第三章 应变式传感器.ppt

1、,第三章 应变式传感器,应变式传感器概述,属于电参数型传感器（电参数型传感器将感受的输入被测参量转换为电参数R、L、C的变化。 ） 电阻应变式传感器（也称应变片）是利用电阻应变片将应变转换为电阻变化的传感器。 由电阻应变敏感元件粘贴在弹性元件上构成。 广泛应用于测量力、力矩、压力、加速度、重量等参数。,3.1 工作原理,一、应变效应的理论基础 1金属导体的 电阻定律(线材),2r,A =r 2,L,其全微分：,给出了总电阻的相对变化量与其它三个量的相对变化的关系。在力的作用下，L、A、均可发生变化，R 亦可发生变化。 应变效应：导体或半导体材料在外界力作用下产生机械变形时，其电阻值相应发生变化

2、的现象。,应变 （轴向应变）,(径向应变),:材料的泊松比,电阻丝的灵敏系数K0 影响K的因素 (1)应变片受力后材料几何尺寸的变化（1+2）； (2)材料电阻率发生的变化（ ）。 金属材料：1+2 ，在电阻丝拉伸极限内泊松比=0.5，故K0 2。 半导体材料： 1+2 与半导体敏感元件在轴向所受的应变力有关： 半导体应变片的K比金属丝式高5080倍，但半导体材料温度系数大，应变时非线性比较严重，使其应用范围受到一定的限制。,3.2 电阻应变片的特性,应变片的种类 1.应变片的基本结构,2. 金属电阻应变片的种类 丝式、箔式电阻应变片 箔式电阻应变片 金属箔式应变片的敏感栅，则是用栅状金属箔片

3、代替栅状金属丝。金属箔栅采用光刻技术制造，是用于大批量生产。由于金属箔式应变片具有线条均匀、尺寸准确、阻值一致性好、传递试件应变性能好等优点，因此，目前使用的多为金属箔式应变片，,3.3 应变片的温度误差及补偿,1. 应变片的温度误差 1）电阻温度系数的影响 2）试件材料和电阻丝材料的线膨胀系数的影响 温度变化引起的总附加应变量t,2. 电阻应变片的温度补偿方法,1）线路补偿法 实现完全补偿的四个条件： (1) (2) (3),补偿块材料和被测试件材料必须 一样， ；,(4) 两个应变片要处于同一温度场。,2） 应变片的自补偿法,温度自补偿应变片 当已知被测试件的线膨胀系数g，合理选择敏感栅材

4、料（0、K0、s满足式（3-33），t0时Rt/R0=0。,3.4 电阻应变片的测量电路,3.4.1 直流电桥 1. 直流电桥平衡条件 电桥平衡条件：Uo=0，则有,2. 电压灵敏度,将一个应变片接入电桥中 构成单臂电桥。,桥臂比：,利用平衡条件,电桥电压灵敏度,影响因素：E(电桥供电电压)、n,n=1(R1= R2= R3= R4)，Kumax：,n：,3. 非线性误差及其补偿方法,非线性误差,n=1时（四等臂电桥）,3. 非线性误差及其补偿方法,补偿方法差动电桥 半桥差动电路：两个应变片（1拉、1压）,消除温度影响：,结论：分母中Rr1可忽略，分子中无Rr1项，故减小了温度变化的影响，具有

5、温度补偿作用。,全桥差动电路：四个应变片（2拉、2压）,3.3.2 交流电桥,交流电压源供电，引线分布电容，应变片呈现复阻抗特性Z1、Z2。 平衡条件：电阻平衡条件、电容平衡条件,输出电压 ：,电压灵敏度 ：,1. 柱式力传感器（柱的截面积为A）,轴向应变。,3.5 应变式传感器的应用,称重、测力。 主要用途：作为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。 要求较高的灵敏度和稳定性：当传感器受侧向作用力、或力的作用点产生轻微变化时，不应对输出有明显的影响。 轴向贴片测力（轴向力），横向贴片进行温度补偿。,2 .梁式荷重传感器 等截面梁式荷重传感器,一端固定，一

6、端自由，厚度为h, 长度L0 ，自由端力F 的作用点到应变片的距离为L ，该点的协强：,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。,三、应变式压力（压强）传感器 薄板式(膜片式)压力传感器 当流体的压强作用在薄板上，薄板就会产生形变(应变)，贴在另一侧的应变片随之形变(应变)，通过桥式等测量电路，可以测出与应变相对应的输出电压，从而得到压力的大小。,正应变最大,径向负应变最大, 贴片位置,在t =r的两个半径处分别粘贴个于检测径向应变和切向应变的应变片，构成全差动电桥。,四、固态压力传感器 结构 利用半导体扩散技术，在n型硅基底(硅杯的圆形膜片)上扩散出4个p型电阻，利用其压阻效应，构成敏感电桥，当压力作用在薄片上，通过桥式等测量电路，可以测出与应变相对应的输出电压，从而得到压力的大小。, 受压圆膜的应力分布,径向 切向,习题,习题3-5 E=4