第2节 应变式传感器.ppt

1、2 应变式传感器,金属丝式应变片 金属箔式应变片 测量电路 应变式传感器应用,应变式传感器的优缺点：,优点：精度高，测量范围广 频率响应特性较好 结构简单，尺寸小，重量轻 可在高(低)温、高速、高压、强烈振动、强磁场及 核辐射和化学腐蚀等恶劣条件下工作 易于实现小型化、固态化 价格低廉，品种多样，便于选择 缺点：非线性 输出信号弱 抗干扰能力差,一、金属丝式应变片,（1）应变效应 当金属丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值将发生变化，这种现象称为金属的电阻应变效应。,金属丝的应变灵敏系数, 理论上在1.83.6之间 金属丝的应变 电阻的相对变化,（2）应变片的结构和材料,结构：敏感栅1、基底

2、2、盖片3、引线4和粘结剂等,b,l,栅长,栅宽,2,3,4,1,材料：,1.敏感栅 金属丝（0.0150.05）mm 电阻（60，120，200） 栅长（100，200）mm 栅宽（1，0.5，0.2）mm 选材要求：较大的Ks（常数） 具有高而稳定的电阻率（决定圈数） 电阻温度系数要小 抗氧化，耐腐蚀 足够的抗拉强度 加工性能良好 易于焊接,2. 基底和盖片 保护敏感栅 。 纸（不能太厚），一般为（0.02 0.04）mm。 基底长：基底的全长，基底宽：基底宽度 3. 粘结剂,有机硅树脂,无机,聚酰亚胺,磷酸盐 硅酸 硼酸盐,4.引线,直径（0.1-0.15）mm 镀锡铜线，要求电阻率低、

3、电阻温度系数小，抗氧化，易于焊接。,酚醛树脂,聚丙烯酸酯,有机,（3）主要特性,1. 灵敏度Ks 金属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，即：,应变片的灵敏系数K线材的灵敏系数Ks,2.横向效应 应变片既受轴向应变影响，又受横向应变影响而引起 电阻变化的现象称为横向效应。,b,r,dlrd,r,0,丝绕式应变片敏感栅 半圆弧形部分,敏感栅有n根纵栅，每根长l，弯半径为r，轴向应变，,L1= n l,则纵栅变形：,纵栅为N 根的应变片共有n1个 半圆弧，则横栅变形为：,总变形：,敏感栅栅丝的总长为L，敏感栅的灵敏系数为KS，则电阻相对变化为：,令：,则横向系数：,3.机械滞后,

4、应变片粘贴在被测试件上，当温度恒定时，其加载特性与卸载特性不重合，其差值即为机械滞后。,机械应变,指示应变,r,卸载,加载,0,4. 零点漂移和蠕变,零点漂移：指对于粘贴好的应变片，当温度恒定时，即使被测试件未承受应力，指示应变随时间增加产生的变化。 原因：敏感栅通电后的温度效应；应变片的内应力逐渐变化；粘结剂固化不充分等。 蠕变：当应变片承受恒定的机械应变量时，指示应变随时间发生变化。 原因：由于胶层之间发生“滑动”。,5.应变极限,在一定温度下，应变片的指示应变对测试值的真实应变的相对误差不超过规定范围（一般为10%）时的真实应变值。,6.动态特性,0,应变片,t,l,xt,x,当被测应变

5、值随时间变化的频率很高时，需考虑应变片的动态特性。 因应变片基底和粘贴胶层很薄，构件的应变波传到应变片的时间很短 (估计约0.2s)，故只需考虑应变沿应变片轴向传播时的动态响应。,应变片对应变波的动态响应,（4）温度误差及其补偿,1.温度误差 应变片阻值受环境温度影响的原因： 应变片的电阻丝有一定的温度系数 电阻丝材料与测试材料的线膨胀系数不同,上式为应变片粘贴在试件表面上，当试件不受 外力作用，在温度变化t 时，应变片的温度效应。,2.温度补偿 单丝自补偿应变片 应变片的敏感栅用单一的合金丝制成。 优点：结构简单、制造和使用方便 双丝组合式自补偿应变片 应变片由两种不同电阻温度系数（一正一负

6、）的材料串连组成。 优点：两段敏感栅的丝长可调，材料在一定范围内可获得的较 好温度补偿。, 电路补偿法,USC,R2,R4,R1,R3,E,使R1和R2处于同一温度场， R1=R2=R R3=R4=R,无t，则USC=0,温度升高或降低,若有应变,为达到完全补偿，需满足下列三个条件： R1和R2须属于同一批号的； 粘贴补偿片和粘贴工作片的试件二者材料 必须相同； 两应变片处于同一温度环境下。,二、金属箔式应变片,箔式应变片的工作原理基本和电阻丝式应变片相同。它的电阻敏感元件不是金属丝栅，而是通过光刻、腐蚀等工序制成的薄金属箔栅，故称箔式电阻应变片，如图：,与丝式应变片相比，有如下特点：,优点：

7、 很薄，接触面积大 横向效应小，灵敏度大 表面积大，散热好，有较大的输出信号 尺寸准确，可制成任状 便于成批生产 缺点： 生产工艺复杂 不适宜高温 价格贵,三、测量电路,电阻应变片的测量线路多采用交流电桥(配交流放大器)， 其原理和直流电桥相似。直流电桥比较简单， 因此首先分析直流电桥，如图示：,输出电压：,当负载电阻Rg为无穷大时：,设电桥各臂均有相应的电阻增量R1、R2、R3、R4时：,实际使用，多采用等臂电桥或对称电桥,用法一：等臂电桥,当R1=R2=R3=R4=R时：,RRi，则：,结论：,当RiR时，输出电压与应变呈线性关系； 若相邻两桥臂同为拉应变或压应变时，输出 电压为两者之差；

8、 若相邻两桥臂的极性不同时，输出电压为两 者之和； 若相对两桥臂应变的极性一致，输出电压为 两者之和； 若相对桥臂的应变的极性相反，输出电压为 两者之差。,用法二：第一对称电桥,R1=R2=R，R3=R4=R 若R1有一增量R，,Ug,R2=R,R4=R,R1=R,R3=R,E,第一对称电桥,A,C,D,用法三：第二对称电桥,R1=R3=R，R2=R4=R,若R1有一增量R，,令,则，,当k1(RR ) ，k/(1+k)1/2，其非线性较等臂电桥大； 当k1 (R R ) ， k/(1+k) 1/2，其非线性可得到很好改善； 当k=1时，等臂电桥。,若RR,第二对称电桥的输出与应变呈线性关系，

9、 但比等臂电桥的输出电压小：,倍,四、应变片的应用,(1)柱式力传感器,E：弹性元件的 杨氏模量,与轴线任意夹角的方向，其应变为 ：,1 ：沿轴向的应变；：弹性元件的泊松比,当=0时,当=90时,C02 柱式测力/称重传感器 北京瑞利威尔技术发展有限公司,特点：结构兼顾于柱式、S式的优点，结构紧凑，造型优美，内外螺纹做承载连接，测量精度高，抗偏能力强，可做全密封结构,微型压式传感器YBSC,柱式传感器,RL-BK-1柱式测力/称重传感器,2.梁式力传感器,L,R1,R3,R2,R4,x,F,h,b,等强度梁弹性元件,b0,等强度梁弹性元件： 力F作用于梁端三角形顶点上，梁内各断面产生的应力相等

10、。,等强度梁各点的应变值为：,BK-5型悬臂梁式测力/称重传感器,梁式力传感器,3、 应变式压力传感器,（b）,（a）,应变式压力传感器,应变片,测量气体或液体压力的薄板式传感器,圆板内任一点的径向和切向应变值：,圆板上各点径向应力和切向应力：,采用变厚度膜片技术和高精度大阻值应变片，具有输出信号大、精度高、抗振动、结构坚固、耐腐蚀等特点。适用于石油钻井、固井、压裂车等设备高压力测量。,电阻压力式应变传感器,采用独特的机械密封结构技术， 使传感器在高压高脉动介质下能正常工作， 可以在压力脉动频率40次/分、 压力波动幅度高达50Mpa的恶劣环境中， 完成对气体或液体介质的压力测量。,超高压电阻应变式压力传感器,4、应变式加速度传感器,L,应变片,弹簧片,外壳,基座,a,应变式加速度传感器,质量块m,当被测点的加速度沿图中箭头所示 方向时，悬臂梁自由端受惯性力F=ma 的作用，质量块向箭头a相反的方向相