第3章应变传感器

传感器原理及应用第3章应变式传感器传感器原理及应用第3章应变式传感器主要内容1.电阻应变片原理2.金属应变片的主要特性3.应变片测量电路4.应变式传感器的应用传感器原理及应用第3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。传感器原理及应用第3章应变式传感器概述各种电子秤广泛应用于－传感器原理及应用第3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传感器原理及应用第3章应变式传感器概述机械秤包装机吊秤传感器原理及应用第3章应变式传感器3.1电阻应变片原理（1）应变效应金属应变片结构：网状敏感栅——高阻金属丝、金属箔基片——绝缘材料盖片——保护层传感器原理及应用第3章应变式传感器3.1电阻应变片原理（1）应变效应1—敏感元件2、4—基底3—引线应变片组成应变片结构传感器原理及应用第3章应变式传感器3.1电阻应变片原理（1）应变效应箔式应变片结构传感器原理及应用第3章应变式传感器3.1电阻应变片原理（1）应变效应金属电阻应变片的基本原理基于电阻应变效应：即，导体产生机械形变时它的电阻值发生变化。一根长L，截面积为S，电阻率为ρ的金属丝电阻为:当电阻丝受到轴向拉力F作用时，电阻值ΔR的变化引起电阻的相对变化为:RlSRlS传感器原理及应用第3章应变式传感器3.1电阻应变片原理（1）应变效应对于金属电阻丝σ=EεΔR/R=Kε可见σ∝ε应变ε∝ΔR/R应力σ∝ΔR/R•通过弹性敏感元件，将位移、压力、振动等物理量转换为应变进行测量，这是应变式传感器测量应变应力的基本原理。传感器原理及应用第3章应变式传感器3.1电阻应变片原理（3）应变片种类•按材料分：金属式：体型(丝式、箔式)、薄膜型半导体式：体型、薄膜型、扩散型、外延型、PN结型•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、水下传感器原理及应用第3章应变式传感器3.1电阻应变片原理（3）应变片种类各种金属箔式应变片体型半导体电阻应变片传感器原理及应用第3章应变式传感器3.2金属应变片的主要特性（1）应变片的灵敏系数金属丝做成应变片后电阻应变特性与单根金属丝不同；实验证明，应变片灵敏系数KK0电阻丝灵敏系数，产品的灵敏系数称“标称灵敏系数”。被测体应变片ＦＦ传感器原理及应用第3章应变式传感器直线电阻丝绕成敏感栅后，虽然长度相同，但应变不同，园弧部分使灵敏系数K↓下降，这种现象称为横向效应。3.2金属应变片的主要特性（2）横向效应传感器原理及应用第3章应变式传感器3.2金属应变片的主要特性（3）应变片温度误差及补偿应变片安装在自由膨胀的试件上，如果环境温度变化，应变片的电阻也会变化，这种变化叠加在测量结果中称应变片温度误差。应变片温度误差来源有两个主要因素：αt——误差应变片本身电阻温度系数影响；βg——试件材料的线膨胀系数影响因环境温度改变引起的附加电阻变化与环境温度变化Δt有关；应变片本身的性能参数K、αt、βs；试件参数βg有关。传感器原理及应用第3章应变式传感器3.2金属应变片的主要特性（4）机械滞后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。产生原因：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；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。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，卸载时的滞后也愈大。所以，通常在实验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。传感器原理及应用第3章应变式传感器3.2金属应变片的主要特性（5）零点漂移和蠕变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。产生原因：敏感栅通电后的温度效应；应变片的内应力逐渐变化；粘结剂固化不充分等。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。一般蠕变的方向与原应变量的方向相反。产生原因：由于胶层之间发生“滑动”，使力传到敏感栅的应变量逐渐减少。这是两项衡量应变片特性对时间稳定性的指标，在长时间测量中其意义更为突出。实际上，蠕变中包含零漂，它是一个特例。传感器原理及应用第3章应变式传感器3.2金属应变片的主要特性（6）应变极限在一定温度下，应变片的指示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10%）时的最大真实应变值。在图中，真实应变是由于工作温度变化或承受机械载荷，在被测试件内产生应力(包括机械应力和热应力)时所引起的表面应变。主要因素：粘结剂和基底材料传递变形的性能及应变片的安装质量。制造与安装应变片时，应选用抗剪强度较高的粘结剂和基底材料。基底和粘结剂的厚度不宜过大，并应经过适当的固化处理，才能获得较高的应变极限。传感器原理及应用第3章应变式传感器3.3电阻应变片测量电路（1）直流电桥①直流电桥的平衡条件负载RL—∞（开路）1423RRRR1234//RRRR电桥平衡时I0=0U0=0对比积相等邻臂比相等433211RRRRRREUo传感器原理及应用第3章应变式传感器3.3电阻应变片测量电路（1）直流电桥设R1为应变片，应变时R1变化量为ΔR1这时电桥失衡，不平衡输出电压为：3101234RRRUERRRRR4311112143(/)(/)(1//)1/RRRRERRRRRR②电压灵敏度传感器原理及应用第3章应变式传感器3.3电阻应变片测量电路（1）直流电桥设桥臂比12/nRR21unkEn电桥灵敏度定义为：11/RR0211nRUERn电桥输出：忽略②电压灵敏度传感器原理及应用第3章应变式传感器讨论：•电桥电压灵敏度Ku越大，应变变化相同情况输出电压越大；•Ku与电桥电源E成正比Ku∝E，但供电受应变片允许功耗限制；•Ku是桥臂比n的函数Ku（n），恰当选择n可提高电压灵敏度Ku。3.3电阻应变片测量电路（1）直流电桥②电压灵敏度传感器原理及应用第3章应变式传感器讨论：•显然n=1R1=R2R3=R4时有Ku最大210udkndndn3.3电阻应变片测量电路（1）直流电桥4uEK•单臂工作片电压灵敏度：104REUR•桥路输出电压：②电压灵敏度传感器原理及应用第3章应变式传感器3.3电阻应变片测量电路（1）直流电桥单桥半桥全桥②电压灵敏度传感器原理及应用第3章应变式传感器3.3电阻应变片测量电路（1）直流电桥等臂电桥n=1时,由上式近似得到：112LRR③非线性误差补偿1'1011(1)(1)RnRUERnnR实际输出值为：'0011011/1/LUURRUnRR非线性误差：传感器原理及应用第3章应变式传感器可见非线性误差与ΔR1/R1成正比为减小非线性误差常采用差动电桥差动电桥：在试件上安装两个工作片，一个受拉、一个受压接在电桥的相邻两个臂，电桥输出为：3110112234RRRUERRRRRR12RRR3.3电阻应变片测量电路（1）直流电桥③非线性误差补偿传感器原理及应用第3章应变式传感器3.3电阻应变片测量电路（1）直流电桥③非线性误差补偿2uEK半桥电压灵敏度为：讨论：•输出电压U0与R1/R1呈线性关系，无非线性误差；•电压灵敏度是单桥的两倍；•具有温度补偿作用。02ERUR电桥输出：传感器原理及应用第3章应变式传感器3.3电阻应变片测量电路（1）直流电桥③非线性误差补偿全桥：将四臂按对臂同性接四个工作片称全桥。若ΔR1=ΔR2=ΔR3=ΔR4101RUER全桥电压输出：uKE全桥电压灵敏度为：传感器原理及应用第3章应变式传感器3.3电阻应变片测量电路（2）交流电桥直流电桥优点：电源稳定电路简单，仍是主要测量电路；缺点：直流放大器较复杂，存在零漂工频干扰。交流电桥优点：放大电路简单无零漂，不受干扰，为特定传感器带来方便；缺点：需专用测量仪器或电路不易取得高精度。传感器原理及应用第3章应变式传感器3.4应变式传感器的应用（1）电阻应变仪按测量应变力的频率可分为静态应变仪和动态应变仪，按应变力频率又可细分为：静态——5Hz；静动态——几百Hz；动态——5KHz；超动态——几十KHz；交流电桥电阻应变仪主要由电桥、振荡器、放大器、相敏检波器、滤波器、转换和显示电路组成。传感器原理及应用第3章应变式传感器3.4应变式传感器的应用（1）电阻应变仪传感器原理及应用第3章应变式传感器3.4应变式传感器的应用（1）电阻应变仪•电桥测20-200Hz应变力输出调幅调制波；•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器参考电压；•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；•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；•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。传感器原理及应用第3章应变式传感器3.4应变式传感器的应用（1）电阻应变仪传感器原理及应用第3章应变式传感器3.4应变式传感器的应用（1）电阻应变仪工作原理交流电桥由振荡器供给高频等幅正弦激励电压源作为载波y(t)，贴在试件上的应变片受力等作用，其电阻变化∆R/R反映试件上的应变的变化。由于电阻R为交流电桥的一桥臂，则电桥有电压输出。作为原信号的(电阻变化∆R/R)，其与高频载波作幅值调制后的调制波，经放大器后幅值将放大为。送入相敏检波器后被解调为原信号波形包络线的高频信号波形，进入低通滤波器后，高频分量被滤掉，则恢复了原来被放大的信号。最后记录器将的波形记录下来，反映了试件应变变化情况，其应变大小及正负都能准确地显示出来。传感器原理及应用第3章应变式传感器3.4应变式传感器的应用（2）力传感器（测力与秤重）力传感器的弹性元件有：柱式、梁式、环式、轮辐式等：①柱式力传感器有空心（筒形）、实心（柱形）在圆筒（柱）上按一定方式粘贴应变片，圆柱（筒）在外力F作用下产生形变，实心圆柱因外力作用产生的应变为：lFlESE式中：L为弹性元件的长度，S为弹性元件的横截面积F外力；σ为应力，σ=F/S；E为弹性模量传感器原理及应用第3章应变式传感器3.4应变式传感器的应用（3）力传感器一般应变片均匀贴在圆柱表面中间部分，R1R2、R3R4串联摆放在两对臂内，当有偏心应力时，一方受拉另一方受压产生相反变化，可减小弯矩的影响。横向粘贴应变片为温度补偿片有提高灵敏度的作用。R=R1=R2=R3=R4，受力方向相同桥路连接图012RUER灵敏度按半桥计算电桥输出为：传感器原理及应用第3章应变式传感器3.4应变式传感器的应用（3）力传感器（测力与秤重）圆柱面展开图传感器原理及应用第3章应变式传感器3.4应变式传感器的应用（3）力传感器（测力与秤重）荷重传感器弹性元件形式传感器原理及应用第3章应变式传感器3.4应变式传感器的应用（3）力传感器（测力与秤重）②悬臂梁式力传感器等截面梁：悬臂梁的横截面积处处相等，所以称等截面梁。当外力F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：式中：是梁上应变片至自由端距离，b、h分别为梁的宽度和梁的厚度。0l传感器原理及应用第3章应变式传感器3.4应变式传感器的应用（3）力传感器（测力与秤重）等强度梁：悬臂梁长度方向的截面积按一定规律变化，是一种特殊形式的悬臂梁。当力作用在自由端时，力距作用点任何截面积上应力相等，应变片的应变大小为：26FlbhE传感器原理及应用第3章应变式传感器3.4应变