3.1电阻应变片式传感器及应用

3.1电阻应变片式传感器及应用电阻应变测量原理，是以电阻应变片作为传感元件，将其牢固地粘贴在构件的测点上，构件受力后由于测点发生应变，应变片也随之变形而使应变片的电阻发生变化，再由专用仪器测得应变片的电阻变化大小，并转换为测点的应变值。导体的电阻随着机械变形而发生变化的现象，称为电阻应变效应金属应变片有:丝式和箔式优点:稳定性和温度特性好.缺点:灵敏度系数小.RSLF　　，，　　　　应力作用　受外力应变效应：SSLSLLSRd2故有，对于微小变化，SSLLRRLLDDLL泊松比：应变：引入两个概念DDSSDDSDS24242)21(RRddSSLddSLddLSddRR2求全微分得：按应力对)21(RRK因此有KRRK内有属应变片，再弹性范围称为应变灵敏度，对金1、分类严重），灵敏系数大，非线性半导体应变片（尺寸小高）薄膜应变片（灵敏系数用较多）箔式应变片（常温下应，价格便宜）（结构简单，性能稳定短接式回线式丝式应变片应变片的材料选择：1、K应尽量的大，并在应变范围内保持常数。2、电阻率要大，使得应变片栅状总长减小3、电阻温度系数要小，使得应变片受发热影响小。4、优良加工焊接性能，使应变片拉压自如主要特性参数：1、灵敏系数：表示单位应变的电阻相对变化率。)(LLRRK）化而引起的电阻率变化动能力和数量均发生变（因材料自由电子的活的变化引起的②材料受力后的①由几何尺寸改变引起决定：的大小主要由两个因素从上式我们可以看出，又21)21(KRRK才能保持常数限之内，只有在电阻丝拉伸的极、应变极限Km23、初始电阻：自由状态下的应变片阻值，一般有：60Ω，90Ω,120Ω，200Ω,300Ω,500Ω,1000Ω4、允许电流：流过应变片的阻值应小于25mA5、其他常数：如：横向效应，零漂，机械滞后6、最高使用温度机械能通电发热环境因素引起应变片温度变化的应力胀不一致而产生的附加电阻丝与粘贴材料线膨误以为受力应变片受温度变化影响RT所以温度变化会对应变片的测量带来误差。解决的办法就是在测量电路中加入温度补偿环节。二、测量电路应变片可以把应变转换为电阻的变化，为了显示和记录应变大小，还需要把电阻变化再转换为电压或电流的变化。由于应变信号一般都很微弱，故采用电桥来测量1、直流电桥不平衡输出URRRRRRRRURRRURRRUUUCABCo))((43214231212433测量前应使电桥平衡，使Uo=0，即：4231RRRR桥式电路中，四个电阻的任何一个都可以是应变片电阻URRRRRRRRRRRRURRoii)()(4433221122121可认为电阻为无穷大）放大器输入阻抗很高，，负载电阻无限大时（当)(4443322114321RRRRRRRRUURRRRo时，特别当)(443214321UKUKRRRRRRoiii则有：带入时，将而当特点：相邻相减，相对相加例题1：R1R2R3R4为多少？求此时的电桥输出电压，，，，化如下：之后，各应变片阻值变当给试件施加外力平衡，无外力作用时，电桥设：111101204'43'32'21'14321RRRRRRRRFURRRRomVRRRRRRRRUUmVUoo20120111144.2)(4204.2)121119119121119121(44332211或例题2：如图所示，测量一个悬臂梁受力情况，若测量电路已经确定试摆放4个应变片的位置R1R2R3R42、应变片电桥的一般组成1）单臂工作：11432RRRRRRR，采用一个应变片设固定电阻RRRRUURRRURRRRUUo211422211111121102111RRRRRRRRUUo14以上说明：单臂工作时，输出电压与应变片电阻变化率之间是近似的线性关系，实际上是非线性关系。这会带来非线性误差。若将输出电压的式子用泰勒级数展开%1002)2()2(2])2()2(21[4211413121131211111RRRRRRRReRRRRRRRRURRRRUUfo这时，非线性误差则有：2）双臂工作（差动半桥）RRRRRRRRRR2211URRURRRUURRRRRRUUo2222通过上式，说明双臂工作时，如果差动双臂应变大小一致（极性相反），则不存在（或很小的）非线性误差，并可起到温度补偿作用。3）三臂工作（同理）4）四臂工作（同理）3、其他问题1）电桥的平衡点的调整自由状态下进行串联并联2）温度补偿：采用半桥或全桥3）应变自补偿温度补偿路中加入热敏电阻进行热敏电阻补偿：测量电丝负温度系数的两段电阻组合式：选择分别为正相互抵消线膨胀料，使得选择式：选择电阻丝材RRt四、半导体应变片金属电阻应变片的缺点是灵敏系数低（k一般为2.0~3.6），半导体应变片k比金属电阻高约50倍。1、工作原理：（压阻效应）)21()21(KRR对半导体来说：当某一轴向施加一定应力，电阻率发生变化称为压阻效应，不同类半导体，不同加力方向，压阻效应不一样。纵向、横向应力纵向、横向压阻系数式中：trtrttrr纵向应变半导体弹性模数力，则若半导体只沿纵向受应EErEERRrr)21()21(RR半导体应变片灵敏度高，K100可不用放大器，但半导体应变片有明显缺点：阻值，灵敏度等随温度变化大，非线性大，所以使用时应采取温度补偿和非线性补偿措施。案例：桥梁固有频率测量原理在桥中设置一三角形障碍物，利用汽车碍时的冲击对桥梁进行激励，再通过应变片测量桥梁动态变形，得到桥梁固有频率。电阻应变片传感器应用案例：电子称原理将物品重量通过悬臂梁转化结构变形再通过应变片转化为电量输出。四、应变效应的应用电阻应变片的应用可分为两大类：第一类是将应变片粘贴于某些弹性体上，并将其接到测量转换电路，这样就构成测量各种物理量的专用应变式传感器。应变式传感器中，敏感元件一般为各种弹性体。传感元件就是应变片，测量转换电路一般为桥路；第二类是将应变片贴于被测试件上，然后将其接到应变仪上就可直接从应变仪上读取被测试件的应变量。应变式力传感器S型力传感器FFFF各种悬臂梁各种悬臂梁FF固定点固定点电缆应变片在悬臂梁上的粘贴及变形应变式荷重传感器的外形及应变片的粘贴位置FR1R2R4应变式荷重传感器外形及受力位置（续）FF应变式荷重传感器外形及受力位置（续）FF荷重传感器原理演示贴在荷重传感器表面的应变片在向下力的作用下产生变形。轴向变短，径向变长。汽车衡测量装货量或判断超载汽车衡称重系统（参考北京远亚兴业商贸有限公司资料）荷重传感器用于构件的称重荷重传感器（共3个，120度分布，以达到均衡目的，另两个未拍出）底座垫块电缆电子秤磅秤超市打印秤远距离显示电子天平电子天平的精度可达十万分之一人体秤怎样改造，才能适合盲人使用？吊钩秤便携式如何将信号传送到计算机中？电子秤中的各类弹性元件应变式数显扭矩扳手数显扳手可用于汽车、摩托车、飞机、内燃机、机械制造和家用电器等领域，准确控制紧固螺栓的装配扭矩。量程2~500N·m，耗电量≤10mA，有公制/英制单位转换、峰值保持、自动断电等功能。应变式数显扭矩扳手（续）压阻式固态压力传感器利用扩散工艺制作的四个半导体应变电阻处于同一硅片上，工艺一致性好，灵敏度相等，漂移抵消，迟滞、蠕变非常小，动态响应快。压阻式固态压力传感器的隔离、承压膜片隔离、承压膜片可以将腐蚀性的气体、液体与硅膜片隔离开来。压阻式固态压力传感器内部结构信号处理电路p小型压阻式固态压力传感器高压进气口低压进气口小型压阻式固态差压传感器（续）可用于呼吸、透析和注射泵等设备p1进气管p2进气管电缆引出小型压阻式固态压力传感器（续）表压压力传感器p1进气管汽车子午线轮胎胎压的测量子午线轮胎汽车胎压传感器的安装投入式液位计压阻式固态压力传感器的p1进气孔用柔性不锈钢隔离膜片隔离，并用硅油传导压力。硅杯不与液体相通，耐腐蚀。投入式液位计外形（续）压阻式固态压力传感器与水位成正比的光柱橡胶背压管进水孔投入式液位传感器投入式液位传感器必须使用安装支架，适应于深度为几米至几十米，且混有大量污物、杂质的水或其他液体的液位测量。电阻应变仪下图所示的静态应变仪测量范围：±19999με；分辨率：1με；电桥电压：直流2.5V；应变片：120Ω或其他阻值；测量点数：8/16点；电阻应变仪（续）右图所示的静动态应变仪技术指标：量程：1±10000με频率范围：0～150kHz平衡方式：手动精度：0.3%零点飘移和灵敏度变化：±0.1με/℃±0.5με/24小时信噪比：52dB（参考东方振动和噪声技术研究所资料）电阻应变仪（续）与计算机接口的多路电阻应变测量模块材料应变的测量斜拉桥上的斜拉绳应变测试材料应变的测量（续）预应力管桩的质量检验：工作人员正在贴应变片应变片粘贴在管桩上，引出线应良好固定