传感器原理及应用第二章力传感器-课件.ppt

1、ch2 力传感器力传感器传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT教学目的与要求：要求学生了解常用力传感器的特点、应教学目的与要求：要求学生了解常用力传感器的特点、应 用用;理解各种力传感器的测量电路理解各种力传感器的测量电路;掌握掌握 典型力传感器的工作原理。典型力传感器的工作原理。教学重点：典型力传感器的工作原理教学重点：典型力传感器的工作原理教学难点：教学难点：各种力传感器的测量电路各种力传感器的测量电路第二章第二章 力传感器力传感器 1ppt课件ch2 力传感器力传感器传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT第二章第二章 力传感器力传感器 l应变式传感器应变式传感器l电感式传感器电感式传

2、感器l电容式传感器电容式传感器l压电式传感器压电式传感器力传感器指对力学量敏感的一类器件或装置。力传感器指对力学量敏感的一类器件或装置。原理、测量电路、特点及应用原理、测量电路、特点及应用2ppt课件ch2 力传感器力传感器传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT广泛应用于广泛应用于3ppt课件ch2 力传感器力传感器传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT高高精精度度电电子子汽汽车车衡衡动态电子秤动态电子秤电子天平电子天平4ppt课件ch2 力传感器力传感器传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT机械秤包装机机械秤包装机吊秤吊秤5ppt课件ch2 力传感器力传感器传感器与测试技术传感器与测试

3、技术EXIT第一节第一节 应变式传感器应变式传感器 电阻式应变传感器作为测力的主要传感器，测力电阻式应变传感器作为测力的主要传感器，测力范围小到肌肉纤维，大到登月火箭，精确度可到范围小到肌肉纤维，大到登月火箭，精确度可到 0.010.010.1%0.1%。有拉压式（柱、筒、环元件）、弯曲。有拉压式（柱、筒、环元件）、弯曲式、剪切式。式、剪切式。应用范围：应变力、压力、转矩、位移、加速度应用范围：应变力、压力、转矩、位移、加速度6ppt课件ch2 力传感器力传感器传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT优点：优点：精度高，测量范围广精度高，测量范围广 频率响应特性较好频率响应特性较好 结构简单，

4、尺寸小，重量轻结构简单，尺寸小，重量轻 可在高可在高(低低)温、高速、高压、强烈振动、强温、高速、高压、强烈振动、强磁场及核辐射和化学腐蚀等恶劣条件下正常工作磁场及核辐射和化学腐蚀等恶劣条件下正常工作 易于实现小型化、固态化易于实现小型化、固态化 价格低廉，品种多样，便于选择价格低廉，品种多样，便于选择缺点：缺点：具有非线性，输出信号微弱，抗干扰能力较具有非线性，输出信号微弱，抗干扰能力较差，因此信号线需要采取屏蔽措施；只能测量差，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变，不能显示应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；不能用于过高温度力场中应

5、力梯度的变化等；不能用于过高温度场合下的测量。场合下的测量。7ppt课件ch2 力传感器力传感器传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT应变计金属应变计金属应变计8ppt课件ch2 力传感器力传感器传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT9ppt课件ch2 力传感器力传感器传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT电阻应变片结构示意图电阻应变片结构示意图 应变片式传感器的核心元件是应变片，它可将试件上的应变片式传感器的核心元件是应变片，它可将试件上的应变变化转换成电阻变化。应变变化转换成电阻变化。10ppt课件ch2 力传感器力传感器传感器与测试技术传感器与测试技术EXITbl敏感栅敏感栅由金属

6、细丝绕成栅形。由金属细丝绕成栅形。栅长栅长栅宽栅宽 应变片的应变片的标准名义电阻值标准名义电阻值（指应变片没有安装且不受力（指应变片没有安装且不受力的情况下，在室温时测定的电的情况下，在室温时测定的电阻值。）通常为阻值。）通常为6060、120120、350350、600600、10001000 等。等。应变片在相同的工作电流下，电阻值愈大，允许的工作应变片在相同的工作电流下，电阻值愈大，允许的工作电压亦愈大，可提高测量灵敏度。电压亦愈大，可提高测量灵敏度。应变片栅长大小关系到所测应变的准确度，应变片测得的应应变片栅长大小关系到所测应变的准确度，应变片测得的应变大小是应变片栅长和栅宽所在面积内

7、的平均轴向应变量。变大小是应变片栅长和栅宽所在面积内的平均轴向应变量。应变片的应变片的尺寸尺寸制造厂常用制造厂常用b b l l表示。表示。11ppt课件ch2 力传感器力传感器传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT 电阻应变片工作原理是基于电阻应变片工作原理是基于金属导体的应变效应金属导体的应变效应，即金属，即金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着所受机械变导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着所受机械变形形(伸长或缩短伸长或缩短)的变化而发生变化现象。的变化而发生变化现象。12ppt课件ch2 力传感器力传感器传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT设有一根长度为设有一根

8、长度为l l、截面积为、截面积为S S、电阻率为、电阻率为的金属丝，其电阻的金属丝，其电阻R R为为SlRSdSldldRdRRdRdldlSdS表示，表示，为金属丝的为金属丝的轴向应变轴向应变13ppt课件ch2 力传感器力传感器传感器与测试技术传感器与测试技术EXITdr/r金属丝半径的相对变化，即金属丝半径的相对变化，即径向应变为径向应变为r。S=r 2dS/S=2dr/rr=由材料力学知由材料力学知将微分将微分dR、d改写成增量改写成增量R、，则，则)21()21(dldldRdRSKllllRR)/21(金属丝电阻的相对变化与金属丝的伸长或缩短之间存在比例关系。金属丝电阻的相对变化与

9、金属丝的伸长或缩短之间存在比例关系。比例系数比例系数KS称为金属丝的称为金属丝的应变灵敏系数应变灵敏系数。式中式中为金属材料的泊松系数。为金属材料的泊松系数。14ppt课件ch2 力传感器力传感器传感器与测试技术传感器与测试技术EXITKS由两部分组成：由两部分组成：1+2：由材料的几何尺寸变化引起，一般金属：由材料的几何尺寸变化引起，一般金属0.3，因此，因此（1+2）1.6；：电阻率随应变而引起的变化（称：电阻率随应变而引起的变化（称“压阻效应压阻效应”）。）。金属材料：金属材料：以前者为主，则以前者为主，则KS1+2；半导体：半导体：KS值主要由电阻率相对变化所决定。值主要由电阻率相对变

10、化所决定。实验表明，在金属丝拉伸比例极限内，电阻相对变化与轴向应变成正比。通实验表明，在金属丝拉伸比例极限内，电阻相对变化与轴向应变成正比。通常常KS在在1.83.6范围内。范围内。ll/K KS S15ppt课件ch2 力传感器力传感器传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT半导体材料在受到应力作用后，其电阻率发生明半导体材料在受到应力作用后，其电阻率发生明 显变化，这种现象称为压阻效应显变化，这种现象称为压阻效应。v 半导体应变片又称压阻式传感器半导体应变片又称压阻式传感器 优点：优点：灵敏度高、动态响应好、精度高、易于微型灵敏度高、动态响应好、精度高、易于微型 化和集成化等。化和集成化等

11、。缺点：受温度影响较大。缺点：受温度影响较大。l 半导体材料的灵敏系数半导体材料的灵敏系数S S主要由压阻效应引起的电阻率主要由压阻效应引起的电阻率 的变化；灵敏系数远大于金属应变片的灵敏系数。的变化；灵敏系数远大于金属应变片的灵敏系数。ERdR21dRdREd对半导体：对半导体：式中式中压阻系数压阻系数E弹性模量弹性模量kS5010016ppt课件ch2 力传感器力传感器传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT 按材料分：按材料分：金属式：金属式：丝式、箔式丝式、箔式(P37(P37）、薄膜型）、薄膜型 半导体式：半导体式：体型体型、薄膜型、扩散型、外延型、薄膜型、扩散型、外延型、PNPN结

12、型结型 按结构分：单片、双片、特殊形状按结构分：单片、双片、特殊形状 按使用环境：高温、低温、高压、磁场、水下按使用环境：高温、低温、高压、磁场、水下 丝式丝式：0.025mm金属丝（康铜、镍铬合金、贵金属）做敏感栅金属丝（康铜、镍铬合金、贵金属）做敏感栅箔式箔式：用光刻腐蚀工艺、照相制版制作成厚：用光刻腐蚀工艺、照相制版制作成厚0.0030.01的金属箔栅的金属箔栅薄膜式：真空溅射或真空沉积技术，在绝缘基片上蒸度几几百纳米金属电阻薄膜。薄膜式：真空溅射或真空沉积技术，在绝缘基片上蒸度几几百纳米金属电阻薄膜。17ppt课件ch2 力传感器力传感器传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT1 1、

13、灵敏系数、灵敏系数 实验表明，实验表明，金属应变片的电阻相对变化与应变金属应变片的电阻相对变化与应变在很宽的范在很宽的范 围内均为线性关系。围内均为线性关系。被测体应变片应变片三、应变片的主要特性三、应变片的主要特性KRRRRK测量结果表明，应变片的灵敏系数测量结果表明，应变片的灵敏系数K K恒小于线材的灵敏系数恒小于线材的灵敏系数K KS S。原因：胶层传递变形失真原因：胶层传递变形失真 横向效应横向效应18ppt课件ch2 力传感器力传感器传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT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 金属应变片由于敏感栅的两端为半圆

14、弧形的横栅，测量应变金属应变片由于敏感栅的两端为半圆弧形的横栅，测量应变时，构件的轴向应变时，构件的轴向应变使敏感栅电阻发生变化，其横向应变使敏感栅电阻发生变化，其横向应变r r也将使敏感栅半圆弧部分的电阻发生变化也将使敏感栅半圆弧部分的电阻发生变化(除了除了起作用外起作用外)，应变片的这种既受轴向应变影响，又受横向应变影响而引起电应变片的这种既受轴向应变影响，又受横向应变影响而引起电阻变化的现象称为横向效应。阻变化的现象称为横向效应。横向效应横向效应19ppt课件ch2 力传感器力传感器传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT横向效应系数横向效应系数H H：横向灵敏系数与轴向灵敏系数之比值。

15、横向灵敏系数与轴向灵敏系数之比值。rnnlrnKKHxy121由上式可见，由上式可见，r r愈小，愈小，l l愈大，则愈大，则H H愈小。愈小。即敏感栅越窄、基长越长的应变片，其横向效应引起的误差越小即敏感栅越窄、基长越长的应变片，其横向效应引起的误差越小。为减小横向效应，常采用箔式应变片。为减小横向效应，常采用箔式应变片。20ppt课件ch2 力传感器力传感器传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT应变片粘贴在被测试件上，当温度恒定时，其加载特性与卸载特性应变片粘贴在被测试件上，当温度恒定时，其加载特性与卸载特性不重合，即为机械滞后。不重合，即为机械滞后。产生原因：产生原因：a、应变片在承受

16、机械应变后，其内部会产生残余变形，使敏感栅电阻发、应变片在承受机械应变后，其内部会产生残余变形，使敏感栅电阻发生少量不可逆变化；生少量不可逆变化；b、在制造或粘贴应变片时，如果敏感栅受到不适当的、在制造或粘贴应变片时，如果敏感栅受到不适当的变形或者粘结剂固化不充分。变形或者粘结剂固化不充分。1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应变片的机械滞后应变片的机械滞后 机械滞后值还与应变片所承受的应机械滞后值还与应变片所承受的应变量有关，加载时的机械应变愈大，卸变量有关，加载时的机械应变愈大，卸载时的滞后也愈大。所以，载时的滞后也愈大。所以，通常在实验通常在实验之前应将试件预先加、卸载若

17、干次，以之前应将试件预先加、卸载若干次，以减少因机械滞后所产生的实验误差。减少因机械滞后所产生的实验误差。3 3、机械滞后、机械滞后21ppt课件ch2 力传感器力传感器传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT 对于粘贴好的应变片，当温度恒定时，不承受应变时，其对于粘贴好的应变片，当温度恒定时，不承受应变时，其电阻值随时间增加而变化的特性，称为应变片的零点漂移电阻值随时间增加而变化的特性，称为应变片的零点漂移。如果在一定温度下，使应变片承受恒定的机械应变，其电如果在一定温度下，使应变片承受恒定的机械应变，其电阻值随时间增加而变化的特性称为蠕变。阻值随时间增加而变化的特性称为蠕变。4 4、零点漂

18、移和蠕变、零点漂移和蠕变lim真实应变真实应变z指指示示应应变变i应变片的应变极限应变片的应变极限10%15 5、应变极限、应变极限 在一定温度下，在一定温度下，应变片的指示应变片的指示应变对测试值的真实应变的相对误应变对测试值的真实应变的相对误差不超过规定范围（一般为差不超过规定范围（一般为10%10%）时的最大真实应变值。时的最大真实应变值。22ppt课件ch2 力传感器力传感器传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT6 6、动态特性、动态特性 当被测应变值随时间变化的频率很高时，需考虑应变片的当被测应变值随时间变化的频率很高时，需考虑应变片的动态特性。因应变片基底和粘贴胶层很薄，构件的应

19、变波传到动态特性。因应变片基底和粘贴胶层很薄，构件的应变波传到应变片的时间很短应变片的时间很短(估计约估计约0.2s)0.2s)，故只需考虑应变沿应变片，故只需考虑应变沿应变片轴向传播时的动态响应。轴向传播时的动态响应。不同栅长应变片对应的最高工作频率不同栅长应变片对应的最高工作频率应变片栅长应变片栅长/mm1235101520最高工作频率最高工作频率/kHz/kHz25012583.3502516.712.523ppt课件ch2 力传感器力传感器传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT四、应变片的测量电路四、应变片的测量电路 由于将应变等机械量转换为电阻的变化，此变化的数量是很由于将应变等机

20、械量转换为电阻的变化，此变化的数量是很微弱的，因此须采用高精度的测量电路微弱的，因此须采用高精度的测量电路电桥电桥。（教材。（教材P39P39）电桥的作用电桥的作用：将电阻、电感、电容等微小电参量的变化转换为：将电阻、电感、电容等微小电参量的变化转换为 电压或电流的变化。电压或电流的变化。24ppt课件ch2 力传感器力传感器传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT电桥分类：电桥分类：直流电桥按电源性质分：交流电桥按按输出方式输出方式分：分：功率电桥（接低阻抗负载）电压电桥（接高阻抗负载）043214231)(eRRRRRRRRey R2R4R1R3ERgACDIgB1 1、直流电桥、直流电桥

21、*平衡条件平衡条件4231RRRR相对桥臂电阻之积相等。相对桥臂电阻之积相等。25ppt课件ch2 力传感器力传感器传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT*电桥的接法电桥的接法根据电桥工作中桥臂电阻值变化的情况，电桥可分为根据电桥工作中桥臂电阻值变化的情况，电桥可分为半桥单臂半桥单臂半桥双臂半桥双臂全桥全桥RReey 40 RR2eey 0 RReey 0 全桥全桥26ppt课件ch2 力传感器力传感器传感器与测试技术传感器与测试技术EXITsr4231sc41URRRRRRRRURRRRR4321RR 讨论：讨论：设：设：电桥起始是平衡的电桥起始是平衡的 由于 ，电桥输出公式又可写成 ey

22、=e0 e0 相邻相减，相对相加。相邻相减，相对相加。KRRsr4231sc41UKU上式为上式为电桥加减特性电桥加减特性表达式表达式。（全等臂电桥）（全等臂电桥）27ppt课件ch2 力传感器力传感器传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT单臂工作：即只有一只电阻R产生R变化时，电桥输出电压00y4141eKeRRe双臂工作双臂工作：设：设R R1 1产生正产生正R R的变化，的变化，R R产生负产生负R R的变化，的变化，且变化的绝对值相等；且变化的绝对值相等；即即 ，则电桥输出，则电桥输出 12030400y2121eKeRRe即为单臂工作的2倍。电压与应变成线性关系，可以用电桥测量电压

23、以测量应变电压与应变成线性关系，可以用电桥测量电压以测量应变28ppt课件ch2 力传感器力传感器传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT四臂工作：设R1、R3产生正R的变化，R2、R4产生负R的变化，且R绝对值相等，即R1、R3产生正应变，R2、R4产生负应变，且应变的绝对值相等，则电桥的输出 即为即为单臂工作的单臂工作的4 4倍倍。不同的电桥接法，输出电压不同，不同的电桥接法，输出电压不同，全桥接法可获得最大的全桥接法可获得最大的输出，其灵敏度最高。输出，其灵敏度最高。00yeKeRRe工程上常利用电桥的加减特性，作工程上常利用电桥的加减特性，作温度补偿温度补偿和和提高灵敏度提高灵敏度等。

24、等。29ppt课件ch2 力传感器力传感器传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT电桥电桥加减特性的应用加减特性的应用1-1-温度补偿温度补偿温度变化引起应变片敏感栅电阻变化而产生附加应变温度变化引起应变片敏感栅电阻变化而产生附加应变30ppt课件ch2 力传感器力传感器传感器与测试技术传感器与测试技术EXITR1R3R2R4M电桥电桥加减特性的应用加减特性的应用2-2-提高灵敏度提高灵敏度31ppt课件ch2 力传感器力传感器传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT 2 2、交流电桥、交流电桥平衡条件平衡条件3241ZZZZ32ppt课件ch2 力传感器力传感器传感器与测试技术传感器与测试技

25、术EXIT不同的交流电桥RRRR4213CRCR4213RRRR4213RLRL2431说明：说明：加减特性对交流电桥形式也完全适用。加减特性对交流电桥形式也完全适用。33ppt课件ch2 力传感器力传感器传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT动态电阻应变仪中电桥的阻容调节动态电阻应变仪中电桥的阻容调节电阻应变仪电阻应变仪 电阻应变片的电阻变化很小。测量电桥的输出信号也很小电阻应变片的电阻变化很小。测量电桥的输出信号也很小（教材（教材P39P39），），不足以推动显示和记录装置，因此需将电桥的输出信号用一个高增益的放大不足以推动显示和记录装置，因此需将电桥的输出信号用一个高增益的放大器进行放

26、大，以便推动显示或记录装置，用于完成这一任务的仪器称应变仪。器进行放大，以便推动显示或记录装置，用于完成这一任务的仪器称应变仪。在测量前，应将电桥调平。但由于在测量前，应将电桥调平。但由于接入电桥的每个应变片不可能绝对相同，接入电桥的每个应变片不可能绝对相同，各桥臂的连接导线及接触电阻也不可能各桥臂的连接导线及接触电阻也不可能完全一样，因而需设置电阻平衡装置；完全一样，因而需设置电阻平衡装置；对于交流电桥，还须设置电容平衡对于交流电桥，还须设置电容平衡装置，以消除应变片线栅及接线分布电装置，以消除应变片线栅及接线分布电容的影响。容的影响。34ppt课件ch2 力传感器力传感器传感器与测试技术传

27、感器与测试技术EXIT35ppt课件ch2 力传感器力传感器传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT36ppt课件ch2 力传感器力传感器传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT 电桥：电桥：测测20-200Hz20-200Hz应变力，输出应变力，输出调幅调制波调幅调制波；放大器：将电桥输出的调幅波放大；放大器：将电桥输出的调幅波放大；振荡器：产生等幅正弦波提供电桥电压和相敏检波振荡器：产生等幅正弦波提供电桥电压和相敏检波 器参考电压；器参考电压；相敏检波器：如果应变有拉应变和压应变，可通相敏检波器：如果应变有拉应变和压应变，可通 过相敏检波电路区分双相信号；过相敏检波电路区分双相信号；相移器

28、：相敏检波器的参考信号与被测信号有严相移器：相敏检波器的参考信号与被测信号有严 格的相位关系；格的相位关系；滤波器：为了还原被检测的信号用低通滤波器去滤波器：为了还原被检测的信号用低通滤波器去 掉高频保留低频应变信号。掉高频保留低频应变信号。37ppt课件ch2 力传感器力传感器传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT相敏检波电路相敏检波电路ABCD38ppt课件ch2 力传感器力传感器传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT39ppt课件ch2 力传感器力传感器传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT1 1、温度误差温度误差用作测量应变的金属应变片，希望其阻值仅随应变变化，用作测量应变的金属

29、应变片，希望其阻值仅随应变变化，而不受其它因素的影响。实际上应变片的阻值受环境温度而不受其它因素的影响。实际上应变片的阻值受环境温度(包括包括被测试件的温度被测试件的温度)影响很大。由于环境温度变化引起的电阻变化影响很大。由于环境温度变化引起的电阻变化与试件应变所造成的电阻变化几乎有相同的数量级，从而产生与试件应变所造成的电阻变化几乎有相同的数量级，从而产生很大的测量误差，称为应变片的温度误差，又称热输出。很大的测量误差，称为应变片的温度误差，又称热输出。因环境温度改变而引起电阻变化的两个主要因素：因环境温度改变而引起电阻变化的两个主要因素：应变片的电阻丝应变片的电阻丝(敏感栅敏感栅)具有一定

30、温度系数；具有一定温度系数；电阻丝材料与测试材料的线膨胀系数不同。电阻丝材料与测试材料的线膨胀系数不同。五、应变片的温度误差及其补偿五、应变片的温度误差及其补偿t)RR(tSRR21)(40ppt课件ch2 力传感器力传感器传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT因此，由温度变化引起的总的相对电阻增量为因此，由温度变化引起的总的相对电阻增量为 或或 tRRRRRR)()()(tS)(21tSRR21t可见：由于温度变化而引起附加电阻变化或造成了虚假应变，可见：由于温度变化而引起附加电阻变化或造成了虚假应变，从而给测量带来误差。从而给测量带来误差。常用的温度补偿方法有三种：常用的温度补偿方法有三

31、种：桥路补偿法、应变片的自补偿、热敏电阻。桥路补偿法、应变片的自补偿、热敏电阻。41ppt课件ch2 力传感器力传感器传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT 工作片工作片R R1 1粘贴在试件上需要测量应变的地方，补偿片粘贴在试件上需要测量应变的地方，补偿片R R粘贴在一块不受力的与试件相同材料上。粘贴在一块不受力的与试件相同材料上。采用原理：电桥的相邻相减原则。采用原理：电桥的相邻相减原则。桥路补偿法桥路补偿法42ppt课件ch2 力传感器力传感器传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT根据被测试件承受应变的情况，可以不另加专门的补偿块，根据被测试件承受应变的情况，可以不另加专门的补偿块，

32、而是将补偿片贴在被测试件上，这样既能起到温度补偿作用，又而是将补偿片贴在被测试件上，这样既能起到温度补偿作用，又能提高输出的灵敏度，如图所示的贴法。能提高输出的灵敏度，如图所示的贴法。R1R2FFR1R2（b）（a）F构件受弯构件受弯曲应力曲应力构件受单构件受单向应力向应力43ppt课件ch2 力传感器力传感器传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT应变片自补偿法应变片自补偿法 粘贴在被测部位上的是一种特殊应变片，当温度变化时，产生的附加粘贴在被测部位上的是一种特殊应变片，当温度变化时，产生的附加应变为零或相互抵消，这种特殊应变片称为温度自补偿应变片。应变为零或相互抵消，这种特殊应变片称为温度

33、自补偿应变片。选择应变片时，若应变片的敏感栅是用单一的合金丝制成，并使选择应变片时，若应变片的敏感栅是用单一的合金丝制成，并使其电其电阻温度系数阻温度系数和线膨胀系数和线膨胀系数满足上式的条件，满足上式的条件，即可实现温度自补偿。具即可实现温度自补偿。具有这种敏感栅的应变片称为单丝自补偿应变片。有这种敏感栅的应变片称为单丝自补偿应变片。必须在具有一定线膨胀系数材料的试件上使用。必须在具有一定线膨胀系数材料的试件上使用。单丝自补偿应变片单丝自补偿应变片若使应变片在温度变化若使应变片在温度变化t时的热输出值为零，必须使时的热输出值为零，必须使即即0getKegtKtg44ppt课件ch2 力传感器

34、力传感器传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT焊点RaRb双金属敏感栅自补偿应变片双金属敏感栅自补偿应变片 这种应变片也称组合式自补这种应变片也称组合式自补偿应变片。这是利用两种电阻丝偿应变片。这是利用两种电阻丝材料的电阻温度系数不同材料的电阻温度系数不同(一个一个为正，一个为负为正，一个为负)的特性，将二的特性，将二者串联绕制成敏感栅。随温度变者串联绕制成敏感栅。随温度变化而产生的电阻增量大小相等，化而产生的电阻增量大小相等，符号相反。符号相反。45ppt课件ch2 力传感器力传感器传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT 如图所示，热敏电阻如图所示，热敏电阻R Rt t与应变与应变片处在

35、相同的温度下，当应变片片处在相同的温度下，当应变片的灵敏度随温度升高而下降时，的灵敏度随温度升高而下降时，热敏电阻热敏电阻R Rt t的阻值下降，使电桥的阻值下降，使电桥的输入电压随温度升高而增加，的输入电压随温度升高而增加，从而提高电桥输出电压。选择分从而提高电桥输出电压。选择分流电阻流电阻R R5 5的值，可以使应变片灵的值，可以使应变片灵敏度下降对电桥输出的影响得到敏度下降对电桥输出的影响得到很好的补偿。很好的补偿。USCR2R4R1R3ERtR5热敏电阻补偿法热敏电阻补偿法46ppt课件ch2 力传感器力传感器传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT1 1）将应变片粘贴于被测构件上，直

36、接用来测定构件的应变和应力。将应变片粘贴于被测构件上，直接用来测定构件的应变和应力。例如，例如，为了研究或验证机械、桥梁、建筑等某些构件在工作状态下的应力、变形为了研究或验证机械、桥梁、建筑等某些构件在工作状态下的应力、变形情况，可利用形状不同的应变片，粘贴在构件的预测部位，可测得构件的情况，可利用形状不同的应变片，粘贴在构件的预测部位，可测得构件的拉、压应力、扭矩或弯矩等，从而为结构设计、应力校核或构件破坏的预拉、压应力、扭矩或弯矩等，从而为结构设计、应力校核或构件破坏的预测等提供可靠的实验数据。测等提供可靠的实验数据。2 2）将应变片贴于弹性元件上，与弹性元件一起构成应变式传感器将应变片贴

37、于弹性元件上，与弹性元件一起构成应变式传感器。这种。这种传感器常用来测量力、位移、加速度等物理参数。在这种情况下，弹性元传感器常用来测量力、位移、加速度等物理参数。在这种情况下，弹性元件将被测物理量转换为成正比变化的应变，再通过应变片转换为电阻变化件将被测物理量转换为成正比变化的应变，再通过应变片转换为电阻变化输出。输出。电阻应变式传感器的应用主要体现在以下两个方面：电阻应变式传感器的应用主要体现在以下两个方面：六、六、应变式传感器应用应变式传感器应用47ppt课件ch2 力传感器力传感器传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT案例：案例：桥梁固有频率测量桥梁固有频率测量48ppt课件ch2

38、力传感器力传感器传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT49ppt课件ch2 力传感器力传感器传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT上海卢浦大桥通车应变试验上海卢浦大桥通车应变试验50ppt课件ch2 力传感器力传感器传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT打桩船吊塔打桩船吊塔 强度试验强度试验51ppt课件ch2 力传感器力传感器传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT52ppt课件ch2 力传感器力传感器传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT 金属应变片，除了测定试件应力、应变外，还制造成多种应金属应变片，除了测定试件应力、应变外，还制造成多种应变式传感器用来测定力、扭矩、加速度、压力

39、等其它物理量。变式传感器用来测定力、扭矩、加速度、压力等其它物理量。应变式传感器包括两个部分：一是应变式传感器包括两个部分：一是弹性敏感元件弹性敏感元件，利用它将，利用它将被测物理量（如力、扭矩、加速度、压力等）转换为弹性体的应被测物理量（如力、扭矩、加速度、压力等）转换为弹性体的应变值；另一个是变值；另一个是应变片应变片作为转换元件将应变转换为电阻的变化。作为转换元件将应变转换为电阻的变化。u柱式柱式力传感器力传感器u梁式梁式力传感器力传感器u应变式应变式压力传感器压力传感器u应变式应变式加速度传感器加速度传感器53ppt课件ch2 力传感器力传感器传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT(

40、1)(1)54ppt课件ch2 力传感器力传感器传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT55ppt课件ch2 力传感器力传感器传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT 56ppt课件ch2 力传感器力传感器传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT(2)(2)悬臂梁式传感器是一种高精度、性能优良的秤重测力传感器，采用弹悬臂梁式传感器是一种高精度、性能优良的秤重测力传感器，采用弹性梁和应变片作转换元件。当力作用在弹性元件（梁）上时，金属与应变性梁和应变片作转换元件。当力作用在弹性元件（梁）上时，金属与应变片一起变形使应变片的电阻变化。片一起变形使应变片的电阻变化。悬臂梁主要有两种形式：等截面梁、等

41、强度梁。悬臂梁主要有两种形式：等截面梁、等强度梁。（a a）等截面梁）等截面梁（b）等强度梁）等强度梁 57ppt课件ch2 力传感器力传感器传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT梁的形式较多，如平行双孔梁、工字梁、梁的形式较多，如平行双孔梁、工字梁、S S型拉力梁等。型拉力梁等。58ppt课件ch2 力传感器力传感器传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT各种平行双孔梁各种平行双孔梁59ppt课件ch2 力传感器力传感器传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT案例：案例：电子称电子称原理将物品重量通过悬臂梁转化结构变形再通过应变片转化为电量输出。60ppt课件ch2 力传感器力传感器传感器

42、与测试技术传感器与测试技术EXIT61ppt课件ch2 力传感器力传感器传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT应变式压力传感器应变式压力传感器 测量气体或液体压力测量气体或液体压力的薄板式传感器。当气体或液体压力的薄板式传感器。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。这时测量电路中电桥平衡被破变片随之变形，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。坏，产生输出电压。P（b）（a）应变式压力传感器应变式压力传感器应变片62ppt课件ch2 力传感器力传感器传感器与测试技术传感

43、器与测试技术EXIT应变式加速度传感器应变式加速度传感器 由端部固定并带有惯性质量块由端部固定并带有惯性质量块m m的悬臂梁及贴在梁根部的应变的悬臂梁及贴在梁根部的应变片、基座及外壳等组成。是一种惯性式传感器。片、基座及外壳等组成。是一种惯性式传感器。L应变片质量块m弹簧片外壳基座a应变式加速度传感器应变式加速度传感器当被测点的加速度沿图中箭头所当被测点的加速度沿图中箭头所示方向时，悬臂梁自由端受惯性示方向时，悬臂梁自由端受惯性力力F=maF=ma的作用，使梁发生弯曲变的作用，使梁发生弯曲变形，应变片电阻也发生变化，产形，应变片电阻也发生变化，产生输出信号，输出信号大小与加生输出信号，输出信号

44、大小与加速度成正比。速度成正比。63ppt课件ch2 力传感器力传感器传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT案例：案例：振动式地音入侵探测器振动式地音入侵探测器 适合于金库、仓库、古建筑的防范，挖墙、打适合于金库、仓库、古建筑的防范，挖墙、打洞、爆破等破坏行为均可及时发现。洞、爆破等破坏行为均可及时发现。64ppt课件ch2 力传感器力传感器传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT 灵敏度高、动态响应好、灵敏度高、动态响应好、精度高、易于微型化和集成化等。精度高、易于微型化和集成化等。利用硅的压阻效应和微电子技术制成的，是一种物性型利用硅的压阻效应和微电子技术制成的，是一种物性型传感器。传感

45、器。65ppt课件ch2 力传感器力传感器传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT测量系统测量系统 P P 高压腔高压腔空气空气硅膜片硅膜片低压腔低压腔硅杯硅杯66ppt课件ch2 力传感器力传感器传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT67ppt课件ch2 力传感器力传感器传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT用硅压力传感器测量机翼气流压力分布，发动机进用硅压力传感器测量机翼气流压力分布，发动机进 气口处的动压畸变。气口处的动压畸变。将将10m10m厚的硅膜片注射到生物体内，可做体内压厚的硅膜片注射到生物体内，可做体内压 力测量，插入心脏导管内测量心血管，以及颅内、力测量，插入心脏导管内测

46、量心血管，以及颅内、眼球内压力。眼球内压力。测量爆炸压力和冲击波，测量枪炮腔内压力。测量爆炸压力和冲击波，测量枪炮腔内压力。压阻式传感器所需电流小，在可燃体和气体许可值压阻式传感器所需电流小，在可燃体和气体许可值 以下，是理想的防爆压力传感器。以下，是理想的防爆压力传感器。68ppt课件ch2 力传感器力传感器传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT第二节第二节 电感式传感器电感式传感器l自感式传感器自感式传感器l差动变压器（互感式）差动变压器（互感式）l电涡流式传感器电涡流式传感器69ppt课件ch2 力传感器力传感器传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT优点：优点：结构简单、可靠，测量力

47、小结构简单、可靠，测量力小衔铁为衔铁为0.50.52002001010-4-4N N时，磁吸力为时，磁吸力为(110)1010-4-4N N。分辨力高分辨力高机械位移：机械位移：0.1m0.1m，甚至更小；角位移：，甚至更小；角位移：0.10.1角秒。角秒。输出信号强，电压灵敏度可达数百输出信号强，电压灵敏度可达数百mV/mm mV/mm。重复性好，线性度优良重复性好，线性度优良在几十在几十mm到数百到数百mmmm的位移范围内，输出特性的线性度较好，且比的位移范围内，输出特性的线性度较好，且比较稳定。较稳定。不足：不足：存在交流零位信号，不宜于高频动态测量。存在交流零位信号，不宜于高频动态测量

48、。70ppt课件ch2 力传感器力传感器传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT 2002AWL 1 1、工作原理、工作原理:电磁感应电磁感应变气隙式变气隙式变面积式变面积式螺管式螺管式变导磁面积式一、自感式传感器一、自感式传感器有气隙型和螺管型两种结构。有气隙型和螺管型两种结构。（一）气隙型自感传感器（一）气隙型自感传感器变气隙式(xLU I位 移、流 量、振 动）（自 感）（）71ppt课件ch2 力传感器力传感器传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT当线圈通以电流当线圈通以电流i i时，产生磁通，其时，产生磁通，其大小与电流成正比，即：大小与电流成正比，即：Lim W式中：式中：W W

49、为线圈匝数；为线圈匝数；L L为自感。为自感。根据磁路欧姆定律：根据磁路欧姆定律：RmWim 由这两式得：由这两式得：RmWL2 磁磁路总磁阻为：路总磁阻为：002AAlRm 考虑到导磁体磁阻远比考虑到导磁体磁阻远比气隙磁阻小，可以忽略气隙磁阻小，可以忽略不计，故不计，故002ARm 则得：则得：2W002AL 72ppt课件ch2 力传感器力传感器传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT电感传感器的基本工作电感传感器的基本工作原理演示原理演示F F220V准备工作准备工作73ppt课件ch2 力传感器力传感器传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT电感传感器的基本工作电感传感器的基本工作原理

50、演示原理演示气隙变小，电感变大，电流变小气隙变小，电感变大，电流变小F F74ppt课件ch2 力传感器力传感器传感器与测试技术传感器与测试技术EXIT灵敏度灵敏度：常数常数 1 1）变气隙式变气隙式变气隙式传感器的输出特性是非线性的变气隙式传感器的输出特性是非线性的，愈小，灵敏度愈小，灵敏度愈高。为了减小非线性误差，通常规定愈高。为了减小非线性误差，通常规定在较小的范围内工作。在较小的范围内工作。当当S S0 0固定不变，变化固定不变，变化时，时，L L 与与呈非呈非线性（双曲线）关系。线性（双曲线）关系。实际应用中，一般取实际应用中，一般取 。这种传感器。这种传感器适用于较小适用于较小位移