第三章应变式传感器.ppt

第三章 应变式传感器应变式传感器概述•属于电参数型传感器（电参数型传感器将感受的输入被测参量转换为电参数R、L、C的变化 ）•电阻应变式传感器（也称应变片）是利用电阻应变片将应变转换为电阻变化的传感器•由电阻应变敏感元件粘贴在弹性元件上构成•广泛应用于测量力、力矩、压力、加速度、重量等参数弹性元件弹性元件被测量被测量应变式变换器应变式变换器图图 1 电阻应变式传感器组成框图电阻应变式传感器组成框图3.1 工作原理一、应变效应的理论基础一、应变效应的理论基础 1 1．金属导体的．金属导体的 电阻定律电阻定律( (线材线材) )2 2r A A = =πr 2 2L L其全微分：其全微分：给出了总电阻的相对变化量与其它三个量的相对变化的关系在给出了总电阻的相对变化量与其它三个量的相对变化的关系在力的作用下，力的作用下，L L、、A A、、ρρ均可发生变化，均可发生变化，R R 亦可发生变化亦可发生变化应变效应：导体或半导体材料在外界力作用下产生机械变形时，应变效应：导体或半导体材料在外界力作用下产生机械变形时，其电阻值相应发生变化的现象。

其电阻值相应发生变化的现象应变（轴向应变）(径向应变)μ:材料的泊松比材料的泊松比•电阻丝的灵敏系数K0•影响K的因素 (1)应变片受力后材料几何尺寸的变化（1+2）； (2)材料电阻率发生的变化（ ）•金属材料：1+2 >> ，在电阻丝拉伸极限内泊松比μ=0.5，故K0  2•半导体材料： >>1+2 与半导体敏感元件在轴向所受的应变力有关： 半导体应变片的K比金属丝式高50～80倍，但半导体材料温度系数大，应变时非线性比较严重，使其应用范围受到一定的限制3.2 电阻应变片的特性•应变片的种类•1.应变片的基本结构•2. 金属电阻应变片的种类 丝式、箔式电阻应变片 箔式电阻应变片金属箔式应变片的敏感栅，则是用栅状金属箔片代替栅状金属丝金属箔栅采用光刻技术制造，是用于大批量生产由于金属箔式应变片具有线条均匀、尺寸准确、阻值一致性好、传递试件应变性能好等优点，因此，目前使用的多为金属箔式应变片， 3.3 应变片的温度误差及补偿•1. 应变片的温度误差•1）电阻温度系数的影响•2）试件材料和电阻丝材料的线膨胀系数的影响•温度变化引起的总附加应变量t2. 电阻应变片的温度补偿方法•1）线路补偿法•实现完全补偿的四个条件：(1)(2)(3)补偿块材料和被测试件材料必须一样， ；(4) 两个应变片要处于同一温度场。

2） 应变片的自补偿法•温度自补偿应变片•当已知被测试件的线膨胀系数g，合理选择敏感栅材料（0、K0、s满足式（3-33）），t0时Rt/R0=03.4 电阻应变片的测量电路•3.4.1 直流电桥•1. 直流电桥平衡条件 电桥平衡条件：Uo=0，则有2. 电压灵敏度•将一个应变片接入电桥中•构成单臂电桥桥臂比：利用平衡条件电桥电压灵敏度影响因素：E(电桥供电电压)、nn=1(R1= R2= R3= R4)，Kumax：n：3. 非线性误差及其补偿方法•非线性误差n=1时（四等臂电桥）3. 非线性误差及其补偿方法•补偿方法－差动电桥•半桥差动电路：两个应变片（1拉、1压）消除温度影响：结结论论：：分分母母中中 Rr1可可忽忽略略，，分分子子中中无无 Rr1项项，，故故减减小小了了温温度度变变化化的的影影响响，，具具有有温温度度补补偿偿作用作用1-8•全桥差动电路：四个应变片（2拉、2压）3.3.2 交流电桥•交流电压源供电，引线分布电容，应变片呈现复阻抗特性Z1、Z2•平衡条件：电阻平衡条件、电容平衡条件输出电压 ：电压灵敏度 ： 1. 1. 柱式力传感器（柱的截面积为柱式力传感器（柱的截面积为A A））L LF FF F电阻应变片电阻应变片轴向应变。

轴向应变杨氏模量杨氏模量面积面积3.5 应变式传感器的应用•称重、测力•主要用途：作为各种电子称与材料试验机的测力元件、发动机的推力测试、水坝坝体承载状况监测等•要求较高的灵敏度和稳定性：当传感器受侧向作用力、或力的作用点产生轻微变化时，不应对输出有明显的影响•轴向贴片测力（轴向力），横向贴片进行温度补偿 2 2 . .梁式荷重传感器梁式荷重传感器等截面梁式荷重传感器等截面梁式荷重传感器L LL L0 0F Fb bh hR1R2R3R4一端固定，一端自由，厚度为一端固定，一端自由，厚度为h h, ,长度长度L L0 0 ，，自由端力自由端力F F 的作用点到应的作用点到应变片的距离为变片的距离为L L ，，该点的协强：该点的协强：4 4只应变片只应变片 此位置上下两侧分别粘有此位置上下两侧分别粘有4 4只应变片，只应变片，R R1 1、、R R4 4同侧；同侧；R R3 3 、、R R2 2同侧，同侧，这两侧的应变方向刚好相反，且大小相等，可构成全差动电桥这两侧的应变方向刚好相反，且大小相等，可构成全差动电桥由于全差动电桥由于全差动电桥，所以，所以供桥电压供桥电压输出电压输出电压三、应变式压力（压强）传感器三、应变式压力（压强）传感器 ⒈ ⒈ 薄板式薄板式( (膜片式膜片式) )压力传感器压力传感器 当流体的压强作用在薄板上，薄当流体的压强作用在薄板上，薄板就会产生形变板就会产生形变( (应变应变) )，贴在另一侧，贴在另一侧的应变片随之形变的应变片随之形变( (应变应变) )，通过桥式，通过桥式等测量电路，可以测出与应变相对应等测量电路，可以测出与应变相对应的输出电压，从而得到压力的大小。

的输出电压，从而得到压力的大小薄圆板受均匀压力后的应变分布薄圆板受均匀压力后的应变分布薄圆板受均匀压力后的应变方向薄圆板受均匀压力后的应变方向 ⑴⑴ 应变分析应变分析 对于半径为对于半径为r0沿圆周固定的模片，片内任意半沿圆周固定的模片，片内任意半径径 r 处在压强处在压强 P 的作用下的应变的作用下的应变( (膜厚为膜厚为h ) )为为:切向应变切向应变( (与半径垂直与半径垂直) )只有拉伸只有拉伸径向应变径向应变( (指向圆心指向圆心) )可拉可压可拉可压( (可正可负可正可负) )薄圆板受均匀压力后的应变分布薄圆板受均匀压力后的应变分布 ⑵ ⑵ 特点特点正应变最大正应变最大径向负应变最大径向负应变最大径向应变片贴片必须避开径向应变片贴片必须避开⑶ ⑶ 贴片位置贴片位置 在在εεt =－－εεr的的两个半径处分别粘两个半径处分别粘贴２个于检测径向贴２个于检测径向应变和切向应变的应变和切向应变的应变片，构成全差应变片，构成全差动电桥R1R2R3R4等半径贴片等半径贴片R1R2R3R4不等半不等半径贴片径贴片同等条同等条件应变件应变较大亦可选择亦可选择εr 1 =－－εr 2四、固态压力传感器四、固态压力传感器 ⒈ ⒈ 结构结构 利用半导体扩散技术，在利用半导体扩散技术，在n型硅基底型硅基底( (硅杯的圆形膜片硅杯的圆形膜片) )上上扩散出扩散出4 4个个p型电阻，利用其型电阻，利用其压压阻效应阻效应，构成敏感电桥，当压，构成敏感电桥，当压力作用在薄片上，通过桥式等力作用在薄片上，通过桥式等测量电路，可以测出与应变相测量电路，可以测出与应变相对应的输出电压，从而得到压对应的输出电压，从而得到压力的大小。

力的大小扩散电阻硅杯式固体压力传感器结构示意图扩散电阻Si_n扩散电阻Si_n薄圆板受均匀压力后的应力分布薄圆板受均匀压力后的应力分布 ⒉ ⒉ 受压圆膜的应力分布受压圆膜的应力分布径向径向 切向切向根据根据可知可知（较大半径处为负应变）（较大半径处为负应变）⒊ ⒊ 扩散电阻位置扩散电阻位置薄圆板受均匀压力后的应力分布薄圆板受均匀压力后的应力分布R1R2R3R4在满足：在满足：rt rr r1 r2的两个半径处（应力大小的两个半径处（应力大小相等方向相反）扩散相等方向相反）扩散 4 4 个个电阻构成全桥差动电路电阻构成全桥差动电路习题•习题3-5 E=4V, Ri=120 • i=1,2,3,4•（1）R1=1.2 •（2）•（3）习题•习题3-6 K=2.05•R1=120•F=800m/m•(1)•(2)单臂测量电桥，E=3Vn=1时（四等臂电桥）。