第一章-电阻式应变式传感器课件.ppt

1、下午3时50分1Resistive Strain Gage Sensor 电阻应变式传感器电阻应变式传感器超声波探头超声波探头热电偶热电偶CCD传感器电涡流传感器电涡流传感器气敏电阻气敏电阻光电池光电池热释电传感器热释电传感器下午3时50分2应变式传感器应变式传感器本节内容本节内容一、工作原理一、工作原理二、应变片的类型与材料二、应变片的类型与材料三、应变片的特性三、应变片的特性四、温度误差与补偿四、温度误差与补偿五、信号调节电路五、信号调节电路六、应变式传感器的应用六、应变式传感器的应用下午3时50分3优点优点具有非线性，输出信号微弱，抗干扰能力较差，因此信号线具有非线性，输出信号微弱，抗干

2、扰能力较差，因此信号线需要采取屏蔽措施；只能测量一点或应变栅范围内的平均应需要采取屏蔽措施；只能测量一点或应变栅范围内的平均应变，不能显示应力场中应力梯度的变化等；不能用于过高温变，不能显示应力场中应力梯度的变化等；不能用于过高温度场合下的测量度场合下的测量。精度高，测量范围广；精度高，测量范围广；使用寿命长，性能稳定可靠；使用寿命长，性能稳定可靠；结构简单，体积小，重量轻；结构简单，体积小，重量轻；频率响应较好，可用于静态测量又可用于动态测频率响应较好，可用于静态测量又可用于动态测量；量；价格低廉，品种多样，便于选择和大量使用价格低廉，品种多样，便于选择和大量使用 缺点缺点2.1应变式传感器

3、应变式传感器下午3时50分4电阻应变效应演示电阻应变效应演示下午3时50分5电阻应变式传感器电阻应变式传感器下午3时50分6 1 1 金属的电阻应变效应金属的电阻应变效应 SdSldldRdR定义：ldlxS=r 2dS/S=2dr/r图图1.1 金属导体受力变形情况金属导体受力变形情况SlRrdryxy下午3时50分7)21(dRdR电阻丝的灵敏系数电阻丝的灵敏系数Ks：单位应变所引起的电阻相对变单位应变所引起的电阻相对变化量。化量。dRdRKs21 实验证明在应变极限内实验证明在应变极限内Ks为常数为常数下午3时50分82 应变片的基本结构及测量原理应变片的基本结构及测量原理 2341图图

4、1.2 电阻应变片结构示意图电阻应变片结构示意图bl敏感栅敏感栅1、基底、基底2、覆盖层、覆盖层3、引线、引线4 和和 粘结剂粘结剂栅长栅长栅宽栅宽结构结构下午3时50分9根据应力与应变的关系，得到应力值为=E 测量原理测量原理R/R下午3时50分10应变片测量原理应变片测量原理下午3时50分11丝式丝式箔式箔式回线式应变片回线式应变片短接式应变片短接式应变片体形体形薄膜型薄膜型(a)(b)(c)图图1.3 丝式应变片丝式应变片应变片类型应变片类型下午3时50分12图图1.4 几种箔式应变片几种箔式应变片(a)(b)(c)(d)(e)(f)厚约0.0030.01mm下午3时50分13图图1.5

5、 薄膜应变片薄膜应变片厚度厚度0.1m以下，以下，是薄膜技术发展的产物是薄膜技术发展的产物下午3时50分14实物实物下午3时50分15 对敏感栅的材料的要求：对敏感栅的材料的要求：应变灵敏系数大，并在所测应变范围内保持为常数；应变灵敏系数大，并在所测应变范围内保持为常数；电阻率高而稳定，以便于制造小栅长的应变片；电阻率高而稳定，以便于制造小栅长的应变片；电阻温度系数要小；电阻温度系数要小；抗氧化能力高，耐腐蚀性能强；抗氧化能力高，耐腐蚀性能强；在工作温度范围内能保持足够的抗拉强度；在工作温度范围内能保持足够的抗拉强度；加工性能良好加工性能良好,易于拉制成丝或轧压成箔材；易于拉制成丝或轧压成箔材

6、；易于焊接，对引线材料的热电势小。易于焊接，对引线材料的热电势小。敏感栅的材料有：敏感栅的材料有：康铜、镍铬合金、镍铬铝合金、铁铬铝合金、铂、康铜、镍铬合金、镍铬铝合金、铁铬铝合金、铂、铂钨合金铂钨合金下午3时50分161 灵敏度系数灵敏度系数KKRdRKsK KsRdR下午3时50分172 横向效应横向效应 沿轴向应变为沿轴向应变为 沿横向应变为沿横向应变为 图图1.6 丝绕式应变片敏感栅半圆弧形部分丝绕式应变片敏感栅半圆弧形部分bOlrrdld0 xy下午3时50分181机械应变机械应变卸载卸载加载加载指指示示应应变变i图图1.7 应变片的机械滞后应变片的机械滞后应变片在未经安装也不受外力

7、情况下，室温下测得的电阻值应变片在未经安装也不受外力情况下，室温下测得的电阻值 习惯上为习惯上为 60、120、200、350、500、1000,其中以其中以120最常用。最常用。下午3时50分19Rt=R0(1+t)tRRRt00tRRt0KtKRtRKRRtt000/；tT ；下午3时50分20tLLsgt)()1(0tLLgg)1(0tLLssgs假设tLLsg)(0tKRRKRRsgttt)(00下午3时50分21tKtKRRsgtt)(0tKRtRRRRsgttt)(00下午3时50分22 桥路补偿法桥路补偿法R1 工作片工作片RB补偿片补偿片 R 平衡电阻平衡电阻图图1.8 桥路补

8、偿法桥路补偿法下午3时50分23图图1.9 测量梁的弯曲应变测量梁的弯曲应变R1与RB特性相同接入相邻臂接入相邻臂 输出电压增加输出电压增加2倍倍 R1t=RBt 应变状态相反应变状态相反 在某些情况下，可以比较巧妙地安装应变片而不在某些情况下，可以比较巧妙地安装应变片而不需补偿件并兼得灵敏度的提高。需补偿件并兼得灵敏度的提高。下午3时50分24 应变片自补偿法应变片自补偿法0t)(sgK即baaatbbtatbtRRRRRRbaRRR图图1.10 双金属丝栅法双金属丝栅法下午3时50分25UR2R4R1R3ERtR5图图 1.11 热敏电阻补偿法热敏电阻补偿法TUR5 热敏电阻补偿法热敏电阻

9、补偿法Rt下午3时50分26测量电路KRRRR下午3时50分27例：已知公式：例：已知公式：初始电阻初始电阻R=120 灵敏度系数灵敏度系数K=2 纵向应变纵向应变 =1000=1时时 求：该应变片电阻的绝对变化量求：该应变片电阻的绝对变化量 R=0.24 电阻应变片工作时，通常其电阻变化是很小的，电阻应变片工作时，通常其电阻变化是很小的，KRR测量电路下午3时50分280,IRL4321ZZZZ32,41ZZZZ43,21ZZZZ应变电桥应变电桥测量电路下午3时50分29ERRRRRRU)(4332110当当RL时，电桥输出电压为：时，电桥输出电压为：当电桥平衡时，当电桥平衡时，Uo=0，则

10、有：，则有：R1R4=R2R33412RRRR电桥平衡条件电桥平衡条件平衡电桥平衡电桥平衡电阻、可变电阻工作片4321RRRR（一）（一）直流电桥直流电桥下午3时50分30322411)()(RRRRRR 由于应变引起阻值变化由于应变引起阻值变化 ，电桥不平衡，调节电桥不平衡，调节1R1R2R则有：则有：43211RRRRR特点：需做两次调节，若应变为动态量，则电阻变化快，平特点：需做两次调节，若应变为动态量，则电阻变化快，平 衡电桥不适用。衡电桥不适用。平衡电桥下午3时50分31 单臂电桥单臂电桥固定电阻、工作片4321RRRRERRnnUo112)1(单臂电桥满足电桥平衡：满足电桥平衡：n

11、RRRR3412+-下午3时50分32电桥电压灵敏度定义为电桥电压灵敏度定义为EnnRRUKoU211)1(UUKEEK,)1(分析分析:(2)电桥电压灵敏度是桥臂电阻比值n的函数，恰当地选择桥臂比n的值，保证电桥具有较高的电压灵敏度。当当E E值确定后，值确定后，n n取何值时才能使取何值时才能使K KU U最高？最高？单臂电桥ERRnnUo112)1(下午3时50分332410(1)UdKndnn求得求得n=1时，电桥电压灵敏度最高，此时有：时，电桥电压灵敏度最高，此时有：4411EKRREUUo结论：结论：当电源电压当电源电压E和电阻相对变化量和电阻相对变化量R1/R1一定时，一定时，电

12、桥的电桥的输出电压及其灵敏度也是定值，与各桥臂电阻阻值大小无关。输出电压及其灵敏度也是定值，与各桥臂电阻阻值大小无关。单臂电桥下午3时50分34非线性误差及其补偿方法非线性误差及其补偿方法)1(11111nRRnRRnEUoU0与与R1/R1的关系是非线性的，非线性误差为的关系是非线性的，非线性误差为 11111RRnRRUUUoooL112)1(RRnnEUo理想情况理想情况（略去分母中的（略去分母中的R1/R1项）：项）：实际情况实际情况（保留分母中的（保留分母中的R1/R1项）：项）：单臂电桥下午3时50分35如果桥臂比如果桥臂比n=1，则则：11112LRRRR例如：例如：对于一般应变

13、片：所受应变对于一般应变片：所受应变通常在通常在5000以下，若取以下，若取K=2，则，则R1/R1=K=0.01，计算得非线性误差为，计算得非线性误差为0.5%；若；若K=130，=1000时，时，R1/R1=0.130，则得到非线性误差为，则得到非线性误差为6%，故当非，故当非线性误差不能满足测量要求时，必须予以消除。线性误差不能满足测量要求时，必须予以消除。单臂电桥下午3时50分36差动电桥减小和消除非线性误差的方法减小和消除非线性误差的方法图图1.14 差动电桥差动电桥 R1 R1R4R3ACBEDR2 R2Uo(a)R1 R1ACBEDR2 R2Uo(b)R3 R3R4 R4下午3时

14、50分37 半桥差动半桥差动固定电阻、受压应变受拉应变；4321RRRR13412RRRR为提高电桥电压灵敏度为提高电桥电压灵敏度 n=1半桥差动+-下午3时50分38与单臂相比与单臂相比:2EKU电桥电压灵敏度：电桥电压灵敏度：Uo与与R1/R1成线性关系，无非线性误差，成线性关系，无非线性误差，而且电桥电压灵敏度而且电桥电压灵敏度KU=E/2，是单臂工作时的两倍。，是单臂工作时的两倍。同时还具有温度补偿作用。同时还具有温度补偿作用。112 RREUo半桥差动下午3时50分39 全桥差动全桥差动受压应变、受拉应变、3241RRRR13412RRRR为提高电桥电压灵敏度为提高电桥电压灵敏度 n

15、=1全桥差动+-下午3时50分40Uo与与R1/R1成线性关系，无非线性误差，成线性关系，无非线性误差，而且电桥电压灵敏度而且电桥电压灵敏度KU=E，是单臂工作时的四倍。，是单臂工作时的四倍。同时还具有温度补偿作用。同时还具有温度补偿作用。结论：EKRREUUo11全桥差动下午3时50分41（二）交流电桥（二）交流电桥交流电桥下午3时50分42)(43213241ZZZZZZZZUUio电桥平衡条件：电桥平衡条件：Uo=0，即：，即：交流电桥输出：交流电桥输出：ZZ 34123241ZZZZZZ或，交流电桥交流电桥下午3时50分4313241423zzzz交流电桥需要满足两个方程式交流电桥需要

16、满足两个方程式电桥平衡条件电桥平衡条件12341111222233334444jjjjZrjXz eZrjXz eZrjXz eZrjXz e设各桥臂阻抗为：设各桥臂阻抗为：交流电桥下午3时50分44交流电桥考虑单臂单臂情况，考虑单臂单臂情况，R1工作片工作片,41110ZZUUi交流电桥输出电压交流电桥输出电压 1ZZ 3412ZZ下午3时50分45 41110RRUUi交流电桥 11111CRjRZ2111111111111)1(1)(1CRjRCRjRCRRjRRZ111111,1RZZRCR一般情况下，由于导线寄生电容很小，电源频率也不一般情况下，由于导线寄生电容很小，电源频率也不很高

17、。因此，很高。因此，下午3时50分46交流电桥输出电压交流电桥输出电压 41110RRUUi 21110RRUUi 110RRUUi交流电桥下午3时50分47（三）恒流源电桥（三）恒流源电桥 I=I+I恒流源电桥恒流源电桥 下午3时50分48IRRRRRRRRRIRIU4321324132110IRRRRRRIIRRRRRRI43212124321431恒流源电桥恒流源电桥 下午3时50分49 4114140RRRIIRRRRU 4100URIU恒流源电桥恒流源电桥 下午3时50分50 44144100RRRRRRRRRUUrI 22112112111RRRRRRRRrl恒流源电桥恒流源电桥

18、下午3时50分51下午3时50分52读数电桥测量电桥电源放大器相敏检波器滤波器振荡器检流器图图1.20 电阻应变仪原理方框图电阻应变仪原理方框图 下午3时50分53 下图所示的静态应变仪测量范围：下图所示的静态应变仪测量范围：19999；分辨率：分辨率：1；电桥电压：直流；电桥电压：直流2.5V；应变片：应变片：120或其他阻值；或其他阻值；测量点数：测量点数：8/16点；点；下午3时50分54N721010力：Pa811010压力：23/10sm加速度：VmV/几十0.1%0.01%s1171010几十几十上百上百KHz下午3时50分55测定试件应力或应变时，直接将应变片粘贴在试件上测定试件

19、应力或应变时，直接将应变片粘贴在试件上其他物理量（力、压力、加速度等），需先将这些量其他物理量（力、压力、加速度等），需先将这些量转换成应变弹性元件转换成应变弹性元件u电阻应变式力传感器电阻应变式力传感器u应变式压力传感器应变式压力传感器u应变式加速度传感器应变式加速度传感器下午3时50分56 弹性滞后和弹性后效要小弹性滞后和弹性后效要小 弹性膜数的温度系数要小弹性膜数的温度系数要小 线膨胀系数小且稳定线膨胀系数小且稳定 具有良好的稳定性和耐腐蚀性具有良好的稳定性和耐腐蚀性 具有良好的机械加工和热处理性能。具有良好的机械加工和热处理性能。弹性敏感元件弹性敏感元件 合金钢合金钢铜合金铜合金下午3

20、时50分57被测物理量：被测物理量：荷重或力。荷重或力。主要用途：主要用途：作为各种电子称与材料试验机的测力元件、作为各种电子称与材料试验机的测力元件、发动机的推力测试、发动机的推力测试、水坝坝体承载状况监测等。水坝坝体承载状况监测等。要求：要求：应变式力传感器要求有较高的灵敏度和稳定性应变式力传感器要求有较高的灵敏度和稳定性,当传感器在受到侧向作用力或力的作用点发生轻微变当传感器在受到侧向作用力或力的作用点发生轻微变化时化时,不应对输出有明显的影响。不应对输出有明显的影响。弹性元件：弹性元件：柱式、筒式、环式、悬臂式等。柱式、筒式、环式、悬臂式等。（一）（一）应变式力传感器应变式力传感器应变

21、式力传感器应变式力传感器下午3时50分58(a)(a)实心圆柱实心圆柱(b)(b)空心圆柱空心圆柱应变式力传感器应变式力传感器下午3时50分59ESFll杨氏模量杨氏模量面积面积 ESF ESFkkRRESkkZ FkRRz应变式力传感器应变式力传感器下午3时50分60U0R1R3R5R7R6R8R2R4R6R7R8R2R3R4R5R1应变式力传感器应变式力传感器下午3时50分61应变式力传感器应变式力传感器下午3时50分62应变式荷重传感器外形及受力位置应变式荷重传感器外形及受力位置FF应变式力传感器应变式力传感器下午3时50分63应变式荷重传感器的外形及应变片的粘贴位置应变式荷重传感器的外

22、形及应变片的粘贴位置FR1R2 R4应变式力传感器应变式力传感器下午3时50分64荷重传感器原理演示荷重传感器原理演示应变式力传感器应变式力传感器下午3时50分65当力当力F作用在弹性悬臂梁自由端时，悬臂梁产生变形，在梁作用在弹性悬臂梁自由端时，悬臂梁产生变形，在梁的上、下表面的上、下表面对称位置对称位置上应变大小相等，极性相反，若分别上应变大小相等，极性相反，若分别粘贴应变片粘贴应变片R1、R4 和和R2、R3，并接成差动电桥，则电桥，并接成差动电桥，则电桥输出电压输出电压Uo与力与力F成正比。成正比。应变式力传感器应变式力传感器图图1.23 梁式力传感器梁式力传感器 2 2、梁式力传感器、

23、梁式力传感器 R1R4l0lFbhblR4R1Fh(a)(b)下午3时50分66(1)等截面梁等截面梁 620EbhFlE一端固定，一端自由，厚度一端固定，一端自由，厚度为为h,宽度宽度为为b b,悬臂外端到悬臂外端到应应变片中心的距离变片中心的距离l。此位置上下两侧分别粘有此位置上下两侧分别粘有4 4只应变片，只应变片，R1R1、R4R4同侧；同侧；R3 R3、R2R2同侧，可构成全差同侧，可构成全差动电桥。动电桥。应变式力传感器应变式力传感器图图1.24 等截面梁式力传感器等截面梁式力传感器 下午3时50分67(2)等强度梁等强度梁力力F F作用于梁端三角形顶点上，梁作用于梁端三角形顶点上

24、，梁内各断面产生的应力相等。不随内各断面产生的应力相等。不随应变片粘贴位置变化应变片粘贴位置变化 620EhbFlE此位置上下两侧分别粘有此位置上下两侧分别粘有4 4只应只应变片，构成全差动电桥。变片，构成全差动电桥。LR1R3R2R4xFhbb0R4应变式力传感器应变式力传感器图图1.25 等强度梁式力传感器原理图等强度梁式力传感器原理图 下午3时50分68 (3)其它特殊悬臂梁力传感器其它特殊悬臂梁力传感器图图1.26 特殊粱式力传感器特殊粱式力传感器（a）双孔粱；（）双孔粱；（b）单孔粱；（）单孔粱；（c）S形粱形粱应变式力传感器应变式力传感器下午3时50分69各种悬臂梁各种悬臂梁 应变

25、式力传感器应变式力传感器下午3时50分70应变片在悬臂梁上的粘贴及变形应变片在悬臂梁上的粘贴及变形应变式力传感器应变式力传感器下午3时50分71图图1.27 薄壁圆环式力传感器示意图薄壁圆环式力传感器示意图 3 3、薄壁圆环式力传感器、薄壁圆环式力传感器 下午3时50分72F1425T4C2T2C3T3C4T1C13(a)(b)4 4、轮辐式力传感器、轮辐式力传感器图图1.28 轮辐式力传感器示意图轮辐式力传感器示意图(a)结构示意图结构示意图 (b)外形外形下午3时50分73应用场合应用场合汽车衡超市打印秤超市打印秤电子天平电子天平人体秤人体秤 应变式力传感器应变式力传感器下午3时50分74

26、P（b）当气体或液体压力作用在薄板承压面上时，薄板变形，当气体或液体压力作用在薄板承压面上时，薄板变形，粘贴在另一面的电阻应变片随之变形，并改变阻值。这时粘贴在另一面的电阻应变片随之变形，并改变阻值。这时测量电路中电桥平衡被破坏，产生输出电压。测量电路中电桥平衡被破坏，产生输出电压。应变片应变片（二）（二）应变式压力传感器应变式压力传感器 1 1、板式压力传感器、板式压力传感器图图1.29 板式压力传感器原理图板式压力传感器原理图应变式压力传感器应变式压力传感器下午3时50分75图图1.30 膜片式压力传感器膜片式压力传感器应变式压力传感器应变式压力传感器下午3时50分76应变式压力传感器应变

27、式压力传感器下午3时50分77当外力当外力F F作用在梁的自由端时，固定端产生的应作用在梁的自由端时，固定端产生的应 变最大，粘贴在应变片处的应变为变最大，粘贴在应变片处的应变为2 2、筒式压力传感器、筒式压力传感器应变式压力传感器应变式压力传感器下午3时50分78用于物体加速度的测量。依据：用于物体加速度的测量。依据：a=F/m。（三）（三）应变式加速度传感器应变式加速度传感器应变式加速度传感器应变式加速度传感器测量时，测量时，基座基座固定固定振动体振动体上，振动加速度使质量块产生惯性力，上，振动加速度使质量块产生惯性力，悬臂梁悬臂梁则相则相 当于惯性系统的当于惯性系统的“弹簧弹簧”，在惯性力作用下产生弯曲变形。因此，在惯性力作用下产生弯曲变形。因此，梁的应变在一定的梁的应变在一定的 频率范围内与振动体的加速度成正比。频率范围内与振动体的加速度成正比。选择选择=结果结果汇报结束汇报结束 谢谢观看谢谢观看！欢迎提出您的宝贵意见！欢迎提出您的宝贵意见！