第4章+应变式传感器(改)

第4章应变式传感器第4章应变式传感器基本描述——利用电阻应变片将应变转换为电阻变化的传感器主要用途——测量力、力矩、压力、加速度、重量等本章内容工作原理及性能了解传感器结构、种类掌握测量电路以及补偿方法了解应变式传感器的应用第4章应变式传感器概述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0.01—0.1%。有拉压式（柱、筒、环元件）、弯曲式、剪切式。应变式传感器特征：不同材料类型:金属应变片、半导体应变片应用范围:应变力、压力、转矩、位移、加速度；主要优点:使用简单、精度高、范围大体积小。第4章应变式传感器各种电子秤广泛应用于－第4章应变式传感器概述高精度电子汽车衡动态电子秤电子天平第4章应变式传感器概述机械秤包装机吊秤第4章应变式传感器电阻应变片——金属材料和半导体材料4.1应变式传感器的工作原理第4章应变式传感器电阻式传感器的基本原理：将被测物理量的变化转换成电阻值的变化,再经相应的测量电路显示或记录被测量值的变化。种类繁多、应用广泛。电阻应变式传感器是基于测量物体受力变形所产生应变的一种传感器,最常用的传感元件为电阻应变片。应用范围：用于位移、加速度、力、压力、力矩等各种参数测量。4.1应变式传感器的工作原理第4章应变式传感器电阻应变式传感器特点：①精度高、测量范围广；②使用寿命长、性能稳定可靠；③结构简单，体积小、重量轻；④频率响应较好，既可用于静态测量又可用于动态测量；⑤价格低廉，品种多样，便于选择和大量使用。4.1应变式传感器的工作原理第4章应变式传感器对于金属材料电阻应变效应——金属导体在外力作用下发生机械形变时,其阻值随着所受机械变形(伸长或缩短)的变化而发生变化的现象。对于半导体材料压阻效应——半导体材料在受到外力作用时,其电阻率发生变化的现象。4.1应变式传感器的工作原理第4章应变式传感器1、应力stress物体由于外因（载荷、温度变化等）而变形时，在它内部任一截面的两方出现的相互作用力，称为“内力”。内力的集度，即单位面积上的内力称为“应力”。应力可分解为垂直于截面的分量，称为“正应力”或“法向应力”（用符号σ表示）；相切于截面的分量称为“剪应力或切应力”（用符号τ表示）。应力的单位为Pa。应力是反映物体一点处受力程度的力学量.在外力作用下物体内部产生分布内力，物体由于外因(受力、湿度变化等)而变形时，在物体内各部分之间产生相互作用的内力，以抵抗这种外因的作用，并力图使物体从变形后的位置回复到变形前的位置。第4章应变式传感器在所考察的截面某一点单位面积上的内力称为应力。同截面垂直的称为正应力或法向应力，同截面相切的称为剪应力或切应力。应力会随着外力的增加而增长，对于某一种材料，应力的增长是有限度的，超过这一限度，材料就要破坏。对某种材料来说，应力可能达到的这个限度称为该种材料的极限应力。极限应力值要通过材料的力学试验来测定。将测定的极限应力作适当降低，规定出材料能安全工作的应力最大值，这就是许用应力。材料要想安全使用，在使用时其内的应力应低于它的极限应力，否则材料就会在使用时发生破坏。第4章应变式传感器2、应变strain应变又称“相对变形”。物体由于外因(载荷、温度变化等）使它的几何形状和尺寸发生相对改变的物理量。物体某线段单位长度内的形变（伸长或缩短），即线段长度的改变与线段原长之比，称为“正应变”或“线应变”，用符号ε表示；两相交线段所夹角度的改变，称为“切应变”或“角应变”，用符号γ表示。在变形前为六面体形状的单元体，其形变可分解为六个独立的分量，故应变也有六个独立的分量即三个线应变分量（εx、εy、εz）和三个角应变分量(γx、γy、γz）。变形后单元体积元素的改变值与原单元体积的比值称为“体积应变”第4章应变式传感器4.1应变式传感器的工作原理SLRSSLLRR222LLrrSSLL)21(RR求R的全微分对于金属和半导体材料，上两项的不同？图4-1金属丝应变效应电阻丝的电阻R为第4章应变式传感器4.1应变式传感器的工作原理电阻变化电阻丝几何尺寸变化引起的电阻丝电阻率变化引起的1.对于金属材料,电阻率几乎不变2.对于半导体材料,压阻效应为主电阻应变效应压阻效应第4章应变式传感器定义：电阻丝的灵敏度系数K——表示单位应变所引起的电阻相对变化。•金属材料取值为2左右，常数•半导体材料取值为50~100之间，易受温度影响。4.1应变式传感器的工作原理第4章应变式传感器4.2电阻应变片的特性(1)种类及结构(2)电阻应变片性能参数(3)灵敏系数(4)横向效应(5)应变片的温度误差及补偿第4章应变式传感器(1)种类及结构种类：丝式、箔式、半导体式和薄膜式电阻应变片。薄膜式应变片是今后发展的方向第4章应变式传感器丝式应变片：金属电阻应变片的典型结构。将一根高电阻率金属丝(直径0.025mm左右)绕成栅形,粘贴在绝缘的基片和覆盖层之间并引出导线构成。4-2？栅形结构为了获得大的电阻变化量种类及结构——丝式第4章应变式传感器丝式应变片制作简单、性能稳定、成本低、易粘贴。分为丝绕式和短接式。丝绕式应变片因圆弧部分参与变形,横向效应较大；短接式应变片敏感栅平行排列,两端用直径比栅线直径大5~10被的镀银丝短接而成,克服了横向效应。种类及结构——丝式第4章应变式传感器1）敏感栅直径为0.025mm左右的合金电阻丝丝绕式丝绕式2）基底绝缘3）覆盖层保护4）引线与外电路相连外力作用被测对象表面产生微小机械变形应变片敏感栅随同变形电阻值发生相应变化应变片第4章应变式传感器箔式应变片：利用照相制版或光刻技术,将厚度约为0.003~0.01mm的金属箔片制成敏感栅。种类及结构——箔式第4章应变式传感器箔式应变片优点:①可制成多种复杂形状、尺寸准确的敏感栅,适应不同的测量要求。②横向效应小③散热条件好,允许电流大,提高了输出灵敏度④生产效率高,便于实现自动化生产目前使用的金属应变片大多是金属箔式应变片。种类及结构——箔式第4章应变式传感器半导体应变片特性与金属应变片相比较优点：①灵敏度高；②横向效应小、体积小、频响高；③易于集成缺点：①温度稳定性能差；②灵敏度分散度大；③在较大应力作用下,非线性误差大。④机械强度低种类及结构——半导体式第4章应变式传感器1)电阻值：应变片原始阻值——标准化,120常用。2)几何参数：敏感栅基长和宽度b,制造厂常用3)灵敏系数k：表示应变片变换性能的重要参数。4)绝缘电阻：应变片与试件间的阻值,越大越好,一般为10105)其他性能参数(允许电流、工作温度、应变极限、滞后、蠕变、零漂以及疲劳寿命、横向灵敏度等)(2)电阻应变片性能参数llb第4章应变式传感器(3)灵敏系数K定义K=(ΔR/R)/εx为应变片的灵敏系数。它表示安装在被测试件上的应变在其轴向受到单向应力时,引起的电阻相对变化(ΔR/R)与其单向应力引起的试件表面轴向应变(εx)之比。注：应变片的灵敏系数并不等于其敏感栅整长应变丝的灵敏系数，这是因为栅端圆弧部分存在横向效应。——电阻丝轴向相对变形，或称纵向应变,电阻——电阻丝径向相对变形，或称横向应变，电阻第4章应变式传感器(4)横向效应4-3横向效应——栅状结构敏感栅的电阻变化一定小于纯直线敏感栅的电阻变化的现象。产生原因：①应变片的纵向应变与测量的形变方向一致；②圆弧部分产生了一个负的电阻变化降低了应变片的灵敏度系数必须采取措施减小横向效应的影响(改进结构等)第4章应变式传感器(5)应变片的温度误差及补偿温度误差——由于测量现场环境温度的改变而给测量带来的附加误差(1)电阻温度效应(2)试件材料和电阻丝材料的线膨胀系数的影响(3)温度系数和线膨胀系数引起的虚应变)1(00tRRttRRRRt000当温度变化时t第4章应变式传感器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+αΔt）式中:Rt——温度为t℃时的电阻值;R0——温度为t0℃时的电阻值;α——金属丝的电阻温度系数;Δt——温度变化值,Δt=t-t0。（1)电阻温度系数的影响当温度变化Δt时,电阻丝电阻的变化值为ΔRt=Rt-R0=R0αΔt（1）第4章应变式传感器(5)应变片的温度误差及补偿(2)试件材料和电阻丝材料的线膨胀系数的影响设：电阻丝和试件温度0℃时的长度为L0，温度变化后的长度分别为：tLLLLLSgSg)(00tRKRKRSg)(0000)1(0tLLSS)1(0tLLggtLLLLsgsg0)(tKtRRRRRSgt)(0000tKKRRsgt)(00000电阻丝试件附加应变附加电阻变化相对变化总量)(0sgK对应虚应变应变片粘贴后的当量温度系数第4章应变式传感器1.自补偿法1)选择单丝自补偿——敏感栅材料与试件材料2)组合式自补偿(5)电阻应变片的温度补偿方法第4章应变式传感器tKKRRsgt)(00000当被测试件的线膨胀系数βg已知时,如果合理选择敏感栅材料,即选择其电阻温度系数α0、灵敏系数K0和线膨胀系数βs,使式α0/K0+(βg-βs)=0成立,则不论温度如何变化,均有ΔRt/R0=0,从而达到温度自补偿的目的。(5)电阻应变片的温度补偿方法1)选择自补偿——利用自身具有温度自补偿作用应变片0)(0tKtsgt)(0sgK第4章应变式传感器U0R1R4R3URbFFR1（工作应变片）Rb（补偿应变片）R1+⊿RRb+⊿RU0R1＋⊿RR4R3URb+⊿R2.桥路补偿法——利用电桥的和差特性。在不受力的试件上粘贴另一个应变片第4章应变式传感器(5)电阻应变片的温度补偿方法初始状态Uo=A（R1R4-RBR3）=0温度变化后Uo=A［（R1+ΔR1t）R4-(RB+ΔRBt)R3］=0承受应变后Uo=A［（R1+ΔR1t+ΔR1）R4-(RB+ΔRBt)R3］=AΔR1R4=AR1R4KεR1=RBR3=R4第4章应变式传感器由上式可知,电桥的输出电压Uo仅与被测试件的应变ε有关,而与环境温度无关。注意：若实现完全补偿,上述分析过程必须满足四个条件:①在应变片工作过程中,保证R3=R4。②R1和RB两个应变片应具有相同的电阻温度系数α,线膨胀系数β,应变灵敏度系数K和初始电阻值R0。③粘贴补偿片的补偿块材料和粘贴工作片的被测试件材料必须一样,两者线膨胀系数相同。④两应变片应处于同一温度场。第4章应变式传感器TK（电桥灵敏度）RtUiR1＋⊿RR4R3U0R2RtR5分流电阻UURtU=Ui-URtK(5)电阻应变片的温度补偿方法3.热敏电阻补偿法——热敏电阻适当分压热敏电阻阻值随温度变化而变化，使其分压与温度变化引起输出变化方向相反(选择具有负温度系数的热敏电阻)第4章应变式传感器4.3电阻应变片的测量电路(1)直流电桥①单臂电路②半桥电路③全桥电路(2)交流电桥①单臂电路②半桥电路③全桥电路第4章应变式传感器电阻应变片将应变转换为电阻的变化量,测量电路将电阻的变化再转换为电压或电流信号,最终实现被测量的测量。1.测量电桥电桥按其电源性质的不同可分为直流电桥和交流电桥。直流电桥只能测量电阻,而交流电桥可用于测量电阻、电感和电容的变化。4.3电阻应变片的测量电路第4章应变式传感器直流电桥的工作原理输出平衡条件工作时，各桥臂阻值发生变化,则输出电桥灵敏度定义为：实际使用中,为了简化桥路设计,同时也为了得到电桥的最大灵敏度,通常R1=R2=R3=R4=Rx。即为等臂电桥。00UxxoURRUK4.3电阻应变片的测量电路第4章应变式传感器前提由于U’