传感器原理及应用-第3章-应变式传感器课件

1、电阻应变式传感器 第三章 应变式传感器 电阻元件非电量电阻变化电阻应变式传感器利用电阻应变片将应变转换为电阻变化的传感器。组成在弹性元件上粘贴电阻应变敏感元件构成。工作过程当被测物理量作用在弹性元件上时, 弹性元件的变形引起应变敏感元件的阻值变化, 通过转换电路将其转变成电量输出, 电量变化的大小反映了被测物理量的大小。 第三章 应变式传感器 应变式电阻传感器作为测力的主要传感器，测力范围小到肌肉纤维，大到登月火箭，精确度可到 0.01-0.1%。有拉压式（柱、筒、环元件）、弯曲式、剪切式。 应变式传感器特征： 材料类型：金属应变片、半导体应变片 应用范围：应变力、压力、转矩、位移、加速度主要

2、优点：使用简单、精度高、范围大、体积小电阻应变式传感器电阻应变片的发展历史 第三章 应变式传感器 1856年，W. Thomoson发现金属丝的应变效应，并用惠斯通电桥精确测量电阻的变化 。1938年，E. Simmons和A. Ruge制成纸基丝绕式应变片。1953年，P. Jackson用光刻技术制成箔式应变片。1954年，C. Smith发现半导体材料的压阻效应。 1957年，W. Mason研制出半导体应变片。应变式传感器的核心元件：电阻应变片，试件上的应力变化转换成电阻变化。 应变效应:导体或半导体在受到外界力的作用时，产生机械变形，机械变形导致其阻值变化，这种因形变而使阻值发生变化

3、的现象称为应变效应。 应变效应3.1 电阻应变片的工作原理金属丝的应变效应ll+ dl2r2(r-dr)FF3.1 电阻应变片的工作原理一、金属的应变效应3.1 电阻应变片的工作原理一、金属的应变效应即金属的电阻相对变化与应变成正比关系。3.1 电阻应变片的工作原理一、金属的应变效应通过弹性元件，可将应力转换为应变，这是应变式传感器测量应力的基本原理。半导体应变片又称为压阻式传感器。基于半导体材料的压阻效应而制成的一种纯电阻性元件。3.1 电阻应变片的工作原理压阻效应 半导体材料的电阻率随作用应力的变化而发生变化的现象。 半导体材料敏感条电阻率的相对变化值与其在轴向所受的应力之比为一常数。即二

4、、半导体的压阻效应当半导体材料受轴向力作用时，电阻相对变化为几何形状压阻效应 第三章 应变式传感器 3.1 电阻应变片的工作原理3.2 电阻应变片的种类3.3 电阻应变片的主要特性3.4 电阻应变片的测量电路3.5 应变式传感器的应用基片覆盖层金属丝引线金属丝应变片结构1、金属丝式应变片 金属电阻丝（合金，电阻率高，直径约0.02mm）粘贴在绝缘基片上，上面覆盖一层薄膜，变成一个整体。 3.2 电阻应变片的种类利用光刻、腐蚀等工艺制成一种很薄的金属箔栅，厚度一般在0.0030.010 mm，粘贴在基片上，上面再覆盖一层薄膜而制成。优点：表面积和截面积之比大，散热条件好，允许通过的电流较大，可制

5、成各种需要的形状，便于批量生产。金属箔式应变片3.2 电阻应变片的种类2、金属箔式应变片金属薄膜应变片是采用真空蒸镀或溅射式阴极扩散等方法，在薄的基底材料上制成一层金属电阻材料薄膜以形成应变片。特点：这种应变片有较高的灵敏度系数，允许电流密度大，工作温度范围较广。 常用金属薄膜应变片3.2 电阻应变片的种类3、金属薄膜应变片 第三章 应变式传感器 3.1 电阻应变片的工作原理3.2 电阻应变片的种类3.3 电阻应变片的主要特性3.4 电阻应变片的测量电路3.5 应变式传感器的应用变形 物体在外力作用下而改变原来尺寸或形状的现象。弹性变形 当外力去掉后物体又能完全恢复其原来的尺寸和形状。弹性元件

6、 具有弹性变形特性的物体。 3.3 电阻应变片的主要特性一、弹性敏感元件的基本特性弹性元件在应变片测量技术中有极其重要地位。 传递给粘贴在弹性元件上的应变片力、力矩或压力变换成相应的应变或位移力、力矩或压力通过应变片转换成相应的电阻值3.3 电阻应变片的主要特性一、弹性敏感元件的基本特性 2、灵敏度灵敏度：单位力作用下弹性元件产生变形的大小。灵敏度大，表明弹性元件软，变形大。弹性特性曲线 与刚度相似，如果弹性特性是线性的，则灵敏度为一常数，若弹性特性是非线性的，则灵敏度为一变数，即表示此弹性元件在弹性变形范围内，各处由单位力产生的变形大小是不同的。 3.3 电阻应变片的主要特性二、电阻应变片的

7、灵敏系数实验表明，应变片的电阻相对变化与应变在很宽的范围内均为线性关系：应变片敏感栅的两端为半圆弧形的横栅，测量应变时，构件的轴向应变使敏感栅电阻发生变化，而其横向应变也使敏感栅半圆弧部分的电阻发生变化。 应变片的这种既受轴向应变影响，又受横向应变影响而引起电阻变化的现象称为横向效应。3.3 电阻应变片的主要特性三、电阻应变片的横向效应为了减小横向效应产生的测量误差，现在多采用箔式应变片。机械滞后产生原因： （1）应变片在承受机械应变后的残余变形，使敏感栅电阻发生少量不可逆变化； （2）在制造或粘贴应变片时，敏感栅受到的不适当的变形或粘结剂固化不充分等。1、机械滞后定义：应变片粘贴在被测试件上

8、，当温度恒定时，其加载特性与卸载特性不重合。3.3 电阻应变片的主要特性四、电阻应变片的机械滞后、零漂及蠕变应变片的机械滞后1机械应变R卸载加载指示应变i还与应变片所承受的应变量有关，加载时的应变愈大，卸载时的滞后也愈大。通常在实验之前预先加、卸载若干次，以减少因机械滞后误差。1、电阻值 应变片的电阻值是指应变片没有粘贴且未受应变时，在室温下测定的电阻值，即初始电阻值。 金属电阻应变片的电阻值已标准化，有一定的系列，如60、120、250、350和1000，其中以120最为常用。 3.3 电阻应变片的主要特性六、电阻应变片的电阻值、绝缘电阻和最大工作电流3.3 电阻应变片的主要特性六、电阻应变

9、片的电阻值、绝缘电阻和最大工作电流 第三章 应变式传感器 3.1 电阻应变片的工作原理3.2 电阻应变片的种类3.3 电阻应变片的主要特性3.4 电阻应变片的测量电路3.5 应变式传感器的应用直流电桥U0ERLR2R4R1R3直流测量电桥3.4 电阻应变片的测量电路 1、平衡条件 2、电压灵敏度3.4 电阻应变片的测量电路 直流电桥 电压灵敏度是桥臂比的函数，恰当地选择桥臂比的值，保证有高的电压灵敏度。 2、电压灵敏度3.4 电阻应变片的测量电路 直流电桥当供桥电压和电阻相对变化一定时，电桥的输出电压及其灵敏度也是定值，且与各桥臂阻值大小无关。 （1）非线性误差3、非线性误差及补偿方法3.4

10、电阻应变片的测量电路 直流电桥（2）减小或消除非线性误差的方法3.4 电阻应变片的测量电路 3、非线性误差及补偿方法直流电桥3.4 电阻应变片的测量电路 当电桥开路时，不平衡电桥输出的电压为ERLR2-R2R4R1+R1R3U0半桥差动电路（2）减小或消除非线性误差的方法采用差动电桥半桥 3、非线性误差及补偿方法直流电桥结论 全桥差动电桥也无非线性误差；电压灵敏度是使用单只应变片的4倍，比半桥差动提高了一倍。ERLR2-R2R4+R4R1+R1U0全桥差动电路R3 -R33.4 电阻应变片的测量电路 （2）减小或消除非线性误差的方法3、非线性误差及补偿方法直流电桥 第三章 应变式传感器 3.1

11、 电阻应变片的工作原理3.2 电阻应变片的种类3.3 电阻应变片的主要特性3.4 电阻应变片的测量电路3.5 应变式传感器的应用应变式传感器的特点1、应变式传感器的优点3.5 应变式传感器的应用 应用和测量范围广精度和灵敏度高对复杂环境的适应性强商品化2、应变式传感器的缺点大应变下的非线性输出信号弱抗干扰能力差概念：被测物理量为荷重或力的应变式传感器时，统称为应变式力传感器。用途：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。 特点：有较高的灵敏度和稳定性，在受到侧向作用力或力的作用点少量变化时，对输出没有明显的影响。一、应变式力（荷重）传感器3.5 应变式传感器的应用 常见种类：1、柱（筒）式力传感器 2、环式力传感器3、悬臂梁式力传感器F柱筒式力传感器，应变片粘贴在弹性体外壁应力分布均匀的中间部分。应变片对称地粘贴多片，电桥接线时考虑尽量减小载荷偏心和弯矩影响。横向贴片可提高灵敏度。 1、柱（筒）式力传感器 3.5 应变式传感器的应用 F-2+1面积SF实心圆柱F面积S-1+2空心圆柱FR6R7R8R2R3R4R5R1圆柱面展开图u0U0R1R3R5R7R6R8R2R4桥路连接一、应变式力（荷重）传感器2、环式力传感器3.5 应变式传感器的应用 环式结构应力分布一、应变式力