

24、*280*6*1333884*244)(4)(4324432144332211VEKURRRRRRRRUVOMAX62bhFL應變式傳感器應變式傳感器應變式傳感器應變式傳感器樣。而取向是用晶向表示的，所謂樣。而取向是用晶向表示的，所謂晶向晶向就是晶就是晶面的法線方向。面的法線方向。應變式傳感器晶向、晶面的表示方法晶向、晶面的表示方法 結晶體是具有多面體形態(tài)的固體，由分子、原子或離子有結晶體是具有多面體形態(tài)的固體，由分子、原子或離子有規(guī)則排列而成。這種多面體的表面由稱為規(guī)則排列而成。這種多面體的表面由稱為晶面晶面的許多平面圍合的許多平面圍合而成。晶面與晶面相交的直線稱為而成。晶面與晶面相交的直線

25、稱為晶棱晶棱，晶棱的交點稱為，晶棱的交點稱為晶體晶體的頂點的頂點。為了說明晶格點陣的配置和確定晶面的位置，通常引。為了說明晶格點陣的配置和確定晶面的位置，通常引進一組對稱軸線，稱為進一組對稱軸線，稱為晶軸晶軸，用，用X X、Y Y、Z Z表示。表示。 C ZOBAXY11晶體晶面的截距表示 硅為立方晶體結構，就取硅為立方晶體結構，就取立方晶體的三個相鄰邊為立方晶體的三個相鄰邊為X、Y、Z。在晶軸。在晶軸X、Y、Z上取與所上取與所有晶軸相交的某晶面為單位晶有晶軸相交的某晶面為單位晶面，如圖所示。面，如圖所示。 應變式傳感器rqpOCOCOBOBOAOAzyx:lkhpppOCOCOBOBOAOA

26、zyx:1:1:1: C ZOBAXY11晶體晶面的截距表示晶體晶面的截距表示應變式傳感器 C ZOBAXY11晶體晶面的截距表示晶體晶面的截距表示 而晶向是晶面的法線方向，根據有關的規(guī)定，晶面晶面符號為(hkl)，晶面全集晶面全集符號為hkl，晶向符號為 hkl，晶向晶向全集全集符號為hkl。晶面所截的線段對于X軸，O點之前為正，O點之后為負；對于Y軸，O點右邊為正，O點左邊為負；對于Z軸，在O點之上為正，O點之下為負。 依據上述規(guī)定的晶體符號的表示方法，可用來分析立方晶體中的晶面、晶向。在立方晶體中，所有的原子可看成是分布在與上下晶面相平行的一簇晶面上，也可看作是分布在與兩側晶面相平行的一簇晶面上，要區(qū)分這不同的晶面，需采用密勒指數來對晶面進行標記。晶面若在X、Y、Z軸上截取單位截距時，密勒指數就是1、1、1。故晶面、晶向、晶面全集及晶體