应变式传感器ppt课件

《应变式传感器ppt课件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《应变式传感器ppt课件（57页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、第第3 3章章 应变式传感器应变式传感器 3.1 义务原理义务原理 3.2 电阻应变片的温度误差及补偿电阻应变片的温度误差及补偿 3.3 电阻应变片的丈量电路电阻应变片的丈量电路3.4 应变式传感器的运用应变式传感器的运用 3.1义务原理 应变 物体在外部压力或拉力作用下发生形变的景象 弹性应变 当外力去除后，物体可以完全恢复其尺寸和外形的应变 弹性元件 具有弹性应变特性的物体应变式传感器概述 是利用电阻应变片将应变转换为电阻值变化的传感器 义务原理：当被测物理量作用于弹性元件上，弹性元件在力、力矩或压力等的作用下发生变形，产生相应的应变或位移，然后传送给与之相连的应变片，引起应变片的电阻值变

2、化，经过丈量电路变成电量输出。输出的电量大小反映被丈量的大小。构造：应变式传感器由弹性元件上粘贴电阻应变片构成 运用：广泛用于力、力矩、压力、加速度、分量等参数的丈量应变效应分析应变效应分析 电阻应变片的义务原理是基于应变效应即导体或半导体资料在外界力的作用下产活力械变形时，其电阻值相应发生变化，这种景象称为“应变效应。一根金属电阻丝，在其未受力时，原始电阻值为：图3-1 金属电阻丝应变效应 FlrrlFAlR 当电阻丝遭到拉力F作用时，将伸长l，横截面积相应减小A，电阻率因资料晶格发生变形等要素影响而改动了，从而引起电阻值变化量为 dAdAldlRdR式中：dl/l长度相对变化量，用应变表示

3、为 ldl2lldRddldAAAA电阻相对变化量：dA/A圆形电阻丝的截面积相对变化量，设r为电阻丝的半径，微分后可得dA=2r dr，那么 rdrAdA2资料力学：在弹性范围内，金属丝受拉力时，沿轴向伸长，沿径向缩短，轴向应变和径向应变的关系可表示为 ldlrdr为电阻丝资料的泊松比，负号表示应变方向相反。推得：定义：电阻丝的灵敏系数物理意义：单位应变所引起的电阻相对变化量。其表达式为 dRdRK21dRdR)21(灵敏系数K受两个要素影响 一是应变片受力后资料几何尺寸的变化，即1+2 二是应变片受力后资料的电阻率发生的变化，即d/。对金属资料：1+2(d/)/对半导体资料：(d/)/1+

4、2 大量实验证明，在电阻丝拉伸极限内，电阻的相对变化与应变成正比，即K为常数。分析：当半导体应变片受轴向力作用时，其电阻相对变化为 dRdR)21(半导体应变片的电阻率相对变化量与所受的应变力有关：Ed式中：半导体资料的压阻系数;半导体资料的所受应变力;E半导体资料的弹性模量;半导体资料的应变。因此：)21(ERdR实验证明，E比1+2大上百倍，所以1+2可以忽略，因此半导体应变片的灵敏系数为 ERdRK 半导体应变片的灵敏系数比金属丝式高5080倍，但半导体资料的温度系数大，应变时非线性比较严重，使它的运用范围遭到一定的限制。丈量原理：在外力作用下，被测对象产生微小机械变形，应变片随着发生一

5、样的变化，同时应变片电阻值也发生相应变化。当测得应变片电阻值变化量为R时，便可得到被测对象的应变值，根据应力与应变的关系，得到应力值为=E dRRK应变片的构造应变片的构造图3-2 金属电阻应变片的构造 引线覆盖层基片电阻丝式敏感栅lb丝式丝式箔式箔式图3-3 常用应变片的方式3.2 应变片的温度误差及补偿应变片的温度误差及补偿 1.应变片的温度误差应变片的温度误差 由于丈量现场环境温度的改动而给丈量带来的附加误差，由于丈量现场环境温度的改动而给丈量带来的附加误差，称为应变片的温度误差。称为应变片的温度误差。产生应变片温度误差的主要要素有下述两个方面。产生应变片温度误差的主要要素有下述两个方面

6、。1)电阻温度系数的影响电阻温度系数的影响 敏感栅的电阻丝阻值随温度变化的关系可用下式表示：敏感栅的电阻丝阻值随温度变化的关系可用下式表示：Rt=R0(1+0t)式中:Rt温度为t时的电阻值；R0温度为t0时的电阻值；0温度为t0时金属丝的电阻温度系数；t温度变化值，t=t-t0。当温度变化t时，电阻丝电阻的变化值为：R=Rt-R0=R00t 2)试件资料和电阻丝资料的线膨胀系数的影响 当试件与电阻丝资料的线膨胀系数一样时：环境温度变化不会产生附加变形。当试件与电阻丝资料的线膨胀系数不同时：环境温度变化，电阻丝会产生附加变形，从而产生附加电阻变化。设电阻丝和试件在温度为0时的长度均为l0,它们

7、的线膨胀系数分别为s和g，假设两者不粘贴，那么它们的长度分别为 ls=l0(1+st)lg=l0(1+gt)3-22 3-23 当两者粘贴在一同时，电阻丝产生的附加变形l、附加应变和附加电阻变化R分别为 tRKRKRtlltllllsgsggsgsg)()()(000000由于温度变化而引起的应变片总电阻相对变化量为 tKtKtRRRRRsgsgt)()(000000 结论：因环境温度变化而引起的附加电阻的相对变化量，除了与环境温度有关外，还与应变片本身的性能参数K0,0,s以及被测试件线膨胀系数g有关。2.电阻应变片的温度补偿方法 电阻应变片的温度补偿方法通常有线路补偿和应变片自补偿两大类。

8、1)线路补偿法 电桥补偿是最常用且效果较好的线路补偿。图3-8 电桥补偿法R1R3RBR4UoR1RB(a)(b)R1工 作 应 变 片；RB补 偿 应 变 片FFU电路分析 A为由桥臂电阻和电源电压决议的常数。由上式可知，当R3和R4为常数时，R1和RB对电桥输出电压Uo的作用方向相反。利用这一根本关系可实现对温度的补偿。314310134134()()BabBBRR RR RRUUUUUURRRRRRRR0143()BUAR RR R134()()BUARRRR 丈量应变时，义务应变片R1粘贴在被测试件外表上，补偿应变片RB粘贴在与被测试件资料完全一样的补偿块上，且仅义务应变片接受应变。当

9、被测试件不接受应变时，R1和RB又处于同一环境温度为t的温度场中，调整电桥参数使之到达平衡，此时有 0)(341RRRRAUBo工程上，普通按R1=RB=R3=R4 选取桥臂电阻。温度补偿的实现：当温度升高或降低t=t-t0时，两个应变片因温度而引起的电阻变化量相等，电桥仍处于平衡外形，即 0)()(3411RRRRRRAUBtBto应变的丈量：被测试件有应变的作用，那么义务应变片电阻R1又有新的增量R1=R1K，而补偿片因不接受应变，故不产生新的增量，此时电桥输出电压为 可见：电桥的输出电压Uo仅与被测试件的应变有关，而与环境温度无关。011431414()()BUKRR RR RAR RA

10、R KR留意补偿条件：在应变片义务过程中，保证R3=R4。R1和RB两个应变片应具有一样的电阻温度系数、线膨胀系数、应变灵敏度系数K和初始电阻值R0。粘补助偿片的补偿块资料和粘贴义务片的被测试件资料必需一样，两者线膨胀系数一样。两应变片应处于同一温度场。2)应变片的自补偿法利用本身具有温度补偿作用的应变片来补偿的。要实现温度自补偿，必需有)(00sgK 上式阐明，当被测试件的线膨胀系数g知时，假设合理选择敏感栅资料，即其电阻温度系数0、灵敏系数K0以及线膨胀系数s，满足上式，那么不论温度如何变化，均有Rt/R0=0，从而到达温度自补偿的目的。tKtKtRRRRRsgsgt)()(0000003

11、.3 电阻应变片的丈量电路电阻应变片的丈量电路 3.3.1 直流电桥直流电桥 1.直流电桥平衡条件直流电桥平衡条件433211RRRRRREUoR1R2R4R3ACBEDIoRLUo图3-9 直流电桥 当RL时，电桥输出电压为 当电桥平衡时，Uo=0，那么有 R1R4=R2R3或 4321RRRR电桥平衡条件：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应相等。电桥平衡条件 2.电压灵敏度 应变片义务时：电阻值变化很小，电桥相应输出电压也很小，普通需求参与放大器进展放大。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。当受应变时：假设应变片电阻变化为R，

12、其它桥臂固定不变，电桥输出电压Uo0，那么电桥不平衡，输出电压为 341211113443211414332111111)(RRRRRRRRRRERRRRRRRRRRRRRRREUo 设桥臂比n=R2/R1，由于R15的小曲率圆环：A、B两点的应变。EbhFREbhFRA2291.109.1这样，测出A、B处的应变，即可得到载荷F。A23(/2)2(1)F Rhbh EB23(/2)2F Rhbh E内贴取“一 内贴取“式中：h圆环厚度；b圆环宽度；E资料弹性模量。0()()0URRUfKf FRRRUFR 测量3.4.2 应变式压力传感器应变式压力传感器 主要用来丈量流动介质的动态或静态压力

13、主要用来丈量流动介质的动态或静态压力 应变片压力传感器大多采用膜片式或筒式弹性元件。应变片压力传感器大多采用膜片式或筒式弹性元件。在压力在压力p作用下，膜片产生径向应变作用下，膜片产生径向应变r和切向应变和切向应变t，表达，表达式分别为式分别为 EhxRpEhxRptr222222228)(1(38)3)(1(3图3-15 膜片式压力传感器a 应变变化图;b 应变片粘贴 trxhRpR2R1R4R3rt(a)(b)应变变化曲线的特点：当x=0时，rmax=tmax；当x=R时，t=0，r=2rmax。特点的运用：普通在平膜片圆心处切向粘贴R1、R4两个应变片，在边缘处沿径向粘贴R2、R3两个应

14、变片，然后接成全桥丈量电路。避开位置。3/Rx 0r3/Rx 3.4.3 应变式容器内液体分量传感器应变式容器内液体分量传感器感压膜感受上面液体的压力。感压膜感受上面液体的压力。当容器中溶液增多时，感压当容器中溶液增多时，感压膜感受的压力就增大。将其上两个传感器膜感受的压力就增大。将其上两个传感器Rt的电桥接成正的电桥接成正向串接的双电桥电路，此时输出电压为向串接的双电桥电路，此时输出电压为 Uo=U1U2=(K1K2)hg 式中,K1，K2为传感器传输系数。AQgh120()KK QUA 结论：电桥输出电压与柱式容器内感压膜上面溶液的分量成线性关系，因此可以丈量容器内储存的溶液分量。图3-1

15、6 应变片容器内液体分量传感器 微压传感器电阻应变敏感元件传压杆感压膜hRLU1R2R4R0R1R3RtUoLRU22R1R4R0RtR3R3.4.4 应变式加速度传感器应变式加速度传感器用于物体加速度的丈量。用于物体加速度的丈量。根据：根据：a=F/m。32141等强度梁；2质量块；3壳体；4电阻应变敏感元体图3-17 电阻应变式加速度传感器构造图 丈量原理：将传感器壳体与被测对象刚性衔接，当被测物体以加速度a 运动时，质量块遭到一个与加速度方向相反的惯性力作用，使悬臂梁变形，该变形被粘贴在悬臂梁上的应变片感遭到并随之产生应变，从而使应变片的电阻发生变化。电阻的变化引起应变片组成的桥路出现不平衡，从而输出电压，即可得出加速度a值的大小。适用范围：不适用于频率较高的振动和冲击场所，普通适用频率为1060 Hz范围。