电阻应变式传感器资料

1、3.1 概述 3.2 电阻应变片特性 3.3 电阻应变片温度误差及补偿 3.4 应变式传感器的测量电路 3.5 应变式传感器应用,3 应变式传感器,2,各种电子秤,广泛应用于,3.1 概述,3,4,机械秤 包装机,吊秤,遥 动 遥 控 吊 秤,液 压 叉 车 秤,5,上海卢浦大桥通车应变试验,6,上海国际会议中心模型试验,7,打桩船吊塔 强度试验,当被测物理量作用在弹性敏感元件上时，弹性敏感元件的变形，产生的应变引起应变片的阻值变化，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。,电阻应变式传感器工作原理,传感器由弹性敏感元件上粘贴电阻应变片构成。,电阻应变片（转换元

2、件）,应变,电阻变化,弹性敏感元件,9,10,3.2 电阻应变片,一、 电阻应变片的种类 电阻应变片品种繁多，形式多样。但常用的应变片可分为两类:,半导体电阻应变片：用半导体材料制成的，其工作原理是基于半导体材料的压阻效应。 所谓压阻效应，是指半导体材料在某一轴向受外力作用时, 其电阻率发生变化的现象。,金属电阻应变片：根据敏感栅分为丝式、箔式和薄膜式三种。其工作原理是基于金属材料的应变效应。,图3.2.1为丝绕式电阻应变片的结构示意图。它以直径为0.025mm左右的、高电阻率的合金电阻丝绕成形如栅栏的敏感栅。,应变片的基本结构（丝式）,基底,图3.2.1 丝绕式电阻应变片,1)基底 为保持敏

3、感栅固定的形状、尺寸和位置，通常用粘结剂将它固结在纸质或胶质的基底上，还有绝缘作用。一般为0.02-0.04mm 2)敏感栅 应变计中实现应变-电阻转换的转换元件。其电阻值一般在100以上 3)覆盖层 用纸、胶做成覆盖在敏感栅上的保护层；起着绝缘、防潮、防蚀、防损等作用 4)引线 它起着敏感栅与测量电路之间的过渡连接和引导作用。,14,(1)金属应变片的工作原理是基于金属的应变效应 在导体产生机械变形时，它的电阻值相应发生变化。,二、金属应变片工作原理,图3.2.2 金属电阻丝受力变形情况,(2) 电阻-应变特性,如图 3.2.2 所示, 一根金属电阻丝在其未受力时, 原始电阻值为 ,式中:

4、电阻丝的电阻率; L电阻丝的长度; S电阻丝的截面积。,当电阻丝受到拉力F作用时, 将伸长dL, 横截面积相应减小dS, 电阻率将因晶格发生变形等因素而改变d, 故引起电阻值相对变化量为,dS/S为圆形电阻丝的截面积相对变化量, 即,式中dL/L是长度相对变化量, 用轴向应变x表示,(3-1),y： dr/r 径向应变,x： dL/L轴向应变,由材料力学可知, 在弹性范围内, 金属丝受拉力时, 沿轴向伸长, 沿径向缩短, 那么轴向应变x和径向应变y的关系可表示为,式中: 电阻丝材料的泊松系数, 负号表示应变方向相反。,将上式代入式（3-1），可得,或,通常把金属丝产生单位变形所引起的电阻值相对

5、变化量称为电阻丝的灵敏度系数Ks。其表达式为,金属丝受力后主要引起两个方面的变化： 材料几何尺寸变化（1+2）； 材料电阻率的变化（d/）/,大量实验证明, 在金属丝拉伸极限内, 电阻的相对变化与应变成正比, 即Ks为常数。故有：,当金属丝做成敏感栅后，实验表明应变片同样有,金属丝应变效应表示式：,Ks1+2,当将下图所示的应变片粘贴在被测试件上时, 其敏感栅是由n条长度为l1的直线段和(n-1)个半径为r的半圆组成。,(3) 横向效应,（a） 应变片及轴向受力图 （b） 应变片的横向效应图,将直的电阻丝绕成敏感栅后，虽然长度不变，但由于应变状态不同,应变片敏感栅的电阻变化较小，因而其灵敏系数

6、K较电阻丝的灵敏系数Ks小，这种现象称为应变片的横向效应。,减小横向效应误差的措施：一般采用箔式应变片。,各种金属箔式应变片,23,当测得应变片电阻值变化量R时, 便可得到被测对象的应变值。根据应力与应变的关系, 得到应力值为,(4) 测试原理,=E,应力 应变(=/E) R,式中 : 试件的应力; 试件的应变; E试件材料的弹性模量。,24,有一钢板，原长1米，钢板弹性模量为 ，使用BP-3箔式应变片电阻为120，灵敏度系数为2，测出拉伸应变为300，求钢板伸长l，应力，电阻相对变化R/R及电阻变化R。,半导体应变片受轴向力作用时, 其电阻相对变化为,三、半导体应变片工作原理,(3-2),式

7、中/为半导体应变片的电阻率相对变化量,/与半导体敏感元件在轴向所受的应变力关系为,式中: 半导体材料的压阻系数。,实验证明, E比(1+2)大上百倍, 所以(1+2)可以忽略, 因而半导体应变片的灵敏系数为,代入式(3-2)中得,半导体应变片突出优点是灵敏度高, 比金属丝式高50-80倍, 尺寸小, 横向效应小, 动态响应好。但它有温度系数大, 应变时非线性比较严重等缺点。,3.3 电阻应变片温度误差及补偿,由于测量现场环境温度的改变而给测量带来的附加误差，称为应变片的温度误差。产生应变片温度误差的主要因素有:,一、应变片的温度误差,1) 电阻丝阻值随温度发生变化,2) 当试件和电阻丝线膨胀系

8、数不同时，由于环境温度的变化，电阻丝会产生附加变形，从而产生附加电阻。,1) 桥路补偿法 电桥补偿是最常用的且效果较好的线路补偿法。图 3.3.1(a) 所示是电桥补偿法的原理图。电桥输出电压U0与桥臂参数的关系为,二、电阻应变片的温度补偿方法,电阻应变片的温度补偿方法通常有桥路补偿法和应变片自补偿法两大类。,3.3.1 电桥补偿法,式中: A由桥臂电阻和电源电压决定的常数。 R1工作应变片； RB补偿应变片,U0=A(R1R4- RBR3),测量应变时, 工作应变片R1粘贴在被测试件表面上, 补偿应变片RB粘贴在与被测试件材料完全相同的补偿块上, 且仅工作应变片承受应变。 如图 3.3.1(

9、b)所示。,当被测试件不承受应变时，R1和RB又处于同一环境温度为t的温度场中，调整电桥参数使之达到平衡，此时有,工程上，一般按R1=RB=R3=R4选取桥臂电阻。 当温度升高或降低t时，两个应变片因温度而引起的电阻变化量相等，电桥仍处于平衡状态， 即,若此时被测试件有应变的作用，则工作应变片电阻R1又有新的增量R1=R1K，而补偿片因不承受应变，故不产生新的增量，此时电桥输出电压为 U0 = AR1R4K,这种温度补偿法是利用自身具有温度补偿作用的应变片，称之为温度自补偿应变片。,2) 应变片的自补偿法,3.4 电阻应变片的测量电路,由于机械应变一般都很小，要把微小应变引起的微小电阻变化测量

10、出来，同时要把电阻相对变化R/ R转换为电压或电流的变化以方便显示和记录。 因此, 需要有专用测量电路用于测量应变变化而引起电阻变化的测量电路，通常采用电桥电路。,直流电桥 交流电桥,按桥压分,35,电桥电路如图3.4.1所示， 图中E为电源电压，R1、 R2、R3及R4为桥臂电阻， RL为负载电阻。,一、直流电桥的平衡条件,3.4.1 直流电桥,电桥的平衡条件,流过RL的电流为零或U0为零,应变片工作时，其电阻值变化很小，电桥相应输出电压也很小，一般需要应该接高输入电阻放大器放大。可以视电桥为开路情况。,当电桥平衡时，U0=0，则有,R1R4=R2R3,当RL时，电桥输出电压U0为：,或,上

11、式即为直流电桥平衡条件。这说明欲使电桥平衡，其相邻两臂电阻的比值应相等，或相对两臂电阻的乘积应相等。,37,R1为电阻应变片，R2, R3, R4为电桥固定电阻，这就构成了单臂电桥。,二、电压灵敏度,当产生应变时，若应变片电阻变化为R，其它桥臂固定不变，电桥输出电压U00，则电桥不平衡输出电压为,设桥臂比n=R2/R1，由于R1R1，分母中R1/R1可忽略， 并考虑到平衡条件R2/R1=R4/R3， 则上式可写为,从KU式分析发现： 电桥电压灵敏度正比于电桥供电电压，供电电压越高，电桥电压灵敏度越高，但供电电压的提高受到应变片允许功耗的限制，所以要作适当选择；,电桥电压灵敏度定义为, 电桥电压

12、灵敏度是桥臂电阻比值n的函数，恰当地选择桥臂比n的值，保证电桥具有较高的电压灵敏度。,当E值确定后，n取何值时才能使KU最高,由dKU/dn = 0求KU的最大值，得,求得n=1时，KU为最大值。这就是说，在供桥电压确定后，当R1=R2，R3=R4时，电桥电压灵敏度最高，此时有,从上述可知，当电源电压E和电阻相对变化量R1/R1一定时， 电桥的输出电压及其灵敏度也是定值，且与各桥臂电阻阻值大小无关。,U0式是略去分母中的R1/R1项，电桥输出电压与电阻相对变化成线性比的理想情况下得到的，实际情况则应按下式计算， 即,三、非线性误差及其补偿方法,当非线性误差不能满足测量要求时，必须予以消除。比如

13、半导体应变片的应变灵敏系数比较高，对半导体应变片的测量电路要做特殊处理。,U0与R1/R1的关系是非线性的，非线性误差为,如果是四等臂电桥，R1=R2=R3=R4，即n=1,为了减小和克服非线性误差，常采用差动电桥如图3.4.2所示，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，接入电桥相邻桥臂，称为半桥差动电路，如图3.4.2(a) 所示。 该电桥输出电压为,1.差动电桥,3.4.2 差动电桥,若R1=R2，R1=R2，R3=R4，则得,由上式可知，U0与R1/R1成线性关系，差动电桥无非线性误差，而且电桥电压灵敏度KU=E/2，是单臂工作时的两倍，同时还具有温度补偿作用。,若将电

14、桥四臂接入四片应变片，如图3.4.2(b)所示，即两个受拉应变，两个受压应变，将两个应变符号相同的接入相对桥臂上，构成全桥差动电路。若R1=R2=R3=R4，且R1=R2=R3=R4，则,此时全桥差动电路不仅没有非线性误差，而且电压灵敏度为单臂工作时的4倍，同时仍具有温度补偿作用。,48,当电桥各桥臂均有相应电阻变化R1，R2，R3，R4时,（当 R1 = R2= R3= R4=R）,（当Ri R）,通式：,49,(1)当RRi时，电桥的输出电压与应变成线性关系。 (2)若相邻两桥臂的应变极性一致，即同为拉应变或压应变时，输出电压为两者之差；若相邻两桥臂的应变极性不一致时，输出电压为两者之和。

15、 (3)若相对两桥臂的应变极性一致时，输出电压为两者之和；反之，输出电压为两者之差。,讨论：,电桥输出的八字原则： 相邻相减，相对相加。,合理地利用上述特性来粘贴应变片，可以提高传感器的测量灵敏度和获得温度补偿等。,工作原理分析 设：流过R1、R2支路的电流为I1；流过R3、R4支路的电流为I2。输出U0在无应变时为:,2.恒流源供电电桥,特点：桥路供电电流I=恒量。见图3.4.3。,图3.4.3 恒流源电桥,当有应变发生时R 1R 1+R 1，满足R1=R2=R3=R4=R,理想情况下,非线性误差为,被测物理量为荷重或力的应变式传感器, 统称为应变式力传感器。它们都是利用粘贴在弹性敏感元件上

16、的应变片感受局部变形来测量力的。 其主要用作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。 力传感器的弹性元件有柱式、梁式、环式、轮辐式，下面简要介绍两种形式的传感器。,一、 应变式力传感器,3.5 应变式传感器应用,分为空心（筒形）、实心（柱形），其结构是在圆筒或圆柱上按一定方式粘贴应变片，应变片粘贴在弹性体外壁应力分布均匀的中间部分，对称地粘贴多片。图3.5.1(a)、(b)分别为柱式、筒式力传感器。,1. 柱(筒)式力传感器,图3.5.1 圆柱（筒）式力传感器 （a） 柱式；（b） 筒式；,56,贴片在圆柱面上的展开位置及其在桥路中的连接如图(c)、(d)

17、所示，,圆柱（筒）在外力F作用下产生形变，对实心圆柱因外力作用产生的应变为：,式中：l弹性元件的长度，l长度的变化量； S弹性元件的横截面积，=F/S应力 F外力，E为弹性模量。,可见减小横截面积S可提高应力与应变的变换灵敏度，但S越小抗弯能力越差，易产生横向干扰，为解决这一矛盾多采用空心圆筒，空心圆筒在同样横截面积情况下，横向刚度大。弹性元件的高度H对传感器的精度和动态特性有影响，试验研究结果建议选用以下公式：,实心圆柱： H2D+L 空心圆柱： HD-d+L H、D、L分别为圆柱高、外径、应变片基长。,59,图中作用力F在各应变片上产生的应变分别为 1=+t=2=3=4 5=+t=6=7=

18、8 式中，柱体材料的泊松比；t温度t所引起的附加应变；柱体在F作用下的轴向应变,全桥接法的总应变0为,0=2(1+),60,电桥的输出电压为 从而得到被测力F为,地磅称一般采用柱式力传感器。,61,汽车衡示意图,62,汽车衡示意图,等截面梁： 悬臂梁的横截面积处处相等，所以称等截面梁。当外力F作用在梁的自由端时，固定端产生的应变最大，粘贴在应变片处的应变为：,式中：l0是梁上应变片至自由端距离， b、h 分别为梁的宽度和梁的厚度。,2 梁式力传感器,此位置上下两侧分别粘有4只应变片，R1、R4同侧；R3 、R2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。,全差动电桥,悬臂梁长

19、度方向的截面积按一定规律变化，是一种特殊形式的悬臂梁。当力作用在自由端时，力距作用点任何截面积上应力相等，应变片的应力大小为：,等强度梁：,电子称一般采用悬臂梁式力传感器。,这种传感器适用于测量500Kg以下荷重。,有力作用时，梁表面整个长度上产生大小相等应变，所以对应变片粘贴在什么位置要求不高。,67,梁式弹性元件位移传感器,68,电子秤电路原理图,电子称一般采用悬臂梁式力传感器。,应变式加速度传感器主要用于物体加速度的测量。 其基本工作原理是: 物体运动的加速度与作用在它上面的力成正比, 与物体的质量成反比, 即a = F/m。 基本结构由悬臂梁、应变片、质量块、机座外壳组成。悬臂梁（等强

20、度梁）自由端固定质量块，壳体内充满硅油，产生必要的阻尼。,二、应变式加速度传感器,测量时，将传感器壳体与被测对象刚性连接，当壳体与被测物体一起作加速度运动时，悬臂梁在质量块的惯性作用下作反方向运动，使梁体发生形变，粘贴在梁上的应变片阻值发生变化。通过测量阻值的变化求出待测物体的加速度。,71,1掌握金属电阻应变片的结构、原理（电阻-应变效应，K=(R/R)/）及特性； 2掌握半导体应变片工作原理及特性；,72,3.掌握电阻应变式传感器测量线路（直流惠斯通电桥）的结构形式（特别是差动结构）及特点，一般情况下，电桥输出电压为 4.掌握电阻应变式传感器的组成、应用及其分析方法； 弹性敏感元件 +电阻

21、应变片 电阻应变式传感器 弹性敏感元件的应变-应力关系：=/E； 弹性敏感元件的泊松比：r/r=l/l=。,73,1、什么是金属的电阻应变效应？利用应变效应解释金属电阻应变片的工作原理。 2、什么叫横向效应？应变片敏感栅的结构与横向效应有何关系？ 3、应变片产生温度误差的原因及减小或补偿温度误差的方法是什么？ 4、应变片传感器的测量电桥（直流）按应变片的工作方式和数量的不同，一般有哪几种类型？各有何特点？,作 业,74,5、一应变片的电阻R0=120，K=2.05，用作应变为800的传感元件。(1)求R与R/R；(2)若电源电压Ui=3V,求其惠斯通测量电桥的非平衡输出电压U0。,6、应变片称

22、重传感器，其弹性体为圆柱体，直径D=10cm，材料弹性模量 ，用它称50吨重物体，若用电阻丝式应变片，应变片的灵敏度系数K=2，R=120，问电阻变化多少？,75,7、下图为一直流应变电桥。图中Usr=4V，R1=R2=R3=R4= 120，试求： （1）R1为金属应变片，其余为外接电阻。当R1的增量为R1=1.2时，电桥输出电压Usc=?； （2）R1、R2都是应变片，且批号相同，感受应变的极性和大小都相同，其余为外接电阻，电桥输出电压Usc=?；,（3）题（2）中，如果R2与R1感受应变的极性相反，|R1|=|R2|=1.2， 电桥输出电压Usc=?。,76,今有一等截面梁，如图所示，在其中上部上、下两面各贴两片应变片，组成全桥，该梁在其悬臂梁一端受一向下力F=0.5N,试求此时这四个应变片的电阻值。已知：应变片灵敏系数K=2.1;应变片空载电阻R0=120（L=25cm，t=3mm，b=6cm，