应变式传感器课件

1、各种电子各种电子秤秤广泛应用于广泛应用于高高精精度度电电子子汽汽车车衡衡 动态电子秤动态电子秤电子天平电子天平机械秤包装机机械秤包装机吊秤吊秤应变式传感器5斜拉桥上的斜拉绳应变测试斜拉桥上的斜拉绳应变测试 结构受力和变形测量结构受力和变形测量可制成多种用途的传感器，应用领域非常广泛。可制成多种用途的传感器，应用领域非常广泛。 LRS2rL2r2r LRSRLSRLSLL应变应变：)21 ( cvdvcdRLSRLSrrdrsds22r(12 )(12 )RCRRLSRLSRRCLL(12 )(12 )SKCSRKRSK0 . 213 . 0sKcKs约在1.83.6之间RRCSKSRKR应变式

2、传感器应变式传感器典型的电阻应变片结构示意图典型的电阻应变片结构示意图 2341bl栅长栅长栅宽栅宽应变式传感器 2341应变式传感器 2341应变式传感器 2341应变式传感器 2341应变式传感器 2341盐等。盐等。应变式传感器应变式传感器应变式传感器应变式传感器应变式传感器金属应变计金属应变计应变式传感器应变式传感器KRR应变式传感器bl应变式传感器rrnrnnlLLL2121221rSSSKLrnKLrnnlLLKRR2) 1(2) 1(2 xyrRKKRSxKLrnnlK2) 1(2SyKLrnK2) 1(应变式传感器rnnlrnKKHxy121应变式传感器应变式传感器应变式传感器

3、应变式传感器应变式传感器lim真实应变z指示应变i10%1|100%ziz应变式传感器0llxtx应变式传感器0llxtx 002sinsin 212xtx（）ttx2sin0vf应变式传感器0llxtxllxxdxltxxmltltsin2sin2sin10022平均应变m与中点应变t相对误差为：si 2n1311 tmmttll（）应变式传感器0llxtx平均应变m与中点应变t相对误差为：sin1tmtll下表给出了下表给出了l/为为1/101/10和和1/201/20时时 的数值：的数值：误差误差的计算结果的计算结果 l / 应变式传感器SRKRSRR K应变式传感器 R2R4R1R3E

4、电桥线路原理图RgACDIgB2143432143213241RRRRRRRRRRRRRRRRREIgg14231234123434121ggggE R RR RUI RRRRRR RRRR RRRR+-应变式传感器14231234123434121ggggE R RR RUI RRRRRR RRRR RRRR14231234gR RR RUERRRR应变式传感器应变式传感器1 1、等臂电桥、等臂电桥当R1=R2=R3=R4=R时，称为等臂电桥。此时电桥输出可写为 43213241432122RRRRRRRRRRRRRRREUg3124123444gRRRREEKURRRRRKR一般情况下，一

5、般情况下，Ri（i=1，2，3，4）很小，即）很小，即RRi，略去上式中的高阶微量，并利用略去上式中的高阶微量，并利用 式得到式得到: 应变式传感器 与 与3124123444gRRRREEKURRRR应变式传感器KERREUg443124123444gRRRREEKURRRR应变式传感器112114211424KKERRRRERRREUg3281412114KKKKEUg32328141214814121144KKKKEKKKKEKE1/2K14231234gR RR RUERRRR应变式传感器例：例：设设K=2，要求非线性误差，要求非线性误差1%，试求允许测量的，试求允许测量的最大应变值最

6、大应变值max。01.021maxK1000001. 0201. 0201. 02maxK结论：如果被测应变大于结论：如果被测应变大于10000，采用等臂电桥时，采用等臂电桥时的非线性误差大于的非线性误差大于1%。应变式传感器2）双臂差动工作时 为线性关系！ 灵敏度是单臂时2倍。 3）四臂差动的工作 Ug为线性关系（开路时） 灵敏度为单臂时的4倍.kERRERRRRRRREUg224)2)(2()(2112RRRRRRRRR4321RRRRRRRRRRRR3421EkRREUg4414231234gR RR RUERRRR应变式传感器2 2、第一对称电桥、第一对称电桥若R1=R2=R，R3=R

7、4=R，则称它为第一对称电桥。设R1有一增量R，电桥的输出电压为:RRRERRRRRRRREUg2422RRRRE21114UgEBACD4EUgK应变式传感器RRRRRRRRRREUgRRkkkkRREUg111121RRkUgR2=RR4=RR1=RR3=RE第二对称电桥BACD应变式传感器应变式传感器应变式传感器1 tRtRK K应变片灵敏系数应变片灵敏系数; ; e e试件试件材料线膨胀系数；材料线膨胀系数；g g敏感栅敏感栅材料线膨胀系数材料线膨胀系数。2 egRKtR应变式传感器12 218tegtRRRtKtRRR （）ttegtRKttRK 应变式传感器ttegttK 应变式传

8、感器ttegttK 0getK tgeK应变式传感器由两种不同电阻温度系数（一种为由两种不同电阻温度系数（一种为正值正值，一种为，一种为负值负值）的材料）的材料串联串联组成敏感组成敏感栅，以达到一定温度范围内在一定材料的试件上实现温度补偿栅，以达到一定温度范围内在一定材料的试件上实现温度补偿. .(Ra) t = (Rb) t焊点焊点RaRb应变式传感器应变式传感器把把R R1 1与与R R2 2接入电桥相邻臂上，接入电桥相邻臂上，当被测试件不承受应变时，当被测试件不承受应变时，R R1 1和和R R2 2处于同一温度处于同一温度场，调整电桥参数，可使电桥输出电压为零，即：场，调整电桥参数，可

9、使电桥输出电压为零，即：032410RRRRAU 选择选择R R1 1= =R R2 2= =R R及及R R3 3= =R R4 4= =r r。 当温度升高或降低当温度升高或降低 t t 时，若时，若 R R1t1t=R R2t2t，即两个应，即两个应变片的热输出相等，则电桥的输出电压为：变片的热输出相等，则电桥的输出电压为：01142231212120ttttttttUARRRRRRARRrRRrA RrrRRrrRArRR 应变式传感器ArRKRAr RRRRRRRAUtt132241110应变式传感器应变式传感器构件受弯构件受弯曲应力曲应力构件受单向应力构件受单向应力应变式传感器构件

10、受弯曲应力梁受弯曲应变时，应变片梁受弯曲应变时，应变片R R1 1和和R R2 2的变形方向相反，的变形方向相反，上面受拉，下面受压，应变绝对值相等，符号相上面受拉，下面受压，应变绝对值相等，符号相反，将它们接入电桥的相邻臂后，可使输出电压反，将它们接入电桥的相邻臂后，可使输出电压增加一倍。当温度变化时，应变片增加一倍。当温度变化时，应变片R R1 1和和R R2 2阻值变阻值变化的符号相同，大小相等，电桥不产生输出，达化的符号相同，大小相等，电桥不产生输出，达到了补偿的目的。到了补偿的目的。应变式传感器构件受单向应力0121UAR R K 应变式传感器 图图2-14 2-14 柱式力传感器柱

11、式力传感器FF面积面积S-1+2-2+1截面积截面积SF(a)(a)实心圆柱实心圆柱(b)(b)空心圆柱空心圆柱F应变式传感器F F- -2 2+ +1 1截面积截面积S SF F(a)(a)实心圆柱实心圆柱1lFlESE21FSE应变式传感器F-2+1截面积截面积SFU0R1R3R5R7R6R8R2R4R6R7R8R2R3R4R5R1应变式传感器应变式传感器一端固定，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 l，固定端宽度，固定端宽度为为b b0 0, ,力力F F 作用在三角形顶点。其表面作用在三角形顶点。其表面应变为应变为 ：206 FlEb h E4 4只应变片

12、只应变片0b应变式传感器206 FlEb h E4 4只应变片只应变片0b Ug12344gUKU1423206 gFlUUKUKbh E应变式传感器4 4只应变片只应变片224 Flbh E应变式传感器4 4只应变片只应变片23 Flbh E应变式传感器悬臂梁是一端固定、一端自由的弹性敏感元件。它的特点是灵敏度比较高。悬臂梁是一端固定、一端自由的弹性敏感元件。它的特点是灵敏度比较高。所以多用于较小力的测量。例如，民用电子称中就多采用悬臂梁。当力所以多用于较小力的测量。例如，民用电子称中就多采用悬臂梁。当力F F（例如苹果的重力）以垂直方向作用于电子秤中的铝质悬臂梁的末端时，梁（例如苹果的重力

13、）以垂直方向作用于电子秤中的铝质悬臂梁的末端时，梁的上表面产生拉应变，下表面产生压应变，上下表面的应变大小相等符号相的上表面产生拉应变，下表面产生压应变，上下表面的应变大小相等符号相反。粘贴在上下表面的应变片也随之拉伸和缩短。得到正负相间的电阻值的反。粘贴在上下表面的应变片也随之拉伸和缩短。得到正负相间的电阻值的变化，接入桥路后，就能产生输出电压。变化，接入桥路后，就能产生输出电压。应变式传感器应变式传感器应变式传感器应变式传感器P圆形金属膜片圆形金属膜片P（b） （a）应变片应变式传感器金属元件的膜片周边被固定，当金属元件的膜片周边被固定，当膜片一面受压力膜片一面受压力P P作用时，膜片作用

14、时，膜片的另一面有的另一面有径向应变径向应变r r和和切向应切向应变变t t 。应变值分别为：。应变值分别为：22223138rPrxhE 2222318tPrxhE应变式传感器22223138rPrxhE 2222318tPrxhE222310;4trPrhE 222318rtPrhE0r/30.58xrr应变式传感器R1 R20.58rR3 R4应变式传感器应变片应变式传感器适合于金库、仓库、古建筑的防范，挖墙、打洞、爆破等破坏行为均可及时发现。应变式传感器 应变式传感器21dRdR12dRR dE 1212dRER 电阻相对变化量：电阻相对变化量：压阻系数；压阻系数；E弹性模量；弹性模量

15、； 应力；应力； 应变。应变。d较小应变式传感器1212dRER 压阻系数；压阻系数；E弹性模量；弹性模量； 应力；应力； 应变。应变。dRER 应变式传感器应变式传感器应变式传感器所以各方向上的压阻效应大小不一样。所以各方向上的压阻效应大小不一样。Edd压阻系数的定义压阻系数的定义 应变式传感器llttssdRR C ZOBAXY11晶体晶面的截距表示llttdRR 应变式传感器1 N-Si膜片膜片 2 P-Si导电层导电层 粘贴剂粘贴剂 硅底座硅底座 引压管引压管 Si 保护膜保护膜 7 引线引线 应变式传感器 llttRR （b）trlrttltRrRtlrttrRR lttrtRR 应

16、变式传感器trlrttltRrRt2223138rPrxh222311 38tPrxh应变式传感器根据应力分布图，当根据应力分布图，当x=0.635r时，时，r=0；x0，即为拉应力；，即为拉应力；x0.635r时，时，r0，即为压应力。，即为压应力。当当x=0.812r时，时，t=0，仅有，仅有r存在，且存在，且r0，即为压应，即为压应力。力。trrttr3P4rh23P4rh23P(1+)8rh2平膜片的应力分布图00.51trlrttltRrRt应变式传感器USCRR+RTACDBRR+RTR+R+RTR+R+RT恒恒流流源源I12ABCADCIIITTBDSCRRRIRRRIUU212

17、1SCUIR应变式传感器 R2R4R1R3USC温度漂移的补偿RpBCDARSEDi应变式传感器 R2R4R1R3USC温度漂移的补偿RpBCDARSEDi补偿电阻补偿电阻RS、RP的计算：的计算：设设R1、R2、R3、R4与与R1、R2、R3、R4为四个桥臂为四个桥臂电阻在低温和高温下的实测电阻在低温和高温下的实测数据，数据，RS、RP与与RS、RS分分别为别为RS、RP在低温与高温下在低温与高温下的欲求数值。的欲求数值。应变式传感器21234PSPR RRRRRRR 21234PSPR RRRRRRR 1SSRRT 1PPRRT应变式传感器 R2R4R1R3USC温度漂移的补偿RpBCDA

18、RSEDi说明传感器的压阻系数的温度系说明传感器的压阻系数的温度系数为数为。补偿灵敏度温漂可以采用在补偿灵敏度温漂可以采用在电源回路中电源回路中串联二级管串联二级管的方的方法。法。二极管二极管PN结的温度特性为结的温度特性为负值负值，温，温度每升高度每升高1时，正向压降约减小时，正向压降约减小(1.92.5)mV。温度温度压阻系数压阻系数输出输出二极管压降二极管压降输出输出应变式传感器 R2R4R1R3USC温度漂移的补偿温度漂移的补偿RpBCDARSEDi设温度变化引起满量程输出为：设温度变化引起满量程输出为： USC= USCUSC电桥的满量程补偿输出：电桥的满量程补偿输出：R/R：满量程

19、电阻相对变化量，满量程电阻相对变化量，上式计算出为补偿灵敏度随温度下降，上式计算出为补偿灵敏度随温度下降，桥压需要提高的数值桥压需要提高的数值E。用串联二极管补偿用串联二极管补偿当当n只二极管串联时，可得：只二极管串联时，可得： nT=E式中式中二极管二极管PN结正向压降的温度结正向压降的温度系数，一般为系数，一般为-2mV/；n串联二极管的个数；串联二极管的个数；T温度的变化范围。温度的变化范围。RREUSCRREUUSCSC 应变式传感器 R2R4R1R3USC温度漂移的补偿RpBCDARSEDiEnT 应变式传感器稳压源+R1R2R3R4ACBDRFrA1A2IoI1I21mA输出放大及

20、转换应变电桥（319）mARr（420）mA恒流源应变式传感器应变式传感器123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:13-Mar-2009Sheet of File:G:电路设计bkyali.ddbDrawn By:SUB6IR11VIN-2RG3RG4NC5IRET6IO7E8B9V+10VREG11VLIN12VIN+13IR214IC11234YJ1234PJbg1c1r1IR11VIN-2RG3RG4NC5IRET6IO7E8B9V+10VREG11VLIN12VIN+13IR214IC212WJr2r3r4r5c3bg2c2r6

21、xrt105xtr105r10r11应变式传感器应变式传感器应变式传感器107低压进气口低压进气口绝对压力传感器绝对压力传感器高压进气口高压进气口应变式传感器小型压阻式固态压力传感器小型压阻式固态压力传感器呼吸、透析和注射泵设备中用的压力传感器呼吸、透析和注射泵设备中用的压力传感器p1进气管进气管p2进气管进气管固态压力固态压力传感器传感器应变式传感器 比较重量设定原材料应变式传感器煤气包储量检测煤气包储量检测煤气包煤气包钢丝钢丝应变式传感器电阻应变式传感器的应用：测力应变式传感器应变式传感器应变式传感器应变式传感器应变式传感器汽车衡汽车衡称重系统称重系统应变式传感器应变式数显扭矩扳手应变式数

22、显扭矩扳手 可用于汽车、摩托车、飞机、内燃机、机械可用于汽车、摩托车、飞机、内燃机、机械制造和家用电器等领域，准确控制紧固螺纹的制造和家用电器等领域，准确控制紧固螺纹的装配扭矩。量程装配扭矩。量程2500N.m，耗电量耗电量10mA，有公制有公制/英制单位转换、峰值保持、自动断电英制单位转换、峰值保持、自动断电等功能。等功能。应变式传感器 压阻式固态压力传感器用于投入式液位计：压阻式固态压力传感器用于投入式液位计：p1的进气孔用柔性不锈钢隔离膜片隔离，并用的进气孔用柔性不锈钢隔离膜片隔离，并用硅油传导压力而与液体相通。硅油传导压力而与液体相通。 应变式传感器投入式液位计外形（续）投入式液位计外

23、形（续） 压阻式固压阻式固态压力传态压力传感器感器 光柱光柱 显示器显示器 橡胶橡胶 背压管背压管 应变式传感器投入式液位传感器投入式液位传感器安装方便，适应于安装方便，适应于深度为深度为 几米几米 至至 几十几十米，且混有米，且混有 大大 量量 污污物、杂质的水或其物、杂质的水或其他液体的液位测量。他液体的液位测量。 应变式传感器例题例题:L=100mm l=80mm h=20mm,b=10mm E=2*104 N/mm2 =2000/2, u=4v, k=2 求求 : Fmax,vo解解:1. 2.)(13331*2*2000010*61622maxNbhLF)(10*6410*20*10

24、*280*6*1333884*244)(4)(4324432144332211VEKURRRRRRRRUVOMAX62bhFL应变式传感器应变式传感器应变式传感器应变式传感器样。而取向是用晶向表示的，所谓样。而取向是用晶向表示的，所谓晶向晶向就是晶就是晶面的法线方向。面的法线方向。应变式传感器晶向、晶面的表示方法晶向、晶面的表示方法 结晶体是具有多面体形态的固体，由分子、原子或离子有结晶体是具有多面体形态的固体，由分子、原子或离子有规则排列而成。这种多面体的表面由称为规则排列而成。这种多面体的表面由称为晶面晶面的许多平面围合的许多平面围合而成。晶面与晶面相交的直线称为而成。晶面与晶面相交的直线

25、称为晶棱晶棱，晶棱的交点称为，晶棱的交点称为晶体晶体的顶点的顶点。为了说明晶格点阵的配置和确定晶面的位置，通常引。为了说明晶格点阵的配置和确定晶面的位置，通常引进一组对称轴线，称为进一组对称轴线，称为晶轴晶轴，用，用X X、Y Y、Z Z表示。表示。 C ZOBAXY11晶体晶面的截距表示 硅为立方晶体结构，就取硅为立方晶体结构，就取立方晶体的三个相邻边为立方晶体的三个相邻边为X、Y、Z。在晶轴。在晶轴X、Y、Z上取与所上取与所有晶轴相交的某晶面为单位晶有晶轴相交的某晶面为单位晶面，如图所示。面，如图所示。 应变式传感器rqpOCOCOBOBOAOAzyx:lkhpppOCOCOBOBOAOA

26、zyx:1:1:1: C ZOBAXY11晶体晶面的截距表示晶体晶面的截距表示应变式传感器 C ZOBAXY11晶体晶面的截距表示晶体晶面的截距表示 而晶向是晶面的法线方向，根据有关的规定，晶面晶面符号为(hkl)，晶面全集晶面全集符号为hkl，晶向符号为 hkl，晶向晶向全集全集符号为hkl。晶面所截的线段对于X轴，O点之前为正，O点之后为负；对于Y轴，O点右边为正，O点左边为负；对于Z轴，在O点之上为正，O点之下为负。 依据上述规定的晶体符号的表示方法，可用来分析立方晶体中的晶面、晶向。在立方晶体中，所有的原子可看成是分布在与上下晶面相平行的一簇晶面上，也可看作是分布在与两侧晶面相平行的一簇晶面上，要区分这不同的晶面，需采用密勒指数来对晶面进行标记。晶面若在X、Y、Z轴上截取单位截距时，密勒指数就是1、1、1。故晶面、晶向、晶面全集及晶体