电阻式传感器3PPT课件

1、2021年11月16日10时03分12.1 应变片的工作原理 电阻应变效应 金属导体几何变形时其电阻值发生变化 原始长度l 原始半径r 初始电阻R 电阻率 截面积S 受力F作用： 伸长量dl 半径减小dr, 电阻率变化d 电阻变化dRlRS第1页/共44页2021年11月16日10时03分22.1 应变片的工作原理 电阻应变效应lRS21llRlSSSS 22()22SrrlSrrl RlSRlS(12 )RlRllln轴向应变泊松比n压阻效应系数，弹性模量E：E 压阻效应几何效应第2页/共44页2021年11月16日10时03分3n 应变片材料灵敏度系数n在弹性范围内,电阻相对变化量与应变成

2、正比n直接测应变、应力0kn因E无解析式，k0只能由试验测得2.1 应变片的工作原理 电阻应变效应0(12 )RERk(12 )RER (12 )RlRl第3页/共44页2021年11月16日10时03分4n 应变片材料灵敏度由两部分构成n根据材料的性质分2类：（1）金属丝应变片 金属材料几何效应远远大于压阻效应2.1 应变片的工作原理 应变片的分类0(12 )kE012k n特点：n线性好、精度高、性能稳定n灵敏度低，一般k01010 允许电流 静态25mA；动态75100mAlb第8页/共44页2021年11月16日10时03分92.3 应变片的温度误差及其补偿 误差对应变测量精度的影响

3、力试件弹性变形应变波传递应变片变形应变片电阻变化 温度变化热变形 应变片与试件变形量不同应变片附加变形应变片电阻变化(温度误差)第9页/共44页2021年11月16日10时03分10温度误差产生的原因 (1) 温度引起应变片电阻变化 应变片初始阻值R0、温度变化t 、应变材料的电阻温度系数t(%/)；应变片灵敏度k. 电阻Rt与温度的关系： 折合成附加应变 附加应变与温度变化及电阻温度系数成正比01/ttR Rtkk00ttRRRRt0(1)ttRRt00tRRt第10页/共44页2021年11月16日10时03分11温度误差产生的原因 (2) 试件与应变片线膨胀系数不同 试件线胀系数g、温升

4、t、热膨胀量lg； 应变丝线胀系数s、温升t 、热膨胀量ls； 则，相同长度l0的试件与应变丝热膨胀量为： 应变丝与试件的相对伸长量lt： 折合成附加应变 附加应变与温升及线胀系数的差系数成正比20()ttgsltl 00tgsgslllltlt 0,ssllt0ggllt0()gslt 第11页/共44页2021年11月16日10时03分12温度误差产生的原因 温度引起应变片的附加应变 以上两项附加应变之和 附加应变引入测量误差； 附加应变与温度变化、应变丝及试件的性能参数有关； 温度变化还会改变粘合剂传递应变的性能。 应变测量时必须消除温度误差。 桥路补偿， 应变片自补偿、敏感栅自补偿、

5、以及热敏电阻补偿12ttt()tgsttk 第12页/共44页2021年11月16日10时03分13温度误差的补偿 (1) 桥路补偿 (下节) (2) 应变片自补偿 合理选择应变片及试件的性能参数使附加应变恒等于0： 可以实现温度误差自补偿。 方法简单，但有时不易实现。()0ttgsttk ()tgsk 第13页/共44页2021年11月16日10时03分14温度误差的补偿 (3) 双金属敏感栅自补偿 也叫组合式自补偿应变片 只能补偿应变片电阻温度系数引起的温度误差，不能补偿敏感栅与试件热膨胀引起的附加应变； 方法：敏感栅由电阻温度系数为一正一负敏感栅由电阻温度系数为一正一负的两种应变丝材料串

6、联而成。的两种应变丝材料串联而成。温度变化时电阻变化一正一负，当两种应变丝长度合适时，温度误差对消。0110220RtRt 120RR焊点第14页/共44页2021年11月16日10时03分15温度误差的补偿 (4) 热敏电阻补偿法 测量电桥串联热敏电阻； 输入电压为常数。 温度上升时，应变片阻值增加， 电桥等效电阻变大，输出电压减小； 温升时，使热敏电阻阻值减小； 供桥电压增加，输出电压适当增加； 温度误差被热敏电阻补偿。 应变片、热敏电阻、R5选择适当即可。R1R2R3R4UiU0RTR5第15页/共44页2021年11月16日10时03分16 测量电路的作用： 电阻变化量电压放大输出数据

7、采集； 温度误差自动补偿； 非线性误差补偿； 尽量提高测量的灵敏度。 电路类型电桥 交流/直流电桥 平衡/不平衡电桥电桥2.4 电阻应变片的测量电路放大器振荡器检波器滤波器电源第16页/共44页2021年11月16日10时03分17直流电桥 供桥电压U，电桥输出U0 四个臂应变片阻值R1R4 电桥平衡条件： 电桥输出：1423RRRRR R1R2R3R4U0U1423R RRR1144,RRRRRR142301234()()R RR RUURRRR2233,RRRRRR第17页/共44页2021年11月16日10时03分18直流电桥 初始状态电桥平衡，输出U00 电桥不平衡时，输出U00 将阻

8、值、电阻变化量代入，得 当 时电桥和差运算的特性： 相对臂电阻变化量相加; 相邻臂电阻变化量相减;142301234()()()()()()RRRRRRRRUURRRRRRRRR1R2R3R4U0U142301234()()R RR RUURRRR312401()4RRRRUURRRR1423RRRRR 第18页/共44页2021年11月16日10时03分19直流电桥 代入 称单位电阻变化量引起的输出电压: 为电桥灵敏度 电桥输出与应变片电阻相对变化量成正比； 电桥输出与供桥电压成正比； 根据布片方式电桥分为全桥、双臂半桥、单臂半桥。0RUURR1R2R3R4U0U0uRkUUR1423RRR

9、RR 312401()4RRRRUURRRR第19页/共44页2021年11月16日10时03分20直流电桥 (1) 全桥 电桥的四个臂均为应变片 布片符合电桥和差准则 特点： 线性 灵敏度Su最大 温度误差自补偿 测量精度受电源电压波动影响 灵敏度方法：k，U(受允许电流限制)0()RUUkURR1R2R3R4U0U1423R RRR04/uUkUR R04uUkkU第20页/共44页2021年11月16日10时03分21直流电桥 (2) 双臂半桥 R1 /R2为应变片, R3/R4固定电阻 R1= -R2 , 特点： 线性; 灵敏度为全桥的一半; 温度误差自补偿; 测量精度受电源电压波动影

10、响.011()22RUUkURR1R2R3R4U0U34RRR2012uRkUUR142301234()()iR RR RUURRRR第21页/共44页2021年11月16日10时03分22直流电桥 (3) 半桥单臂 R1为应变片，R1R+R R2=R3=R4=R:固定电阻 非线性误差：14kUR1R2R3R4U0U142301234()()R RR RUURRRR012(2)411/2RRUURRRRR,(1)RR当00011001100%2%2UURURk()4211RURRRU 0金属应变片：当K2、5000时,0.5半导体应变片：当K100、1000时,5第22页/共44页2021年1

11、1月16日10时03分23直流电桥 (3) 半桥单臂 特点： 非线性 灵敏度为全桥的四分之一 温度误差不能自动补偿 温度误差补偿设置补偿应变片 补偿片与工作片型号、批次相同 补偿片不受力 温度相同或相近（困难）0(114)2RUURRRR1R2R3R4U0U1423R RRR114ukU第23页/共44页2021年11月16日10时03分24直流电桥 三种电桥性能比较 指标桥类灵敏度线性温度误差自补偿须设置补偿片？全桥4否双臂半桥2否单臂板桥1XX是n提高灵敏度的措施：n选择合适的电桥及贴片方式；n提高供桥电压：13V允许电流25mA。第24页/共44页2021年11月16日10时03分25恒

12、流源电桥 电压源电桥的缺点 精度受电源电压波动影响 测量灵敏度随之变化 恒流源电桥 供桥电流恒定，电桥灵敏度稳定01123UI RI R114ukUR1R2R3R4U0U3411234,RRIIRRRR14231234R RRRIRRRR1221234RRIIRRRRI1I2I第25页/共44页2021年11月16日10时03分26142301234R RRRUIRRRR恒流源电桥 代入 电桥输出： 电桥灵敏度： 灵敏度为常数 用于精密测量或半导体应变片14uiSUR1R2R3R4U0Ui0iUSIconstantR0UR I 14RRRR23RRRRI1I2I第26页/共44页2021年11

13、月16日10时03分27交流电桥 供桥电压交流U 电桥输出交流U0 接桥与贴片方式同直流电桥 全桥、双臂半桥、单臂半桥 特点： 直流隔离，易于高倍数放大； 输出只能反映应变的大小，不能反映方向 须采用相敏检波电路 多用于电阻应变仪R1R2R3R4U0U0RUUR第27页/共44页2021年11月16日10时03分28交流电桥 供桥电压频率 待测信号频率的610倍 一般4002000Hz R1R4为固定电阻或应变片 C1C2为导线分布电容 各臂阻抗：11111RZj RC22221RZj R C33RZ 44RZ 第28页/共44页2021年11月16日10时03分29交流电桥 由直流电桥输出推

14、广： 平衡条件14231234()()oZ ZZ ZUUZZZZ1243112211RRRRj RCj R C1423Z ZZ Z14231122R RR RandRCR C第29页/共44页2021年11月16日10时03分30交流电桥 交流电桥平衡条件： 交流电桥的平衡 电阻平衡(阻抗平衡) 电容平衡(相角平衡) 当 时14ZZZZ23,ZZZZ1221RCandRC3124RRRR14231234()()oZ ZZ ZUUZZZZ1,0RCZR Z RZRUUUZR 14231122R RR RandRCR C第30页/共44页2021年11月16日10时03分31串联法并联法差动法阻容

15、法 交流电桥的平衡方法C第31页/共44页2021年11月16日10时03分322.5 电阻式传感器举例 测量对象： 力、应变 相关量：弯矩、扭矩、压力；加速度、温度 测量方式： 构件应力应变测量： 构件清洗、打磨抛光、贴片接桥、电路放大、数采 相关量测量： 相关量弹性元件弹性变形应变片电桥 应变式传感器第32页/共44页2021年11月16日10时03分332.5 电阻应变式传感器 弹性元件： 弹性元件在传感器中充当敏感元件 应变片在传感器中充当传感元件 弹性特性：在弹性极限范围内在弹性极限范围内 有力作用时，机械部件产生变形； 力去除后，变形完全恢复； 变形与力成线性关系. 弹性元件形式：

16、 圆柱式、悬臂梁式、膜片式、波纹管式第33页/共44页2021年11月16日10时03分34圆柱(筒)式力传感器 实心、空心贴片(圆周展开)接桥柱式筒式第34页/共44页2021年11月16日10时03分35圆柱(筒)式力传感器 受拉时： 桥臂电阻： 电桥输出： 灵敏度：5678RRRRR 1243RRRRR 01(1)2iRUUR132422RRRR 0(1)/2iuUUSR R576822RRRR312401()4iRRRRUURRRR13576824022221()42222RRRRURRRR贴片(圆周展开)接桥可测出拉力第35页/共44页2021年11月16日10时03分36圆柱(筒)

17、式力传感器 载荷偏心 例如：力作用于R1、R3所在的轴截面上。 或弯矩时： 桥臂电阻： 电桥输出： 测量精度与载荷作用点无关 温度误差自动补偿67580,0RRRR 1324,0RRRRR 013242 ,RRR57682RRR312401()4iRRRRUURRRR01000()42222RRURRRR 接桥可消除偏心和弯曲影响贴片(圆周展开)第36页/共44页2021年11月16日10时03分37环式力传感器 弹性薄臂圆环 桥臂初值： 电桥输出： 线性、温度误差补偿、灵敏度高23RRR 14RRR iRUR1234RRRRR01()4iRRRRUURRRR可测出压力R2R4R1R3FR1R

18、2R3R4UiU0第37页/共44页2021年11月16日10时03分38悬臂式力传感器 弹性悬臂梁 接桥性能同弹性圆环等强度梁力FR1(R4)R2(R3)R4 (R3)R1 (R2)矩形梁力FR1(R4)R2(R3)R4 (R3)R1 (R2)第38页/共44页2021年11月16日10时03分39弹性薄膜式力传感器 弹性膜片 切相应力恒正； 径向应力有正有负 X=0.635r 处为零 贴片： R1、R4径向应力0，切相很小 R2、R3切向应力接近最大 全桥连接，补偿温度误差 也可在中心贴垂直应变花EhxRPr2228)3)(1 (32R1R2R3R4R1R2R3R4EhxRPt2228)(

19、1 (32第39页/共44页2021年11月16日10时03分40LC0804 应变加速度传感器 质量悬臂梁应变片补偿片2保护块电阻应变式力传感器举例型号输出电源VDC量程MPa安装方式（一）安装方式（二）LC09011-2mv/V.FS12 1,2,5,10,20,50,100,2002英寸由任接头法兰盘安装M121M141M201.5螺纹安装 LC09020-5V624LC09034-20mALC09040-10KHZLC09系列 应变压力传感器 CYB系列压差传感器第40页/共44页2021年11月16日10时03分41本章习题 1. 何谓电阻应变效应?简述电阻应变片的结构以及构件应力测量的过程. 2. 什么是应变片的灵敏度系数?它与应变丝的灵敏度系数有何不同?为什么? 3. 金属应变片与半导体应变片的工作原理有何区别?两种应变片各有和特点? 4. 简述产生应变测量的温度误差的原因及其补偿方法? 5. 从线性、灵敏度、温度误差自补偿等方面比较三种应变测量电桥的特性？ 6. 简述应变测量的电桥和差特性以及贴片