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文檔簡介
傳感器與檢測技術(shù)的構(gòu)成工作原理物體在外部壓力或拉力作用下發(fā)生形變的現(xiàn)象彈性應(yīng)變當(dāng)外力去除后,物體能夠完全恢復(fù)其尺寸和形狀的應(yīng)變彈性元件具有彈性應(yīng)變特性的物體傳感器與檢測技術(shù)的構(gòu)成應(yīng)變式傳感器是利用電阻應(yīng)變片將應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻變化的傳感器工作原理:
當(dāng)被測物理量作用于彈性元件上,彈性元件在力、力矩或壓力等的作用下發(fā)生變形,產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)變或位移,然后傳遞給與之相連的應(yīng)變片,引起應(yīng)變片的電阻值變化,通過測量電路變成電量輸出。輸出的電量大小反映被測量的大小。結(jié)構(gòu):應(yīng)變式傳感器由彈性元件上粘貼電阻應(yīng)變片構(gòu)成應(yīng)用:廣泛用于力、力矩、壓力、加速度、重量等參數(shù)的測量傳感器與檢測技術(shù)的構(gòu)成3.1.1應(yīng)變效應(yīng)電阻應(yīng)變片的工作原理是基于應(yīng)變效應(yīng)即導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料在外界力的作用下產(chǎn)生機(jī)械變形時(shí),其電阻值相應(yīng)發(fā)生變化,這種現(xiàn)象稱為“應(yīng)變效應(yīng)”。
傳感器與檢測技術(shù)的構(gòu)成一根金屬電阻絲,在其未受力時(shí),原始電阻值為:
傳感器與檢測技術(shù)的構(gòu)成
當(dāng)電阻絲受到拉力F作用時(shí),將伸長Δl,橫截面積相應(yīng)減小ΔA,電阻率因材料晶格發(fā)生變形等因素影響而改變了Δρ,從而引起電阻值變化量為:式中:dL/L——長度相對變化量,用應(yīng)變?chǔ)疟硎緸?/p>
電阻相對變化量:傳感器與檢測技術(shù)的構(gòu)成dA/A——圓形電阻絲的截面積相對變化量,設(shè)r為電阻絲的半徑,微分后可得dA=2πrdr,則:材料力學(xué):在彈性范圍內(nèi),金屬絲受拉力時(shí),沿軸向伸長,沿徑向縮短,軸向應(yīng)變和徑向應(yīng)變的關(guān)系可表示為:μ為電阻絲材料的泊松比,負(fù)號表示應(yīng)變方向相反。
傳感器與檢測技術(shù)的構(gòu)成推得:
定義:電阻絲的靈敏系數(shù)(物理意義):單位應(yīng)變所引起的電阻相對變化量。其表達(dá)式為傳感器與檢測技術(shù)的構(gòu)成靈敏度系數(shù)K受兩個(gè)因素影響一是應(yīng)變片受力后材料幾何尺寸的變化,即1+2μ二是應(yīng)變片受力后材料的電阻率發(fā)生的變化,即(?ρ/ρ)/ε。對金屬材料:1+2μ>>(?ρ/ρ)/ε對半導(dǎo)體材料:(?ρ/ρ)/ε>>1+2μ大量實(shí)驗(yàn)證明,在電阻絲拉伸極限內(nèi),電阻的相對變化與應(yīng)變成正比,即K為常數(shù)。傳感器與檢測技術(shù)的構(gòu)成3.1.2電阻應(yīng)變片種類常用的電阻應(yīng)變片有兩種:金屬電阻應(yīng)變片半導(dǎo)體應(yīng)變片傳感器與檢測技術(shù)的構(gòu)成金屬電阻應(yīng)變片傳感器與檢測技術(shù)的構(gòu)成半導(dǎo)體應(yīng)變片傳感器與檢測技術(shù)的構(gòu)成分析:當(dāng)半導(dǎo)體應(yīng)變片受軸向力作用時(shí)半導(dǎo)體應(yīng)變片的電阻率相對變化量與所受的應(yīng)變力有關(guān):式中:π——半導(dǎo)體材料的壓阻系數(shù);
σ——半導(dǎo)體材料的所受應(yīng)變力;
E——半導(dǎo)體材料的彈性模量;
ε——半導(dǎo)體材料的應(yīng)變。傳感器與檢測技術(shù)的構(gòu)成因此:實(shí)驗(yàn)證明,πE比1+2μ大上百倍,所以1+2μ可以忽略,因而半導(dǎo)體應(yīng)變片的靈敏系數(shù)為:傳感器與檢測技術(shù)的構(gòu)成
測量原理:在外力作用下,被測對象產(chǎn)生微小機(jī)械變形,應(yīng)變片隨著發(fā)生相同的變化,同時(shí)應(yīng)變片電阻值也發(fā)生相應(yīng)變化。當(dāng)測得應(yīng)變片電阻值變化量為ΔR時(shí),便可得到被測對象的應(yīng)變值,根據(jù)應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系,得到應(yīng)力值σ為:σ=E·ε
傳感器與檢測技術(shù)的構(gòu)成3.2應(yīng)變片的溫度誤差及補(bǔ)償
3.2.1應(yīng)變片的溫度誤差由于測量現(xiàn)場環(huán)境溫度的改變而給測量帶來的附加誤差,稱為應(yīng)變片的溫度誤差。產(chǎn)生應(yīng)變片溫度誤差的主要因素有下述兩個(gè)方面。
1)電阻溫度系數(shù)的影響敏感柵的電阻絲阻值隨溫度變化的關(guān)系可用下式表示:
Rt=R0(1+α0Δt)
傳感器與檢測技術(shù)的構(gòu)成式中:Rt——溫度為t時(shí)的電阻值;
R0——溫度為t0時(shí)的電阻值;α0——溫度為t0時(shí)金屬絲的電阻溫度系數(shù);Δt——溫度變化值,Δt=t-t0。當(dāng)溫度變化Δt時(shí),電阻絲電阻的變化值為:
ΔRα=Rt-R0=R0α0Δt
傳感器與檢測技術(shù)的構(gòu)成2)試件材料和電阻絲材料的線膨脹系數(shù)的影響當(dāng)試件與電阻絲材料的線膨脹系數(shù)相同時(shí):環(huán)境溫度變化不會(huì)產(chǎn)生附加變形。當(dāng)試件與電阻絲材料的線膨脹系數(shù)不同時(shí):環(huán)境溫度變化,電阻絲會(huì)產(chǎn)生附加變形,從而產(chǎn)生附加電阻變化。設(shè)電阻絲和試件在溫度為0℃時(shí)的長度均為l0,它們的線膨脹系數(shù)分別為βs和βg,若兩者不粘貼,則它們的長度分別為:
ls=l0(1+βsΔt)lg=l0(1+βgΔt)
傳感器與檢測技術(shù)的構(gòu)成
當(dāng)兩者粘貼在一起時(shí),電阻絲產(chǎn)生的附加變形Δl、附加應(yīng)變?chǔ)纽潞透郊与娮枳兓β分別為:
傳感器與檢測技術(shù)的構(gòu)成由于溫度變化而引起的應(yīng)變片總電阻相對變化量為
結(jié)論:因環(huán)境溫度變化而引起的附加電阻的相對變化量,除了與環(huán)境溫度有關(guān)外,還與應(yīng)變片自身的性能參數(shù)(K0,α0,βs)以及被測試件線膨脹系數(shù)βg有關(guān)。
傳感器與檢測技術(shù)的構(gòu)成3.2.2電阻應(yīng)變片的溫度補(bǔ)償方法電阻應(yīng)變片的溫度補(bǔ)償方法通常有線路補(bǔ)償和應(yīng)變片自補(bǔ)償兩大類。
電橋補(bǔ)償是最常用且效果較好的電阻片溫度誤差補(bǔ)償方法。
傳感器與檢測技術(shù)的構(gòu)成電橋補(bǔ)償法傳感器與檢測技術(shù)的構(gòu)成電路分析g為由橋臂電阻和電源電壓決定的常數(shù)。由上式可知,當(dāng)R3和R4為常數(shù)時(shí),R1和R2對電橋輸出電壓Uo的作用方向相反。利用這一基本關(guān)系可實(shí)現(xiàn)對溫度的補(bǔ)償。傳感器與檢測技術(shù)的構(gòu)成
測量方法:當(dāng)被測試件不承受應(yīng)變時(shí):R1和R2又處于同一環(huán)境溫度為t的溫度場中,調(diào)整電橋參數(shù)使之達(dá)到平衡,此時(shí)有:工程上,一般按R1=R2=R3=R4
選取橋臂電阻。
傳感器與檢測技術(shù)的構(gòu)成溫度補(bǔ)償?shù)膶?shí)現(xiàn):當(dāng)溫度升高或降低Δt=t-t0時(shí),兩個(gè)應(yīng)變片因溫度而引起的電阻變化量相等,電橋仍處于平衡狀態(tài),即:
應(yīng)變的測量:被測試件有應(yīng)變?chǔ)诺淖饔茫瑒t工作應(yīng)變片電阻R1又有新的增量ΔR’1=R1Kε,而補(bǔ)償片因不承受應(yīng)變,故不產(chǎn)生新的增量,此時(shí)電橋輸出電壓為:可見:電橋的輸出電壓Uo僅與被測試件的應(yīng)變?chǔ)庞嘘P(guān),而與環(huán)境溫度無關(guān)。傳感器與檢測技術(shù)的構(gòu)成
注意補(bǔ)償條件:①在應(yīng)變片工作過程中,保證R3=R4。②R1和R2兩個(gè)應(yīng)變片應(yīng)具有相同的電阻溫度系數(shù)α、線膨脹系數(shù)β、應(yīng)變靈敏度系數(shù)K和初始電阻值R0。③粘貼補(bǔ)償片的補(bǔ)償塊材料和粘貼工作片的被測試件材料必須一樣,兩者線膨脹系數(shù)相同。④兩應(yīng)變片應(yīng)處于同一溫度場。
傳感器與檢測技術(shù)的構(gòu)成3.3測量電路
3.3.1直流電橋
1.直流電橋平衡條件圖3.5直流電橋
當(dāng)RL→∞時(shí),電橋輸出電壓為:
傳感器與檢測技術(shù)的構(gòu)成當(dāng)電橋平衡時(shí),Uo=0,則有:
R1R4=R2R3或:
電橋平衡條件:欲使電橋平衡,其相鄰兩臂電阻的比值應(yīng)相等,或相對兩臂電阻的乘積應(yīng)相等。電橋平衡條件傳感器與檢測技術(shù)的構(gòu)成2.電壓靈敏度應(yīng)變片工作時(shí):電阻值變化很小,電橋相應(yīng)輸出電壓也很小,一般需要加入放大器進(jìn)行放大。由于放大器的輸入阻抗比橋路輸出阻抗高很多,所以此時(shí)仍視電橋?yàn)殚_路情況。
當(dāng)受應(yīng)變時(shí):若應(yīng)變片電阻變化為ΔR,其它橋臂固定不變,電橋輸出電壓Uo≠0,則電橋不平衡,輸出電壓為傳感器與檢測技術(shù)的構(gòu)成傳感器與檢測技術(shù)的構(gòu)成
設(shè)橋臂比n=R2/R1,由于ΔR1<<R1,分母中ΔR1/R1可忽略,并考慮到平衡條件R2/R1=R4/R3,則上式可寫為:
電橋電壓靈敏度定義為:傳感器與檢測技術(shù)的構(gòu)成
分析:①電橋電壓靈敏度正比于電橋供電電壓,供電電壓越高,電橋電壓靈敏度越高,但供電電壓的提高受到應(yīng)變片允許功耗的限制,所以要作適當(dāng)選擇;②電橋電壓靈敏度是橋臂電阻比值n的函數(shù),恰當(dāng)?shù)剡x擇橋臂比n的值,保證電橋具有較高的電壓靈敏度。?當(dāng)E值確定后,n取何值時(shí)才能使KU最高?傳感器與檢測技術(shù)的構(gòu)成分析:思路:dKU/dn=0求KU的最大值
求得n=1時(shí),KU為最大值。即在供橋電壓確定后,當(dāng)R1=R2=R3=R4時(shí),電橋電壓靈敏度最高,此時(shí)有:
結(jié)論:當(dāng)電源電壓E和電阻相對變化量ΔR1/R1一定時(shí),電橋的輸出電壓及其靈敏度也是定值,且與各橋臂電阻阻值大小無關(guān)。傳感器與檢測技術(shù)的構(gòu)成3.非線性誤差及其補(bǔ)償方法
與ΔR1/R1的關(guān)系是非線性的,非線性誤差為
理想情況(略去分母中的ΔR1/R1項(xiàng)):實(shí)際情況(保留分母中的ΔR1/R1項(xiàng)):傳感器與檢測技術(shù)的構(gòu)成如果橋臂比n=1,則:例如:對于一般應(yīng)變片:所受應(yīng)變?chǔ)磐ǔT?000μ以下,若取KU=2,則ΔR1/R1=KUε,計(jì)算得非線性誤差為0.5%;若KU=130,ε=1000μ時(shí),ΔR1/R1,則得到非線性誤差為6%,故當(dāng)非線性誤差不能滿足測量要求時(shí),必須予以消除。
傳感器與檢測技術(shù)的構(gòu)成圖3.6差動(dòng)電橋
減小和消除非線性誤差的方法傳感器與檢測技術(shù)的構(gòu)成半橋差動(dòng):在試件上安裝兩個(gè)工作應(yīng)變片,一個(gè)受拉應(yīng)變,一個(gè)受壓應(yīng)變,接入電橋相鄰橋臂。該電橋輸出電壓為:
若ΔR1=ΔR2,R1=R2,R3=R4,則得:
可知:Uo與ΔR1/R1成線性關(guān)系,無非線性誤差,而且電橋電壓靈敏度KU=E/2,是單臂工作時(shí)的兩倍。傳感器與檢測技術(shù)的構(gòu)成
全橋差動(dòng):電橋四臂接入四片應(yīng)變片,即兩個(gè)受拉應(yīng)變,兩個(gè)受壓應(yīng)變,將兩個(gè)應(yīng)變符號相同的接入相對橋臂上。若ΔR1=ΔR2=ΔR3=ΔR4,且R1=R2=R3=R4,則:
結(jié)論:全橋差動(dòng)電路不僅沒有非線性誤差,而且電壓靈敏度為單片工作時(shí)的4倍。傳感器與檢測技術(shù)的構(gòu)成
3.3.2交流電橋引入原因:由于應(yīng)變電橋輸出電壓很小,一般都要加放大器,而直流放大器易于產(chǎn)生零漂,因此應(yīng)變電橋多采用交流電橋。由于供橋電源為交流電源,引線分布電容使得二橋臂應(yīng)變片呈現(xiàn)復(fù)阻抗特性,即相當(dāng)于兩只應(yīng)變片各并聯(lián)了一個(gè)電容。傳感器與檢測技術(shù)的構(gòu)成圖3.7交流電橋
傳感器與檢測技術(shù)的構(gòu)成式中,C1、C2表示應(yīng)變片引線分布電容。
每一橋臂上復(fù)阻抗分別為:傳感器與檢測技術(shù)的構(gòu)成交流電橋輸出:
電橋平衡條件:Uo=0,即:
Z1Z4=Z2Z3
整理可得:
傳感器與檢測技術(shù)的構(gòu)成變形為:
交流電橋的平衡條件(實(shí)部、虛部分別相等):傳感器與檢測技術(shù)的構(gòu)成交流電橋平衡條件:傳感器與檢測技術(shù)的構(gòu)成
如果采用差動(dòng)結(jié)構(gòu):當(dāng)被測應(yīng)力變化引起工作應(yīng)用片阻值變化時(shí),則電橋輸出為:傳感器與檢測技術(shù)的構(gòu)成3.4應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用
應(yīng)變片能將應(yīng)變直接轉(zhuǎn)換成電阻的變化其他物理量(力、壓力、加速度等),需先將這些量轉(zhuǎn)換成應(yīng)變-彈性元件應(yīng)變式傳感器的組成:彈性元件、應(yīng)變片、附件(補(bǔ)償元件、保護(hù)罩等)傳感器與檢測技術(shù)的構(gòu)成3.4.1應(yīng)變式力傳感器被測物理量:荷重或力。主要用途:作為各種電子稱與材料試驗(yàn)機(jī)的測力元件、發(fā)動(dòng)機(jī)的推力測試、水壩壩體承載狀況監(jiān)測等。力傳感器的彈性元件:柱式、筒式、環(huán)式、懸臂式等。傳感器與檢測技術(shù)的構(gòu)成圖3.9圓柱(筒)式力傳感器(a)柱式;(b)筒式;(c)圓柱面展開圖;(d)橋路連線圖
1.柱(筒)式力傳感器傳感器與檢測技術(shù)的構(gòu)成2.環(huán)式力傳感器傳感器與檢測技術(shù)的構(gòu)成
對R/h>5的小曲率圓環(huán):A、B兩點(diǎn)的應(yīng)變。
這樣,測出A、B處的應(yīng)變,即可得到載荷F。
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