第2章 应变式传感器及其应用

主编刘伟电子工业出版社传感器原理及应用技术（第2版）高等职业教育电子信息类贯通制教材（机电技术专业）第2章应变式传感器及其应用2.1弹性敏感元件2.2应变式电阻传感器原理及测量电路2.3应变式电阻传感器的使用注意事项2.4应变式电阻荷重传感器2.5应变式电阻加速度传感器2.6扩散硅压力传感器小结2.1弹性敏感元件2.1.1弹性敏感元件的特性参数2.1.2弹性敏感元件的分类2.1.1弹性敏感元件的特性参数刚度刚度是弹性敏感元件在外力作用下变形大小的量度，一般用表示，即式中，为作用在弹性敏感元件上的外力；为弹性敏感元件的变形量。灵敏度灵敏度是指弹性敏感元件在单位力的作用下产生变形的大小，它为刚度的倒数，用S表示。弹性滞后弹性后效固有频率dxdFK2.1.2弹性敏感元件的分类1.变换力的弹性敏感元件变换力的弹性敏感元件大都采用等截面柱式、等截面薄板、悬臂梁及轴状等结构。2.变换压力的弹性敏感元件弹簧管弹性敏感元件波纹管弹性敏感元件薄壁圆筒弹性敏感元件2.2应变式电阻传感器原理及测量电路2.2.1电阻应变片的结构及工作原理2.2.2测量电路2.2.1电阻应变片的结构及工作原理应变效应导体或半导体在受到外力作用变形时，其电阻值也将随之变化，这种现象称为“应变效应”。设有一金属导体，长度为，截面积为，电阻率为，则该导体的电阻为：ALR2.2.2测量电路在应变式电阻传感器中最常用的转换电路是桥式电路。按电源的性质不同，桥式电路可分为交流电桥和直流电桥两类。在大多数情况下，采用的是直流电桥电路。UiUOR1R4R2R31.双臂半桥形式电桥电路)(44212211KURRRRUUiio2.单臂半桥形式电桥电路3.全桥式电桥电路11144KURRUUiio)(44321KUUio2.3应变式电阻传感器的使用注意事项2.3.1应变片的粘贴2.3.2实际应用中电桥的调零电路2.3.3传感器的温度补偿2.3.1应变片的粘贴（1）黏合剂种类的选用（2）试件的表面处理（3）贴片位置的确定（4）应变片的粘贴（5）固化（6）粘贴质量的检查（7）引线的焊接与防护2.3.2实际应用中电桥的调零电路即使是相同型号的电阻应变片，其阻值也有细小的差别，因此在测量前，电桥的四个桥臂电阻不完全相等，桥路可能不平衡（即有电压输出），这必然会造成测量误差。针对这种情况，在应变式电阻传感器的实际应用中，总是采用在原基本电路之上加调零电路，尽量减小测量误差。2.3.3传感器的温度补偿在应变式电阻传感器的实际应用中，如果不采取一些措施，温度变化对传感器输出值的影响比较大，将产生较大的测量误差。减小、消除这种误差，或对它进行修正，以求出仅由应变引起的电桥输出的措施，称为温度补偿。在应变式电阻传感器中常采用桥路自补偿法。当桥路是双臂半桥或全桥形式时，电桥相邻两臂的电阻随温度变化的幅度和方向均相同，相互抵消，从而达到桥路温度自补偿的目的。这种补偿方式就称为桥路自补偿法。2.4应变式电阻荷重传感器2.4.1应变式电阻荷重传感器2.4.2电阻应变式荷重传感器在电子衡器中的应用2.4.1应变式电阻荷重传感器应变式电阻荷重传感器是一种用于测力和称重等方面的传感器。钢制圆筒在受到沿轴向的挤压力时，会产生轴向压应变和径向拉应变。实际应用中，荷重传感器的铭牌上均标出灵敏度，以及满量程，并把荷重传感器的灵敏度定义为a)外形图b)内部图c)圆柱展开图图2-4荷重传感器a)VF=2KmV/=100×mF3N310Fb)c)FεεεεBomFUUK2.4.2电阻应变式荷重传感器在电子衡器中的应用传感器在电子秤中的应用荷重传感器在电子汽车秤中的应用传感器在动态电子汽车秤中的应用2.5应变式电阻加速度传感器由牛顿第二定律可知，物体的加速度与其质量的乘积就是作用在物体上的力F。因此要检测物体的加速度，可以通过测量其所受的力来获得。应变式电阻加速度传感器就是利用这个原理来测量物体的加速度的。a)b)δ14()()322.6扩散硅压力传感器半导体受力时，其电阻率会随应力的变化而变化，这种现象称做压阻效应。压阻式传感器就是利用半导体的压阻效应和集成电路工艺制成的传感器。由于它的核心部分是一块方形的单晶硅膜片，并在硅膜片上扩散出由四个阻值相等的电阻组成的惠斯登电桥，因此这种传感器也被称为扩散硅型传感器。图2-8扩散硅压力传感器1--引出线2--电极3--扩散电阻引线4--扩散型应变片5--单晶硅膜片6--硅杯7--玻璃粘接剂8--玻璃基板211423图2-8扩散硅压力传感器1--引出线2--电极3--扩散电阻引线4--扩散型应变片5--单晶硅膜片6--硅杯7--玻璃粘接剂8--玻璃基板211423扩散硅在汽车上的应用在汽车电喷发动机中采用进气压力传感器来检测进气量,称为D型喷射系统（速度密度型）小结应变式电阻传感器的工作原理为电阻应变效应，金属电阻应变片主要是由于导体的长度和半径发生改变而引起电阻变化，半导体电阻应变片是由于其电阻率发生变化而引起电阻变化（即压阻效应）。应变式电阻传感器采用桥式测量转换电路，一般采用全桥形式，其输出电压为：全桥形式具有温度自补偿功能。应变式电阻传感器广泛应用在力、加速度等有关物理量的测量中；扩散硅压力传感器应用在测量气体和液位的压力中。)(44321KUUio