94应变式传感器及其应用

1、传感器的概念2、传感器的组成回顾与复习第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力敏元件力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物体在外力作用下改变原来尺寸或形状的现象称为变形。若外力去掉后物体又能完全恢复其原来的尺寸或形状，这种变形称为弹性变形。具有弹性变形特性的物体称为弹性元件。根据弹性元件在传感器中的作用，可以分为两种类型：弹性敏感元件和弹性支承。前者感受力、力矩、压力等被测参数，并通过它将被测量变换为应变、位移等，也就是通过它把被测参数由一种物理状态转换为另一种所需要的物理状态，故称为弹性敏感元件。2.1.1弹性敏感元件的特性参数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。dxdFKFxK弹性敏感元件：是一种在力的作用下产生变形，当力消失后能够恢复原来状态的原件。弹性敏感材料的弹性特性作用在弹性敏感元件上的外力与由该外力所引起的相应变形（应变、位移或转角）之间的关系称为弹性元件的弹性特性。主要特性如下：1.刚度刚度是弹性敏感元件在外力作用下抵抗变形的能力。2.灵敏度灵敏度就是弹性敏感元件在单位力作用下产生变形的大小。它是刚度的倒数。3.弹性滞后实际的弹性元件在加、卸载的正、反行程中变形曲线是不重合的，这种现象称为弹性滞后现象，如图所示。4.弹性后效弹性敏感元件所加载荷改变后，不是立即完成相应的变形，而是在一定时间间隔中逐渐完成变形的现象称为弹性后效现象。5.固有振动频率弹性敏感元件的动态特性与它的固有振动频率fo有很大的关系，固有振动频率通常由实验测得。传感器的工作频率应避开弹性敏感元件的固有振动频率。对弹性敏感元件的基本要求：①具有良好的机械特性（强度高、抗冲击、韧性好、疲劳强度高等）和良好的机械加工及热处理性能；②良好的弹性特性（弹性极限高、弹性滞后和弹性后效小等）；③弹性模量的温度系数小且稳定，材料的线膨胀系数小且稳定；④抗氧化性和抗腐蚀性等化学性能良好。2.1.2弹性敏感元件的分类1.变换力的弹性敏感元件所谓变换力的弹性敏感元件是指输入量为力F，输出量为应变或位移的弹性敏感元件。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。1.等截面轴等截面轴的特点是加工方便，加工精度高，但灵敏度小，适用于载荷较大的场合。2.环状弹性元件环状弹性元件多做成等截面圆环，圆环受力后较易变形，因而它多用于测量较小的力。3.悬臂梁悬臂梁是一端固定、一端自由的弹性敏感元件。它的特点是灵敏度高。它的输出可以是应变，也可以是挠度(位移)。由于它在相同力作用下的变形比等截面轴及圆环都大，所以多应用于较小力的测量。根据它的截面形状，又可以分为等截面悬臂梁和等强度悬臂梁。4.扭转轴在扭矩T的作用下，扭转轴的表面将产生拉伸或压缩应变。2.变换压力的弹性敏感元件（流体压力）1）弹簧管弹簧管截面形状多为椭圆形或更复杂的形状，压力p通过弹簧管的固定端导入弹簧管的内腔，弹簧管的另一端（自由端）由盖子与传感器的传感元件相连。在压力作用下，弹簧管的截面力图变成圆形，截面的短轴力图伸长，长轴缩短。截面形状的改变导致弹簧管趋向伸直，一直到与压力的作用相平衡为止。由此可见，利用弹簧管可以把压力变换为位移。C形弹簧管的刚度较大，灵敏度较小，但过载能力较强，因此常作为测量较大压力的弹性敏感元件。弹簧管弹性敏感元件（C型管）2.波纹管波纹管在压力作用下将产生伸长或缩短，所以利用波纹管可以把压力变换成位移，它的灵敏度比弹簧管高的多。在非电量测量中，波纹管的直径为12～160mm，被测压力范围约为102～106Pa。3.等截面薄板圆心附近以及膜片的边缘区域的应变均较大，但符号相反，这一特性在压阻传感器中得到应用。平膜片中心的位移与压力P之间成非线性关系。只有当位移量比薄板的厚度小得多时才能获得较小的非线性误差。4.波纹膜片和膜盒膜片的波纹形状可以有很多形式，图示出的是锯齿波纹，有时也采用正弦波纹。波纹的形状对膜片的输出特性有影响。在一定的压力作用下，正弦波纹膜片给出的位移最大，但线性较差；锯齿波纹膜片给出的位移最小，但线性较好；梯形波纹膜片的特性介于上述两者之间，膜片厚度通常为0.05～0.5mm。为了进一步提高灵敏度，常把两个膜片焊接在一起，制成膜盒。它中心的位移量为单位膜片的两倍。由于膜盒本身是一个封闭的整体，所以密封性好，周边不需固定，给安装带来方便，它的应用比波纹膜片广泛的多。5.薄壁圆筒和薄壁半球它们的外形如图（f）、（g）所示，厚度一般约为直径的1/20左右，内腔与被测压力相通，均匀地向外扩张，产生拉伸应力和应变。圆筒的应变在轴向和圆筒方向上是不相等的，而薄壁半球在轴向的应变是相同的。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应变效应与应变片电阻应变片是能将被测试件的应变量转换成电阻变化量的敏感元件。它是基于电阻应变效应而制成的。1.电阻应变效应导体、半导体材料在外力作用下发生机械形变，导致其电阻值发生变化的物理现象称为电阻应变效应。当金属丝受拉时，其长度伸长dl，横截面将相应减小dS，电阻率也将改变dρ，这些量的变化，必然引起金属丝电阻改变dR2ddddllRlSSSS根据材料力学原理，金属丝受拉时，沿轴向伸长，而沿径向缩短，二者之间应变的关系为实验证明，在金属丝变形的弹性范围内，电阻的相对变化R/R与应变是成正比xyxRKR2.电阻应变片的结构与类型⑴应变片基本结构电阻应变片由敏感栅、基片、覆盖层和引线等部分组成。其中，敏感栅是应变片的核心部分，它是用直径约为0.025mm的具有高电阻率的电阻丝制成的，为了获得高的电阻值，电阻丝排列成栅网状，故称为敏感栅。将敏感栅粘贴在绝缘的基片上，两端焊接引出导线，其上再粘贴上保护用的覆盖层，即可构成电阻丝应变片。⑵应变片类型应变片主要有金属应变片和半导体应变片两类。金属片有丝式、箔式、薄膜式三种，其结构如图所示。3.应变片参数⑴标准电阻值（R0）⑵绝缘电阻（RG）⑶灵敏度系数（K）⑷应变极限（ξmax）⑸允许电流（Ie）⑹机械滞后、蠕变及零漂4.应变片的粘贴技术基本步骤如下:⑴应变片的检查⑵试件的表面处理⑶确定贴片位置⑷粘贴应变片⑸固化处理⑹粘贴质量检查⑺引出线的固定与保护⑻防潮防蚀处理2.2.2测量转换电路1.应变片测量应变的基本原理用应变片测量应变或应力时，根据上述特点，在外力作用下，被测对象产生微小机械变形，应变片随着发生相同的变化，同时应变片电阻值也发生相应变化。当测得应变片电阻值变化量R时，便可得到被测对象的应变值。根据应力与应变的关系，得到应力值σ为σ=E·ε应力值σ正比于应变，而试件应变正比于电阻值的变化，所以应力σ正比于电阻值的变化，这就是利用应变片测量应变的基本原理。2.测量转换电路最常用的电路为直流电桥和交流电桥。下面以直流电桥电路为例，简要介绍其工作原理及有关特性。312124oi2123412()()RRRRRRUURRRRRR一般采用全等臂形式，即R1=R2=R3=R4=R，上式可变为3i124o1234()4RURRRURRRR⑴半桥单臂工作方式io4URUR⑵半桥双臂工作方式⑶全桥4臂工作方式io2URURioRUUR3.电桥的线路补偿⑴零点补偿⑵温度补偿2.3.3应变式传感器应用实例1.应变式测力与荷重传感器⑴柱式力传感器⑵梁式力传感器2.压力传感器3.位移传感器1.测头2.支架3.弹簧4.外壳5.导杆6.旋钮4.加速度传感器1.质量块2.悬臂梁3.阻尼4.应变片……2.4固态压阻式传感器2.4.1半导体压阻效应固体材料受到压力后，它的电阻率将发生一定的变化，所有的固体材料都有这个特点，其中以半导体最为显著。当半导体材料在某一方向上承受应力时，它的电阻率将发生显著的变化，这种现象称为半导体压阻效应。EπRR2.4.2扩散型压阻式传感器1.扩散型压阻式压力传感器压阻式压力传感器主要由外壳、硅杯膜片和引线组成，其结构如图2-35所示。压阻式压力传感器的核心部分是一块圆形或方形的硅膜片，在硅膜片上，利用集成电路工艺制作了四个阻值相等的电阻。硅膜片的表面用SiO2薄膜加以保护，并用铝质导线做全桥的引线，硅杯膜片底部被加工成中间薄（用于产生应变）、周边厚（起支撑作用）的形状测量原理：在一块圆形的单晶硅膜片上,布置四个扩散电阻,组成一个全桥测量电路。如图2-22（d）、（e）所示。膜片用一个圆形硅杯固定,将两个气腔隔开。一端接被测压力,另一端接参考压力，如图2-22（b）所示。当存在压差时,膜片产生变形,使两对电阻的阻值发生变化,电桥失去平衡,其输出电压反映膜片承受的压差的大小。压阻式压力传感器的主要优点是体积小,结构比较简单,动态响应也好,灵敏度高,能测出十几帕斯卡的微压,它是一种比较理想、目前发展和应用较为迅速的一种压力传感器。2.压阻式加速度传感器小结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。)(44321KUUio