傳感器原理及應(yīng)用-第3章-應(yīng)變式傳感器課件

1、電阻應(yīng)變式傳感器 第三章 應(yīng)變式傳感器 電阻元件非電量電阻變化電阻應(yīng)變式傳感器利用電阻應(yīng)變片將應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻變化的傳感器。組成在彈性元件上粘貼電阻應(yīng)變敏感元件構(gòu)成。工作過程當(dāng)被測(cè)物理量作用在彈性元件上時(shí), 彈性元件的變形引起應(yīng)變敏感元件的阻值變化, 通過轉(zhuǎn)換電路將其轉(zhuǎn)變成電量輸出, 電量變化的大小反映了被測(cè)物理量的大小。 第三章 應(yīng)變式傳感器 應(yīng)變式電阻傳感器作為測(cè)力的主要傳感器，測(cè)力范圍小到肌肉纖維，大到登月火箭，精確度可到 0.01-0.1%。有拉壓式（柱、筒、環(huán)元件）、彎曲式、剪切式。 應(yīng)變式傳感器特征： 材料類型：金屬應(yīng)變片、半導(dǎo)體應(yīng)變片 應(yīng)用范圍：應(yīng)變力、壓力、轉(zhuǎn)矩、位移、加速度主要

2、優(yōu)點(diǎn)：使用簡(jiǎn)單、精度高、范圍大、體積小電阻應(yīng)變式傳感器電阻應(yīng)變片的發(fā)展歷史 第三章 應(yīng)變式傳感器 1856年，W. Thomoson發(fā)現(xiàn)金屬絲的應(yīng)變效應(yīng)，并用惠斯通電橋精確測(cè)量電阻的變化 。1938年，E. Simmons和A. Ruge制成紙基絲繞式應(yīng)變片。1953年，P. Jackson用光刻技術(shù)制成箔式應(yīng)變片。1954年，C. Smith發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)。 1957年，W. Mason研制出半導(dǎo)體應(yīng)變片。應(yīng)變式傳感器的核心元件：電阻應(yīng)變片，試件上的應(yīng)力變化轉(zhuǎn)換成電阻變化。 應(yīng)變效應(yīng):導(dǎo)體或半導(dǎo)體在受到外界力的作用時(shí)，產(chǎn)生機(jī)械變形，機(jī)械變形導(dǎo)致其阻值變化，這種因形變而使阻值發(fā)生變化

3、的現(xiàn)象稱為應(yīng)變效應(yīng)。 應(yīng)變效應(yīng)3.1 電阻應(yīng)變片的工作原理金屬絲的應(yīng)變效應(yīng)ll+ dl2r2(r-dr)FF3.1 電阻應(yīng)變片的工作原理一、金屬的應(yīng)變效應(yīng)3.1 電阻應(yīng)變片的工作原理一、金屬的應(yīng)變效應(yīng)即金屬的電阻相對(duì)變化與應(yīng)變成正比關(guān)系。3.1 電阻應(yīng)變片的工作原理一、金屬的應(yīng)變效應(yīng)通過彈性元件，可將應(yīng)力轉(zhuǎn)換為應(yīng)變，這是應(yīng)變式傳感器測(cè)量應(yīng)力的基本原理。半導(dǎo)體應(yīng)變片又稱為壓阻式傳感器?；诎雽?dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)而制成的一種純電阻性元件。3.1 電阻應(yīng)變片的工作原理壓阻效應(yīng) 半導(dǎo)體材料的電阻率隨作用應(yīng)力的變化而發(fā)生變化的現(xiàn)象。 半導(dǎo)體材料敏感條電阻率的相對(duì)變化值與其在軸向所受的應(yīng)力之比為一常數(shù)。即二

4、、半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)當(dāng)半導(dǎo)體材料受軸向力作用時(shí)，電阻相對(duì)變化為幾何形狀壓阻效應(yīng) 第三章 應(yīng)變式傳感器 3.1 電阻應(yīng)變片的工作原理3.2 電阻應(yīng)變片的種類3.3 電阻應(yīng)變片的主要特性3.4 電阻應(yīng)變片的測(cè)量電路3.5 應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用基片覆蓋層金屬絲引線金屬絲應(yīng)變片結(jié)構(gòu)1、金屬絲式應(yīng)變片 金屬電阻絲（合金，電阻率高，直徑約0.02mm）粘貼在絕緣基片上，上面覆蓋一層薄膜，變成一個(gè)整體。 3.2 電阻應(yīng)變片的種類利用光刻、腐蝕等工藝制成一種很薄的金屬箔柵，厚度一般在0.0030.010 mm，粘貼在基片上，上面再覆蓋一層薄膜而制成。優(yōu)點(diǎn)：表面積和截面積之比大，散熱條件好，允許通過的電流較大，可制

5、成各種需要的形狀，便于批量生產(chǎn)。金屬箔式應(yīng)變片3.2 電阻應(yīng)變片的種類2、金屬箔式應(yīng)變片金屬薄膜應(yīng)變片是采用真空蒸鍍或?yàn)R射式陰極擴(kuò)散等方法，在薄的基底材料上制成一層金屬電阻材料薄膜以形成應(yīng)變片。特點(diǎn)：這種應(yīng)變片有較高的靈敏度系數(shù)，允許電流密度大，工作溫度范圍較廣。 常用金屬薄膜應(yīng)變片3.2 電阻應(yīng)變片的種類3、金屬薄膜應(yīng)變片 第三章 應(yīng)變式傳感器 3.1 電阻應(yīng)變片的工作原理3.2 電阻應(yīng)變片的種類3.3 電阻應(yīng)變片的主要特性3.4 電阻應(yīng)變片的測(cè)量電路3.5 應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用變形 物體在外力作用下而改變?cè)瓉沓叽缁蛐螤畹默F(xiàn)象。彈性變形 當(dāng)外力去掉后物體又能完全恢復(fù)其原來的尺寸和形狀。彈性元件

6、 具有彈性變形特性的物體。 3.3 電阻應(yīng)變片的主要特性一、彈性敏感元件的基本特性彈性元件在應(yīng)變片測(cè)量技術(shù)中有極其重要地位。 傳遞給粘貼在彈性元件上的應(yīng)變片力、力矩或壓力變換成相應(yīng)的應(yīng)變或位移力、力矩或壓力通過應(yīng)變片轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電阻值3.3 電阻應(yīng)變片的主要特性一、彈性敏感元件的基本特性 2、靈敏度靈敏度：?jiǎn)挝涣ψ饔孟聫椥栽a(chǎn)生變形的大小。靈敏度大，表明彈性元件軟，變形大。彈性特性曲線 與剛度相似，如果彈性特性是線性的，則靈敏度為一常數(shù)，若彈性特性是非線性的，則靈敏度為一變數(shù)，即表示此彈性元件在彈性變形范圍內(nèi)，各處由單位力產(chǎn)生的變形大小是不同的。 3.3 電阻應(yīng)變片的主要特性二、電阻應(yīng)變片的

7、靈敏系數(shù)實(shí)驗(yàn)表明，應(yīng)變片的電阻相對(duì)變化與應(yīng)變?cè)诤軐挼姆秶鷥?nèi)均為線性關(guān)系：應(yīng)變片敏感柵的兩端為半圓弧形的橫柵，測(cè)量應(yīng)變時(shí)，構(gòu)件的軸向應(yīng)變使敏感柵電阻發(fā)生變化，而其橫向應(yīng)變也使敏感柵半圓弧部分的電阻發(fā)生變化。 應(yīng)變片的這種既受軸向應(yīng)變影響，又受橫向應(yīng)變影響而引起電阻變化的現(xiàn)象稱為橫向效應(yīng)。3.3 電阻應(yīng)變片的主要特性三、電阻應(yīng)變片的橫向效應(yīng)為了減小橫向效應(yīng)產(chǎn)生的測(cè)量誤差，現(xiàn)在多采用箔式應(yīng)變片。機(jī)械滯后產(chǎn)生原因： （1）應(yīng)變片在承受機(jī)械應(yīng)變后的殘余變形，使敏感柵電阻發(fā)生少量不可逆變化； （2）在制造或粘貼應(yīng)變片時(shí)，敏感柵受到的不適當(dāng)?shù)淖冃位蛘辰Y(jié)劑固化不充分等。1、機(jī)械滯后定義：應(yīng)變片粘貼在被測(cè)試件上

8、，當(dāng)溫度恒定時(shí)，其加載特性與卸載特性不重合。3.3 電阻應(yīng)變片的主要特性四、電阻應(yīng)變片的機(jī)械滯后、零漂及蠕變應(yīng)變片的機(jī)械滯后1機(jī)械應(yīng)變R卸載加載指示應(yīng)變i還與應(yīng)變片所承受的應(yīng)變量有關(guān)，加載時(shí)的應(yīng)變愈大，卸載時(shí)的滯后也愈大。通常在實(shí)驗(yàn)之前預(yù)先加、卸載若干次，以減少因機(jī)械滯后誤差。1、電阻值 應(yīng)變片的電阻值是指應(yīng)變片沒有粘貼且未受應(yīng)變時(shí)，在室溫下測(cè)定的電阻值，即初始電阻值。 金屬電阻應(yīng)變片的電阻值已標(biāo)準(zhǔn)化，有一定的系列，如60、120、250、350和1000，其中以120最為常用。 3.3 電阻應(yīng)變片的主要特性六、電阻應(yīng)變片的電阻值、絕緣電阻和最大工作電流3.3 電阻應(yīng)變片的主要特性六、電阻應(yīng)變

9、片的電阻值、絕緣電阻和最大工作電流 第三章 應(yīng)變式傳感器 3.1 電阻應(yīng)變片的工作原理3.2 電阻應(yīng)變片的種類3.3 電阻應(yīng)變片的主要特性3.4 電阻應(yīng)變片的測(cè)量電路3.5 應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用直流電橋U0ERLR2R4R1R3直流測(cè)量電橋3.4 電阻應(yīng)變片的測(cè)量電路 1、平衡條件 2、電壓靈敏度3.4 電阻應(yīng)變片的測(cè)量電路 直流電橋 電壓靈敏度是橋臂比的函數(shù)，恰當(dāng)?shù)剡x擇橋臂比的值，保證有高的電壓靈敏度。 2、電壓靈敏度3.4 電阻應(yīng)變片的測(cè)量電路 直流電橋當(dāng)供橋電壓和電阻相對(duì)變化一定時(shí)，電橋的輸出電壓及其靈敏度也是定值，且與各橋臂阻值大小無關(guān)。 （1）非線性誤差3、非線性誤差及補(bǔ)償方法3.4

10、電阻應(yīng)變片的測(cè)量電路 直流電橋（2）減小或消除非線性誤差的方法3.4 電阻應(yīng)變片的測(cè)量電路 3、非線性誤差及補(bǔ)償方法直流電橋3.4 電阻應(yīng)變片的測(cè)量電路 當(dāng)電橋開路時(shí)，不平衡電橋輸出的電壓為ERLR2-R2R4R1+R1R3U0半橋差動(dòng)電路（2）減小或消除非線性誤差的方法采用差動(dòng)電橋半橋 3、非線性誤差及補(bǔ)償方法直流電橋結(jié)論 全橋差動(dòng)電橋也無非線性誤差；電壓靈敏度是使用單只應(yīng)變片的4倍，比半橋差動(dòng)提高了一倍。ERLR2-R2R4+R4R1+R1U0全橋差動(dòng)電路R3 -R33.4 電阻應(yīng)變片的測(cè)量電路 （2）減小或消除非線性誤差的方法3、非線性誤差及補(bǔ)償方法直流電橋 第三章 應(yīng)變式傳感器 3.1

11、 電阻應(yīng)變片的工作原理3.2 電阻應(yīng)變片的種類3.3 電阻應(yīng)變片的主要特性3.4 電阻應(yīng)變片的測(cè)量電路3.5 應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用應(yīng)變式傳感器的特點(diǎn)1、應(yīng)變式傳感器的優(yōu)點(diǎn)3.5 應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用 應(yīng)用和測(cè)量范圍廣精度和靈敏度高對(duì)復(fù)雜環(huán)境的適應(yīng)性強(qiáng)商品化2、應(yīng)變式傳感器的缺點(diǎn)大應(yīng)變下的非線性輸出信號(hào)弱抗干擾能力差概念：被測(cè)物理量為荷重或力的應(yīng)變式傳感器時(shí)，統(tǒng)稱為應(yīng)變式力傳感器。用途：各種電子稱與材料試驗(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。 特點(diǎn)：有較高的靈敏度和穩(wěn)定性，在受到側(cè)向作用力或力的作用點(diǎn)少量變化時(shí)，對(duì)輸出沒有明顯的影響。一、應(yīng)變式力（荷重）傳感器3.5 應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用 常見種類：1、柱（筒）式力傳感器 2、環(huán)式力傳感器3、懸臂梁式力傳感器F柱筒式力傳感器，應(yīng)變片粘貼在彈性體外壁應(yīng)力分布均勻的中間部分。應(yīng)變片對(duì)稱地粘貼多片，電橋接線時(shí)考慮盡量減小載荷偏心和彎矩影響。橫向貼片可提高靈敏度。 1、柱（筒）式力傳感器 3.5 應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用 F-2+1面積SF實(shí)心圓柱F面積S-1+2空心圓柱FR6R7R8R2R3R4R5R1圓柱面展開圖u0U0R1R3R5R7R6R8R2R4橋路連接一、應(yīng)變式力（荷重）傳感器2、環(huán)式力傳感器3.5 應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用 環(huán)式結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布一、應(yīng)變式力