應(yīng)變式位移傳感器1.ppt

1、,2.1 應(yīng)變式傳感器,2.1.1 工作原理 2.1.2 金屬應(yīng)變片的主要特性 2.1.3 測量電路 2.1.4 應(yīng)變式傳感器應(yīng)用,返 回,2.1.1 工作原理,1.金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng),電阻應(yīng)變效應(yīng)：當(dāng)金屬絲在外力作用下發(fā)生機(jī)械變形時 其電阻值將發(fā)生變化,F l、A 、 R,上一頁,返 回,下一頁,電阻的靈敏系數(shù),對于半徑為r的圓導(dǎo)體，A=r2，A/A=2r/r 又由材料力學(xué)可知，在彈性范圍內(nèi)，,上一頁,返 回,下一頁,為導(dǎo)體的縱向應(yīng)變，其數(shù)值一般很小，常以微應(yīng)變度量； 為電阻絲材料的泊松比，一般金屬=0.30.5； 為壓阻系數(shù)，與材質(zhì)有關(guān)；為應(yīng)力值；E為材料的彈性模量；,金屬電阻的靈敏系數(shù),

2、材料的幾何尺寸變化引起的 材料的電阻率隨應(yīng)變引起的（壓阻效應(yīng)）,金屬材料：k0以前者為主，則k01+2=1.73.6 半 導(dǎo) 體：k0值主要是由電阻率相對變化所決定,上一頁,返 回,下一頁,2. 應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu)與種類,敏感柵 直徑為0.025mm左右的合金電阻絲 絲繞式 基 底 絕緣 覆蓋層 保護(hù),位移、力、力矩、加速度、壓力,彈性敏 感元件,應(yīng)變,外力作用 被測對象表面產(chǎn)生微小機(jī)械變形 應(yīng)變片敏感柵隨同變形 電阻值發(fā)生相應(yīng)變化,應(yīng)變片,上一頁,返 回,下一頁,應(yīng)變片的類型和材料,金屬絲式 金屬箔式 金屬薄膜式,回線式 短接式,上一頁,返 回,下一頁,金屬絲式應(yīng)變片,上一頁,返 回,下一頁,

3、金屬電阻絲應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu) 1-基片；2-電阻絲；3-覆蓋層；4-引出線, 電子發(fā)燒友 電子技術(shù)論壇,金屬電阻應(yīng)變片，材料電阻率隨應(yīng)變產(chǎn)生的變化很小，可忽略,應(yīng)變片電阻的相對變化與應(yīng)變片縱向應(yīng)變成正比， 并且對同一電阻材料， K0=1+2是常數(shù)。 其靈敏度系數(shù)多在1.73.6之間。,上一頁,返 回,下一頁,金屬箔式應(yīng)變片,在絕緣基底上，將厚度為0.0030.01mm電阻箔材，利用照相制板或光刻腐蝕的方法，制成適用于各種需要的形狀,箔式應(yīng)變片,上一頁,返 回,下一頁,優(yōu)點 ：,（1）尺寸準(zhǔn)確，線條均勻，適應(yīng)不同的測量要求， （2）可制成多種復(fù)雜形狀尺寸準(zhǔn)確的敏感柵 （3）與被測試件接觸面積大，粘

4、結(jié)性能好。 散熱條件好，允許電流大，靈敏度提高。 （4）橫向效應(yīng)可以忽略。 （5）蠕變、機(jī)械滯后小，疲勞壽命長。 缺點： 電阻值的分散性大 阻值調(diào)整,上一頁,返 回,下一頁,金屬薄膜應(yīng)變片,采用真空蒸發(fā)或真空沉積等方法在薄的絕緣基片上形成厚度在0.1m以下的金屬電阻材料薄膜敏感柵，再加上保護(hù)層，易實現(xiàn)工業(yè)化批量生產(chǎn) 優(yōu)點：應(yīng)變靈敏系數(shù)大，允許電流密度大，工作范圍廣，易實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn) 問題：難控制電阻與溫度和時間的變化關(guān)系,上一頁,返 回,下一頁,2.1.2 金屬應(yīng)變片的主要特性,（一）靈敏系數(shù) （二）橫向效應(yīng) （三）溫度誤差及其補(bǔ)償,上一頁,返 回,下一頁,應(yīng)變片的電阻值 R,應(yīng)變片在未經(jīng)安裝

5、也不受外力情況下，于室溫下測得的電阻值 電阻系列：60、120、200、350、500、1000 可以加大應(yīng)變片承受電壓， 電阻值大 輸出信號大， 敏感柵尺寸也增大,上一頁,下一頁,返 回,（一）靈敏系數(shù),“標(biāo)稱靈敏系數(shù)”：受軸向單向力（拉或壓），試件材料 為泊松系數(shù)=0.285的鋼等。一批產(chǎn)品中只能抽樣5的 產(chǎn)品來測定，取平均值及允許公差值。,電阻應(yīng)變片的靈敏系數(shù)k 電阻絲的靈敏系數(shù)k0,粘結(jié)層傳遞變形失真 還存在有橫向效應(yīng),原因：,上一頁,返 回,下一頁,（二）橫向效應(yīng),敏感柵是由多條直線和圓弧部分組成 直線段：沿軸向拉應(yīng)變x，電阻 圓弧段：沿軸向壓應(yīng)度y 電阻,K (箔式應(yīng)變片),上一頁

6、,下一頁,返 回,l,y,x, 電子發(fā)燒友 電子技術(shù)論壇,橫向效應(yīng),應(yīng)變片的橫柵部分將縱向絲柵部分的電阻變化抵消了一部分，從而降低了整個電阻應(yīng)變片的靈敏度，帶來測量誤差，其大小與敏感柵的構(gòu)造及尺寸有關(guān)。敏感柵的縱柵愈窄、愈長，而橫柵愈寬、愈短，則橫向效應(yīng)的影響愈小。,（三）溫度誤差及其補(bǔ)償,上一頁,返 回,下一頁,1、敏感柵電阻隨溫度的變化引起的誤差。當(dāng)環(huán)境溫度變化t 時，敏感柵材料電阻溫度系數(shù)為，則引起的電阻相對變化為 2、試件材料的線膨脹引起的誤差。當(dāng)溫度變化t時，因試件材料和敏感柵材料的線膨脹系數(shù)不同，應(yīng)變片將產(chǎn)生附加拉長（或壓縮），引起的電阻相對變化,溫度誤差, 電子發(fā)燒友 電子技術(shù)論

7、壇,相應(yīng)的虛假應(yīng)變輸出,可得由于溫度變化而引起的總電阻變化為, 電子發(fā)燒友 電子技術(shù)論壇,溫度補(bǔ)償,單絲自補(bǔ)償法 自補(bǔ)償法 組合式自補(bǔ)償法 線路補(bǔ)償法電橋補(bǔ)償法、熱敏電阻,溫度補(bǔ)償,上一頁,返 回,下一頁, 電子發(fā)燒友 電子技術(shù)論壇, 電橋補(bǔ)償法,U0,R1,R4,R3,U,Rb,F,F,R1,Rb,R1 +R,Rb -R,U0,R1R,R4,R3,U,RbR,上一頁,返 回,下一頁, 電子發(fā)燒友 電子技術(shù)論壇,電橋補(bǔ)償法,優(yōu)點： 簡單、方便，在常溫下補(bǔ)償效果較好，缺點： 在溫度變化梯度較大的條件下，很難做到工作片與補(bǔ)償片處于溫度完全一致的情況，因而影響補(bǔ)償效果。, 電子發(fā)燒友 電子技術(shù)論壇,

8、 應(yīng)變片的自補(bǔ)償法,粘貼在被測部位上的是一種特殊應(yīng)變片，當(dāng)溫度變化時，產(chǎn)生的附加應(yīng)變?yōu)榱慊蛳嗷サ窒?，這種應(yīng)變片稱為溫度自補(bǔ)償應(yīng)變片。利用這種應(yīng)變片來實現(xiàn)溫度補(bǔ)償?shù)姆椒ǚQ為應(yīng)變片自補(bǔ)償法。 a. 選擇式自補(bǔ)償應(yīng)變片 b. 雙金屬敏感柵自補(bǔ)償應(yīng)變片, 電子發(fā)燒友 電子技術(shù)論壇,a.選擇式自補(bǔ)償應(yīng)變片,優(yōu)點：容易加工，成本低， 缺點：只適用特定試件材料，溫度補(bǔ)償范圍也較窄。,上一頁,返 回,下一頁,由式(2.1.16)可知，實現(xiàn)溫度補(bǔ)償?shù)臈l件為 當(dāng)被測試件的線膨脹系數(shù)g已知時，通過選擇敏感柵材料， 使下式成立 (2.1.21) 即可達(dá)到溫度自補(bǔ)償?shù)哪康摹? 電子發(fā)燒友 電子技術(shù)論壇,組合自補(bǔ)償法,b

9、. 雙金屬敏感柵自補(bǔ)償應(yīng)變片,敏感柵絲由兩種不同溫度系數(shù)的金屬絲串接組成,選用兩者具有不同符號的電阻溫度系數(shù) 調(diào)整R1和R2的比例，使溫度變化時產(chǎn)生的 電阻變化滿足,通過調(diào)節(jié)兩種敏感柵的長度來控制 應(yīng)變片的溫度自補(bǔ)償， 可達(dá)0.45m/的高精度,上一頁,返 回,下一頁, 電子發(fā)燒友 電子技術(shù)論壇,熱敏電阻補(bǔ)償,T K,Rt,URt,U = Ui - URt,K,上一頁,返 回,下一頁,2.1.3 電阻應(yīng)變片的測量電路,上一頁,返 回,下一頁,1 直流電橋 2 非線性誤差及其補(bǔ)償, 電子發(fā)燒友 電子技術(shù)論壇,1. 直流電橋,直流電橋的工作原理,IL=0時電橋平衡 平衡條件 :,R1R4=R2R3

10、 R1/R2=R3/R4,上一頁,返 回,下一頁, 電子發(fā)燒友 電子技術(shù)論壇,2不平衡直流電橋的工作原理及靈敏度,當(dāng)電橋后面接放大器時, 電橋輸出端看成開路.電橋的輸出式為：,應(yīng)變片工作時，其電阻變化R,上一頁,返 回,下一頁, 電子發(fā)燒友 電子技術(shù)論壇,采用等臂電橋，即R1= R2= R3=R4=R 。此時式(2.1.24)可寫為,當(dāng)Ri R ( i=1,2,3,4) 時，略去上式中的高階微量，則,上一頁,返 回,下一頁, 電子發(fā)燒友 電子技術(shù)論壇,上式表明：, Ri R時，電橋的輸出電壓與應(yīng)變成線性關(guān)系。 若相鄰兩橋臂的應(yīng)變極性一致，即同為拉應(yīng)變或壓應(yīng)變時，輸出電壓為兩者之差；若相鄰兩橋臂

11、的應(yīng)變極性不同，則輸出電壓為兩者之和。 若相對兩橋臂應(yīng)變的極性一致，輸出電壓為兩者之和；反之則為兩者之差。 電橋供電電壓U越高，輸出電壓U0越大。但是，當(dāng)U大時，電阻應(yīng)變片通過的電流也大，若超過電阻應(yīng)變片所允許通過的最大工作電流，傳感器就會出現(xiàn)蠕變和零漂。 增大電阻應(yīng)變片的靈敏系數(shù)K，可提高電橋的輸出電壓。,上一頁,返 回,下一頁, 電子發(fā)燒友 電子技術(shù)論壇,略去分母中的R1/R1項 ,假設(shè)R1/R11,單臂電橋，即R1橋臂變化R，理想的線性關(guān)系,實際輸出電壓,上一頁,返 回,下一頁,電橋的相對非線性誤差為,2.非線性誤差及其補(bǔ)償, 電子發(fā)燒友 電子技術(shù)論壇,減小非線性誤差 采用的措施為：,（

12、1）采用半橋差動電橋,上一頁,返 回,下一頁, 電子發(fā)燒友 電子技術(shù)論壇,R1R2R3R4=R，R1R2=R,嚴(yán)格的線性關(guān)系 電橋靈敏度比單臂時提高一倍 溫度補(bǔ)償作用,上一頁,返 回,下一頁, 電子發(fā)燒友 電子技術(shù)論壇,輸出電壓為：,上一頁,返 回,下一頁,全橋差動電路,2.1.4 電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用,1應(yīng)變式力傳感器 2 應(yīng)變式壓力傳感器 3. 應(yīng)變式液體重量（或液位）傳感器 4 應(yīng)變式加速度傳感器,上一頁,返 回,下一頁, 電子發(fā)燒友 電子技術(shù)論壇,上一頁,返 回,下一頁,柱式力傳感器,1 應(yīng)變式力傳感器,（a）實心圓柱；（b）空心圓筒；, 電子發(fā)燒友 電子技術(shù)論壇, 電子發(fā)燒友 電子

13、技術(shù)論壇,(2)梁式力傳感器,上一頁,返 回,下一頁,等截面梁,結(jié)構(gòu)簡單，易加工，靈敏度高 適合于測5000N以下的載荷, 等截面懸臂梁, 電子發(fā)燒友 電子技術(shù)論壇, 等強(qiáng)度懸臂梁, 電子發(fā)燒友 電子技術(shù)論壇, 雙端固定梁, 電子發(fā)燒友 電子技術(shù)論壇,薄壁圓環(huán)式力傳感器,上一頁,返 回,下一頁,在外力作用下，各點的應(yīng)力差別較大, 電子發(fā)燒友 電子技術(shù)論壇,BK-2S稱重傳感器,產(chǎn)品詳細(xì)介紹采用國際流行的雙梁式或剪切S梁結(jié)構(gòu)，拉、壓輸出對稱性好、 測量精度高、結(jié)構(gòu)緊湊，安裝方便，廣泛用于機(jī)電結(jié)合秤、料斗秤、包裝秤等各種測力、稱重系統(tǒng)中 供橋電壓 12VDC 輸入阻抗 38020 輸出阻抗 350

14、10 絕緣電阻 2000M 工作溫度 -10+50,上一頁,返 回,下一頁, 電子發(fā)燒友 電子技術(shù)論壇,BK4輪輻式傳感器系列,上一頁,返 回,下一頁, 電子發(fā)燒友 電子技術(shù)論壇,2. 應(yīng)變式壓力傳感器,上一頁,返 回,下一頁,t,r,r,t,膜片式壓力傳感器, 電子發(fā)燒友 電子技術(shù)論壇,筒式壓力傳感器 測較大壓力,機(jī)床液壓系統(tǒng)的壓力（106107Pa）， 槍炮的膛內(nèi)壓力（108Pa）， 動態(tài)特性和靈敏度主要由材料的E值和尺寸決定,上一頁,返 回,下一頁, 電子發(fā)燒友 電子技術(shù)論壇,組合式壓力傳感器,應(yīng)變片不直接粘貼在壓力感受元件上 壓力敏感元件為膜片或膜盒、波紋管、彈簧管等,通常用于測量小壓力。 其缺點是固有頻率低，不適于測量瞬態(tài)過程。,上一頁,返 回,下一頁, 電子發(fā)燒友 電子技術(shù)論壇,AK-1型應(yīng)變式脈動壓力傳感器,產(chǎn)品特點： 采用外殼和膜片為一體的圓膜片結(jié)構(gòu) 尺寸小，安裝方便 頻響高，精度高，性能穩(wěn)定可靠 適用于各種動，靜態(tài)、氣、液體介質(zhì)的壓力測量,上一頁,返 回,下一頁, 電子發(fā)燒友 電子技術(shù)論壇,3. 容器內(nèi)液體重量（液位）傳感器,上一頁,返 回,下一頁, 電子發(fā)燒友 電子技術(shù)論壇,液位