应变式传感器

1、应变式传感器一、一、电阻应变片电阻应变片二、二、转换电路转换电路三、三、应变式传感器应变式传感器第二讲第二讲 应变式传感器应变式传感器 应变式传感器是根据应变原理，通过应变片和弹性元应变式传感器是根据应变原理，通过应变片和弹性元件将机械构件的应变或应力转换为电阻的微小变化再进行件将机械构件的应变或应力转换为电阻的微小变化再进行电量测量的装置。其基本构成如下框图所示。电量测量的装置。其基本构成如下框图所示。图图2-2-1 应变式传感器原理框图应变式传感器原理框图 应变式传感器广泛应用于应变、荷重、压力和加速应变式传感器广泛应用于应变、荷重、压力和加速度等机械量的测量。度等机械量的测量。一、电阻应

2、变片一、电阻应变片1 1、应变效应与电阻应变片的工作原理、应变效应与电阻应变片的工作原理 导体在外界力的作用下产生机械变形时，其电阻值亦导体在外界力的作用下产生机械变形时，其电阻值亦将随之发生变化，这种现象称为将随之发生变化，这种现象称为应变效应应变效应。 对于半导体材料，在某一晶向受应力对于半导体材料，在某一晶向受应力作用时，作用时，其电阻率将产生较大变化，而几何尺寸变化很小，这其电阻率将产生较大变化，而几何尺寸变化很小，这种现象称为种现象称为压阻效应。压阻效应。相应的，半导体应变电阻也常相应的，半导体应变电阻也常称为压阻元件。半导体材料压阻效应的表达式为称为压阻元件。半导体材料压阻效应的表

3、达式为llkRR)21 (为金属电阻丝的泊松比，为金属电阻丝的泊松比，对于金属电阻材料，对于金属电阻材料，k=2。式（式（2-2-12-2-1）高于金属材料llllkERR式（式（2-2-22-2-2）2 2、电阻应变片的类型与结构、电阻应变片的类型与结构 引线覆盖层基片电阻丝式敏感栅lb3 3、应变片主要技术指标、应变片主要技术指标 参数名称 电阻值 / 灵敏度 电阻温度系数 / （1/C） 极限工作温度 / C 最大工作电流 / mA PZ-120型 PJ-120型 BX-200型 BA-120型 BB-350型 PBD-1K型 PBD-120型 120 120 200 120 350 1

4、000+10% 120+10% 1.92.1 1.92.1 1.92.2 1.92.2 1.92.2 140+5% 120+5% 2010-6 2010-6 0.4% 0.2% -1040 -1040 -3060 -30200 -30170 60 60 20 20 25 25 25 15 25 4 4、应变片主要技术指标（续）、应变片主要技术指标（续）4 4）其它表示应变计性能的参数（工作温度、滞后、）其它表示应变计性能的参数（工作温度、滞后、 蠕变、零漂以及疲劳寿命、横向灵敏度等）。蠕变、零漂以及疲劳寿命、横向灵敏度等）。 2 2）电阻值：应变计的原始电阻值。）电阻值：应变计的原始电阻值。

5、3 3）灵敏系数：表示应变计变换性能的重要参数。）灵敏系数：表示应变计变换性能的重要参数。 1 1）几何参数：表距）几何参数：表距 和丝栅宽度和丝栅宽度b b，制造厂常用，制造厂常用 b b 表示。表示。ll5 5、金属电阻应变片的材料、金属电阻应变片的材料 对电阻丝材料应有如下要求：对电阻丝材料应有如下要求： 灵敏系数大，灵敏系数大， 且在相当大的应变范围内保持常数；且在相当大的应变范围内保持常数； 值大，即在同样长度、同样横截面积的电阻丝中具有较大值大，即在同样长度、同样横截面积的电阻丝中具有较大的电阻值；的电阻值； 电阻温度系数小，否则因环境温度变化也会改变其阻值；电阻温度系数小，否则因

6、环境温度变化也会改变其阻值； 与铜线的焊接性能好，与铜线的焊接性能好， 与其它金属的接触电势小；与其它金属的接触电势小； 机械强度高，机械强度高， 具有优良的机械加工性能。具有优良的机械加工性能。 6 6、应变片的使用、应变片的使用（1 1）应变片的选择）应变片的选择 主要考虑尺寸、初始电阻、主要考虑尺寸、初始电阻、绝缘电阻及允许工作电流。绝缘电阻及允许工作电流。（2 2）应变片粘贴）应变片粘贴 应变片的粘合剂的种类很多，应变片的粘合剂的种类很多，要根据基片材料、工作温度、潮湿程度、稳定性，要根据基片材料、工作温度、潮湿程度、稳定性，是否加温加压以及粘贴时间等多种因素合理选择是否加温加压以及粘

7、贴时间等多种因素合理选择粘合剂。应变片的粘贴工艺包括：粘合剂。应变片的粘贴工艺包括：1）试件的表面处理。清洁）试件的表面处理。清洁2）确定贴片位置。在试件应变最大的部位。）确定贴片位置。在试件应变最大的部位。3）粘贴。清洗试件表面和应变片的底面）粘贴。清洗试件表面和应变片的底面, 涂敷粘涂敷粘合剂，将应变片贴在确定的位置处。贴片后，在合剂，将应变片贴在确定的位置处。贴片后，在应变片上盖上一张玻璃纸并加压，排出多余的胶应变片上盖上一张玻璃纸并加压，排出多余的胶水和气泡。水和气泡。4）固化。）固化。5）粘贴质量检查。）粘贴质量检查。6）引线的焊接与防护。）引线的焊接与防护。二、转换电路二、转换电路

8、 电阻式传感器可以用直流电桥或交流电桥作为转换电路。电阻式传感器可以用直流电桥或交流电桥作为转换电路。图图2-2-3 常用电桥电路常用电桥电路a）单臂）单臂 b）双臂）双臂 c）全桥）全桥 d)交流电桥交流电桥1、直流电桥的输出电压、直流电桥的输出电压在略去分母在略去分母R R一次项和分子一次项和分子R R二次项并整理后，全桥的二次项并整理后，全桥的输出电压表示为：输出电压表示为：图图2-2-4 2-2-4 最简单的直流电桥电路最简单的直流电桥电路)(444332211ioRRRRRRRRUU-式（式（2-2-32-2-3）(1)(1)半桥单臂工作方式半桥单臂工作方式 如图如图2-2-3a2-

9、2-3a）所示，）所示，R R1 1为变量，为变量，其余各臂为固定电阻，则输出电压变为其余各臂为固定电阻，则输出电压变为(2)(2)半桥双臂工作方式半桥双臂工作方式 如图如图2-3b2-3b）所示，）所示，R R1 1、R R2 2均均为变量，为变量，R R3 3、R R4 4为固定电阻，则输出电压变为为固定电阻，则输出电压变为2 2、直流电桥的工作方式、直流电桥的工作方式)(42211ioRRRRUU-式（式（2-2-52-2-5）11io4RRUU式（式（2-2-42-2-4） 可见相邻桥臂间为相减关系，相对桥臂间为相加关系。可见相邻桥臂间为相减关系，相对桥臂间为相加关系。因此构成差动电桥

10、的条件为：相邻桥臂传感器应变方向应因此构成差动电桥的条件为：相邻桥臂传感器应变方向应相反，相对桥臂传感器应变方向应相同。如果桥臂传感器相反，相对桥臂传感器应变方向应相同。如果桥臂传感器应变量相等，则此电桥称为对称电桥。应变量相等，则此电桥称为对称电桥。 为为了减小和克服非线性误差，常采用差动电桥如图了减小和克服非线性误差，常采用差动电桥如图2-2-32-2-3所示，所示， 在在试件上安装两个工作应变片，一个受拉应变，一个受压应变，试件上安装两个工作应变片，一个受拉应变，一个受压应变， 接入电接入电桥相邻桥臂，称为半桥桥相邻桥臂，称为半桥差动差动电路，电路， 如图如图2-2-32-2-3b b)

11、 ) 所示。所示。 R1=R2，R1=R2，R3=R4， 为半桥双臂电桥，其输出电压为为半桥双臂电桥，其输出电压为: : (3)(3)差动工作方式：差动工作方式：半桥双臂半桥双臂 :11io2RRUU式（式（2-2-62-2-6）全对称电桥全对称电桥: 11ioRRUU式（式（2-2-72-2-7）1 1）差动电桥无非线性误差，而且电桥电压灵敏度是单）差动电桥无非线性误差，而且电桥电压灵敏度是单臂工作时的两倍，同时还具有温度补偿作用。臂工作时的两倍，同时还具有温度补偿作用。 2 2）全桥差动电路不仅没有非线性误差，而且电压）全桥差动电路不仅没有非线性误差，而且电压灵敏度为单片工作时的灵敏度为单

12、片工作时的4 4倍，同时仍具有温度补偿倍，同时仍具有温度补偿作用。作用。 3 3、直流电桥的温度补偿、直流电桥的温度补偿3 3）可以用热敏电阻进行温度补偿。）可以用热敏电阻进行温度补偿。 调节调节RP，最终可以使，最终可以使R1 1 /R2 2 =R4 4/R3 3（ R1 1 、R2 2 是是R1 1、R2 2并联并联RP后的等效电阻），电后的等效电阻），电桥趋于平衡，桥趋于平衡，Uo o被预调到零位，被预调到零位，这一过程称为调零。图中的这一过程称为调零。图中的R5 5是用于减小调节范围的限流电是用于减小调节范围的限流电阻。阻。 4 4、直流电桥的平衡调节、直流电桥的平衡调节电桥平衡条件：

13、R1/R2=R4/R3图图2-2-5 2-2-5 直流电桥的调零直流电桥的调零下图所示的静态应变仪测量范围：下图所示的静态应变仪测量范围：1999919999；分辨率：分辨率： 11；电桥电压：直流；电桥电压：直流2.5V2.5V； 应变片：应变片：120120或其他阻值；或其他阻值； 测量点数：测量点数：8/168/16点；点； 图图2-2-3d) 2-2-3d) 交流电桥的一般形式，交流电桥的一般形式，U Ui i 为交流电压源，为交流电压源， 由于由于供桥电源为交流电源，引线分布电容使得桥臂应变片呈现复阻供桥电源为交流电源，引线分布电容使得桥臂应变片呈现复阻抗特性，即相当于应变片各并联了

14、一个电容。抗特性，即相当于应变片各并联了一个电容。四、交流电桥四、交流电桥 根据直流电桥分析可知，由于应变电桥输出电压很小，根据直流电桥分析可知，由于应变电桥输出电压很小，一般都要加放大器，而直流放大器易于产生零漂，因此应变一般都要加放大器，而直流放大器易于产生零漂，因此应变电桥多采用交流电桥。交流电桥的应用更为广泛。直流电桥电桥多采用交流电桥。交流电桥的应用更为广泛。直流电桥只用于较大应变的测量，交流电桥可用于各种应变的测量。只用于较大应变的测量，交流电桥可用于各种应变的测量。 对这种交流电容电桥对这种交流电容电桥, , 除要满足电阻平衡条件外除要满足电阻平衡条件外, , 还必须还必须满足电

15、容平衡条件。为此在桥路上除设有满足电容平衡条件。为此在桥路上除设有电阻平衡调节外还设电阻平衡调节外还设有电容平衡调节有电容平衡调节。电桥平衡调节电路如图。电桥平衡调节电路如图 2-2-3d) 2-2-3d) 所示。所示。 如图如图2-2-62-2-6所示，所示，交流电桥的输出电交流电桥的输出电压是一个调幅信号，压是一个调幅信号，其载波是电桥的激其载波是电桥的激励电源，幅度受桥励电源，幅度受桥臂变化信号调制，臂变化信号调制，当调制信号极性改当调制信号极性改变时，调幅信号相变时，调幅信号相位反转位反转180180。图图2-2-6 交流电桥的调幅特性交流电桥的调幅特性1 1、交流电桥的输出电压、交流

16、电桥的输出电压2 2、二极管相敏检波电路、二极管相敏检波电路图图2-2-2-7 二极管相敏检波电路二极管相敏检波电路 T T1 1的一次侧的一次侧输入调幅波输入调幅波u ui i，T T2 2的一次侧输入参的一次侧输入参考电压考电压u ur r，u ur r可直可直接取自载波，它接取自载波，它与与u ui i频率相同，频率相同，相位相同或相反，相位相同或相反，比比u ui i幅度大幅度大3 35 5倍。变压器的极倍。变压器的极性标定如图所示。性标定如图所示。具体分析：具体分析：A.A.当调制信号为正时，当调制信号为正时，u ui i与载波相位相同，故与载波相位相同，故u ur r与与u ui

17、i相位也相同。相位也相同。1)1)在在u ui i的正半周时，的正半周时，u ur r给二极管给二极管VD3VD3、VD4VD4正向偏置使之正向偏置使之导通，给导通，给VD1VD1、VD2VD2反向偏置使之反向偏置使之截止。信号路径如截止。信号路径如所示。所示。电流上正下负电流上正下负2)2)在在u ui i的负半周时，的负半周时，u ur r使使VD1VD1、VD2VD2导通，导通， VD3VD3、VD4VD4 截止。信号路径如截止。信号路径如所示。所示。电流仍为上正下负电流仍为上正下负B.B.当调制信号为负时，当调制信号为负时，u ui i与载波相位相反，故与载波相位相反，故u ur r与

18、与u ui i相位也相反。相位也相反。1)1)在在u ui i的正半周时，的正半周时，u ur r为负，为负，VD1VD1、VD2VD2导通，导通，VD3VD3、VD4VD4截止。信号路截止。信号路径如径如所示。所示。电流上负下正电流上负下正2)2)在在u ui i的负半周时，的负半周时，u ur r为正，为正，VD3VD3、VD4VD4导通，导通，VD1VD1、VD2VD2截止。信号路截止。信号路径如径如所示。所示。电流仍为上负下正电流仍为上负下正相敏检波的特点：相敏检波的特点： 1 1）相敏检波输出信号的极性与调制信号极性相同，即能）相敏检波输出信号的极性与调制信号极性相同，即能识别方向；

19、识别方向； 2 2）相敏检波输出信号的幅值与调制信号的幅值相同，即）相敏检波输出信号的幅值与调制信号的幅值相同，即能表示被测值；能表示被测值； 3 3）相敏检波输出信号的频率等于载波频率的二倍。因此，）相敏检波输出信号的频率等于载波频率的二倍。因此，只要在相敏检波后加入适当的低通滤波器，便可得到调制波信只要在相敏检波后加入适当的低通滤波器，便可得到调制波信号。如果测量装置频率响应较低，如磁电式电流表，也可不需号。如果测量装置频率响应较低，如磁电式电流表，也可不需加滤波器。加滤波器。 应变式电阻传感器是应变式电阻传感器是目前测量力、力矩、目前测量力、力矩、 压压力、加速度、重量等参数力、加速度、

20、重量等参数应用最广泛的传感器。应用最广泛的传感器。 五、应变式传感器五、应变式传感器 电阻应变式传感器是利用电阻应变片将应变电阻应变式传感器是利用电阻应变片将应变转换为电阻变化的传感器转换为电阻变化的传感器, , 传感器由在弹性元件传感器由在弹性元件上粘贴电阻应变敏感元件构成。上粘贴电阻应变敏感元件构成。 当被测物理量作当被测物理量作用在弹性元件上时用在弹性元件上时, , 弹性元件的变形引起应变敏弹性元件的变形引起应变敏感元件的阻值变化感元件的阻值变化, , 通过转换电路将其转变成电通过转换电路将其转变成电量输出量输出, , 电量变化的大小反映了被测物理量的大电量变化的大小反映了被测物理量的大

21、小。小。1 1、应变式力传感器、应变式力传感器 应变式力传感器主要作为各种电子秤应变式力传感器主要作为各种电子秤( (约约占占9090) )和材料试验机的测力元件，或用于发和材料试验机的测力元件，或用于发动机的推力测试等。根据弹性元件的不同形状，动机的推力测试等。根据弹性元件的不同形状，可以制成柱式、环式和梁式等荷重和力的传感可以制成柱式、环式和梁式等荷重和力的传感器。器。应变式力传感器应变式力传感器 FFFFFR1R2 R4GX-1GX-1型悬臂梁称重传感器，结构外形如图所示。型悬臂梁称重传感器，结构外形如图所示。汽车衡 应变式压力传感器主要用来测量流动介质的应变式压力传感器主要用来测量流动

22、介质的动态或静态压力。如动力管道设备的进出口气体动态或静态压力。如动力管道设备的进出口气体或液体的压力、发动机内部的压力变化或液体的压力、发动机内部的压力变化, , 枪管及枪管及炮管内部的压力、内燃机管道压力等。应变片压炮管内部的压力、内燃机管道压力等。应变片压力传感器大多采用膜片式或筒式弹性元件。应变力传感器大多采用膜片式或筒式弹性元件。应变式压力传感器的测量范围在式压力传感器的测量范围在10104 410107 7PaPa之间。之间。2 2、应变式压力传感器、应变式压力传感器 图图 2-2-8 2-2-8 所示为膜片式压力传感器所示为膜片式压力传感器, , 应变片应变片贴在膜片内壁贴在膜片内壁, , 在压力在压