传感器原理及应用 项目式教学 第2版 教学课件 ppt 作者 于彤_ 项目三_力和位移传感器

1、项目三、力与压力的检测 单元一 电阻应变片测力 任务一：认识电阻应变片及弹性敏感元件 任务二：通过电子秤实验操作，了解应变片的应用 知识巩固 单元二 压电传感器测力 任务一：压电传感器测力应用训练 知识巩固 单元三 电感器传感器,项目三、力与压力的检测,项目描述 力普遍存在于日常生活中。在科学研究和工农业生产中，力更是起着重要的作用。 在生产过程中，压力检测与调节控制系统的应用非常广泛，例如锅炉蒸汽和水的压力监控；炼油厂减压蒸馏需要的低于大气的真空压力检测;在航空发动机试验研究中，为了研究发动机性能，必须测量过渡态的压力变化；电力系统中油路压力的测量和控制等。对压力监控是保证工艺要求、生产设备和人身安全，实现经济运行所必须的。 检测力的传感器主要有电阻应变式传感器、压电式传感器、电容式传感器、压阻式传感器、电感式传感器等，本项目主要介绍电阻应变式和压电式测力传感器。,技能要点 学会识别一般的电阻应变式传感器、压电式传感器，了解电阻应变式传感器和压电式传感器的基本结构和材料，通过实验掌握电阻应变式传感器的使用方法，掌握电阻应变式传感器测量电路的调试方法。,知识要点 了解电阻应变式传感器、

2、压电式传感器的基本结构、材料，掌握直流电桥的平衡条件及电压灵敏度，熟悉电阻应变片的温度补偿方法。学习电阻应变式、压电式传感器在相关领域的应用。,单元一 电阻应变片测力 单元目标：通过本训练熟悉电阻应变片的结 构和种类，掌握应变片测量力的工作原理，掌 握直流电桥的工作原理和有关特性，熟悉电阻 应变式传感器测量电路的工作调零和调节 灵敏度的方法。,任务一：认识应变片及弹性敏感元件,电阻应变片（也称应变计或应变片）是电阻应变 式传感器的核心元件，它是一种电阻传感器，主要由 弹性敏感元件或试件、电阻应变片和测量转换电路组 成。它是把应变转换为电阻变化，再用相应的测量电 路将电阻转换成电压输出的传感器。利用电阻应变式 传感器可以直接测量力，也可以间接测量位移、形变、 加速度等参数。常用的电阻应变片有电阻丝应变片和 半导体应变片两种。,一、应变效应 电阻应变片的工作原理是基于应变效应，即 导体或半导体材料在外界力的作用下产生机械形 变时，其电阻值相应发生变化，这种现象称为 “应变效应”。 由电工学可知，金属丝电阻R可用下式表示：,式中 电阻率，m； l电阻丝长度，m； A电阻丝截面积，m2。,（3

3、1）,当沿金属丝的长度方向施加均匀力时，上式中、r、l 都将发生变化，导致电阻值发生变化。即得到以下结论：金属丝受外力作用而伸长时，长度增加，而截面积减少，电阻值会增大；当金属丝受外力作用而压缩时，长度减小，而截面增加，电阻值会减小。阻值变化通常较小。,活动1: 理解应变效应,取一根细电阻丝，两端接上一台3 1/2位数字式欧姆表（分辨率为1/2000），记下其初始阻值（ ）。当我们用力将该电阻丝拉长时，会发现其阻值略有增加为（ ）。测量应力、应变、力的传感器就是利用类似的原理制作的。,实验证明，电阻应变片的电阻应变R=R/R与电阻应变片的纵向应变x的关系在很大范围内是线性的，即,（32）,式中 R/ R 电阻应变片的电阻应变； K 电阻丝的灵敏度。,式（3-2）中的R代表了被测件在应变片的应变。严格来讲，由于试件与应变片之间存在蠕变等影响，所以应变片与试件这两者的应变是有差异的，但差异并不很大，工程上允许忽略，但却存在一大弱点，就是灵敏度低,一般为 2.03.6。,图3-1 电阻应变片的结构简图,电阻应变片的典型结构如图3-1所示，由敏感栅、基底、覆盖层和引线等部分组成。,二、电阻应变

4、片的结构、材料,电阻应变片的典型结构如图3-1所示，由敏感栅、基底、覆盖层和引线等部分组成。,无论哪种形式的金属应变片，对敏感栅的金属材料都有以下基本要求： 1.灵敏系数要大，且在所测应变范围内保持不变； 2. 要大而稳定，以便于缩短敏感栅长度； 3.抗氧化、耐腐蚀性好，具有良好的焊接性能； 4.电阻温度系数要小； 5. 机械强度高，具有优良的机械加工性能。,三、电阻应变片的分类,按电阻应变片敏感栅材料不同，可分为金属应变片和半导体应变片两大类。如图3-2为 几种不同类型的电阻应变片。,图3-2 电阻丝应变片结构形式. （a)丝式应变片；(b)箔式应变片；(c)半导体应变片 1基底；2应变丝或半导体；3引出线；4焊接电极；5外引线,四、电阻应变片的测量电路,（一） 直流电桥平衡条件,当RL时，电桥输出电压为,（二） 电压灵敏度,R1为电阻应变片，R2、R3、R4为电桥固定电阻，这就构成了单臂电桥。,(3-5),n=1时，为最大值,当电源电压E和电阻相对变化量一定时，电桥的输出电压也是定值，与各桥臂电阻阻值大小无关。,(3-6),(3-7),（三） 非线性误差及其补偿方法,图3-4 差动

5、电桥 (a)半桥; (b) 全桥,2、如图3-4(b)所示 ，全桥差动电路,1、如图34（a)半桥电桥输出电压为,(3-10),(3-9),（3-8）,（四） 电阻应变片的温度补偿方法,1 .补偿块补偿法,图3-5 补偿块补偿法,图3-5(a) 电桥输出电压Uo与桥臂参数的关系为,(3-11),(3-12),工程上，一般按R1=RB=R3=R4选取桥臂电阻。 当温度升高或降低t =t-to时，两个应变片因温 度相同而引起的电阻变化量相等，电桥仍处于平衡 状态，即,若此时被测试件有应变的作用，则工作应变片电阻R1有新的增量R1，而补偿片不承受应变，故不产生新的增量，此时电桥输出电压为,由上式可知，电桥的输出电压Uo仅与被测试件的应变电阻有关，而与环境温度无关。,(3-13),(3-14),若要实现完全补偿，上述分析过程必须满足以下4个条件： （1）在应变片工作过程中，保证R3=R4。 （2）R1和RB两个应变片应具有相同的电阻温度系数、线膨胀系数、应变灵敏系数K和初始电阻值Ro。 （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；粘贴工作应变片和补偿应变

6、片的粘结剂必须相同。 （4）两应变片应处于同一温度场。,2桥路自补偿法 当测量桥路处于双臂半桥和全桥工作方式 时，电桥相邻两臂受温度影响，同时产生大小 相等，符号相同的电阻增量而互相抵消，从而 达到桥路温度自补偿的目的。,五、弹性敏感元件的 基本特性,物体因外力作用而改变原来的尺寸或形状称为变形，如果在外力去掉后能完全恢复其原来的尺寸和形状，那么这种变形称为弹性变形，具有这种特性的物体称为弹性元件。在传感器中用于测量的弹性元件称为弹性敏感元件。,弹性敏感元件的输入量与输出量之间的关系称为弹性敏感元件的基本特性。弹性敏感元件的基本特性包括刚度、灵敏度、弹性滞后和弹性后效等。 1.刚度 刚度是使弹性敏感元件产生单位变形所需要的外部作用力。(或压力)其表达式为,2.灵敏度 灵敏度是刚度的倒数，它表示弹性敏感元件在承受单位输入量(力、压力等)时所产生的变形大小，一般用K表示，即,(3-16),3常见的弹性敏感元件的类型 （1）弹簧管 常见的压力弹簧管有单圈弹簧管（又称包端管、波登管或C型管）、多圈（螺旋）弹簧管和S型弹簧管。 弹簧管的结构通常是一种弯成圆弧形的空心扁管，其横截面为椭圆形或扁圆形

7、，其开口端与接口焊接在一起，其自由端封闭。当被测压力的介质进入弹簧管内腔时，其自由端产生位移，此位移通过传动放大机构带动指针，从而指示出压力。 螺旋弹簧管能产生特别大的位移，故多用于压力记录式仪表，而S形弹簧管其端部能产生直线位移，所以多用于较高压力的测量。,（2）膜片及膜盒 膜片是一种沿外缘固定的片形测压弹性敏感元件，按剖面形状分为平膜片和波纹膜片。 平膜片是具有一定厚度的扁平面圆形薄片，多用于测量变动压力，在远传压力表和差压变送器上常见到这种位移很小的膜片。 波纹膜片是一种压有环状同心波纹的圆形薄膜，其波纹的数目、形状、尺寸及分布视膜片用途与测量范围而定。 膜盒是将两个金属膜片对合，并将其外缘焊接而成的测压弹性敏感元件。膜盒按内腔与大气是否连通分为开口、闭口两类，并可根据不同需要，以不同方式将多个膜盒串联在一起，组成膜盒组。,（3）波纹管 波纹管是一种具有轴对称、圆筒形、等间距环状波纹、能沿轴向伸缩的测压弹性敏感元件。它在轴向力、横向力和弯矩作用下都能产生相应的位移，因此在许多技术领域中都能得到应用。,活动2： 认识几个弹性敏感元件,图3-7 金属波纹管,活动3： 认识减压阀,图3

8、-10 减压阀结构图,六、电阻应变式传感器的应用,图3-11 电阻应变式纱线张力测试装置,1、电阻应变式纱线张力测量 在纱线加工过程中，随着纱线张力变化，悬臂梁相应地产生与张力成比例的应变，而使电阻应变片产生相应的变形，并输出相应的R/R，因而破坏了电桥平衡，由此输出放大的电压信号。此电压信号再经动态电阻应变仪放大、检波、滤波后，输出一个放大的并与应变成比例的电压信号，最终由函数记录仪在感光纸上描绘成脉冲图形。,图3-12 筒式压力传感器,2、筒式压力传感器 当被测压力与应变管的内腔相通时，应变管部分产生应变， 在薄壁筒上贴2片应变计做工作片，实心部分贴2片应变计做温度补偿应变片。没有压力作用时，这4片应变片构成的全桥处于平衡；当外部压力作用于应变管内腔时，圆管发生形变，使全桥失去平衡。这种压力传感器测量范围在106Pa107Pa或更高的压力。其结构简单，制作方便，使用面宽，在测量火炮、炮弹、火箭的动态压力方面得到了广泛应用。,3、膜片压力式传感器 测量气体或液体压力的膜片式压力传感器如图3-12所示。 圆形膜片的固定方式，可采用如图3-12 所示嵌固形式，也可以采用与外壳做成一体的形

9、式。膜片压力传感器的工作原理是，当气体或液体压力作用在弹性元件膜片的承压面上时，膜片变形，使粘贴在膜片另一面的电阻应变片随之形变，并改变阻值。这时测量电路中的电桥失去平衡，产生输出电压。图3-11中所示贴在圆筒内壁上的应变片为温度补偿应变片。,图3-14组合式压力式传感器,4、组合式压力传感 组合式压力传感器用于测量小压力，结构图如图3-14所示，由波纹膜片、膜盒、波纹管等弹性敏感元件构成。电阻应变计粘贴在梁的跟部感受应变。当元件感受压力后，推动推杆使梁变形，从而使电阻应变片随之变形，并改变阻值。悬臂梁的刚性较大，用于组合式压力传感器，可以提高测量的稳定性，减小机械滞后。,5、力和扭矩传感器 下图所示列出了几种力和扭矩传感器的弹性敏感元件。拉伸应力作用下的细长杆和压缩应力作用下的短粗圆柱体如图所示。测量时都可以在轴向布置一个或几个应变片，在圆周方向上布置同样数目的应变片。后者拾取符号相反的横向应变，从而构成差动式。,弯曲梁和扭转轴上的应变片也均可购成差分式，如图c、d 所示。 另外用环状弹性敏感元件测拉(压)力也是较普遍的， 如右图所示。,图3-16 应变式加速度传感器,6、应变式加速度传感器 应变式加速度传感器如图3-16所示。它由端部固定并带有惯性质量块m的悬臂梁及贴在梁跟部的应变片、基座及外壳等组成。应变式加速度传感器是一种惯性式传感器。测量时，根据所测振动体的方向，将传感器粘贴在被测部位。当被测点的加速度沿图中所示箭头方向时，悬臂梁自由端受惯性力F=ma的作用，质量块m向加速度a相反的方向相对于基座运动，使梁发生弯曲变形，应变片电阻发生变化，产生输出信号，输出信号大小与加速度成正比。,活动4： 认识几种应变式传感器,任务二：了解应变片的应用,活动1：模拟电子称实验电路 电子称是将转换成电信号的称重传感器。电子台秤不仅能快速、准确地称出商品的重量，用数码显示出来，而且具有计算器的功能，使用起来更加方便。下面的实验为模拟电子称实验。 一、实验目的 1、了解电阻应变式传感器的基本结构。 2、掌握电阻应变式传感器的使用方法。 3、掌握电阻应变式传感器测量电路的调试方法。,金属应变片传感器实验电路,

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