第2章 电阻应变式传感器资料

第2章电阻应变式传感器第2章电阻应变式传感器ResistanceStrainGage第2章电阻应变式传感器思考一：我们买菜、买水果都需要在电子称上进行称重，然后按照斤两来付钱，那么在电子称中存在哪种传感器呢？第2章电阻应变式传感器磅秤电子天平第2章电阻应变式传感器材料应变的测量斜拉桥上的斜拉绳应变测试第2章电阻应变式传感器2.1电阻应变片的工作原理——金属的电阻－应变效应金属丝的电阻随着它所受的机械变形的大小而发生相应的变化的现象称为金属的电阻应变效应。lRS第2章电阻应变式传感器电阻应变式传感器概述工作原理：金属丝、箔、薄膜在外界应力作用下电阻值变化的效应——电阻应变效应结构简单，使用方便；可测力、压力、位移、应变、加速度等物理量；弹性敏感元件力、压力、位移电阻应变片电桥电路RU易于实现自动化、多点及远距离测量、遥测；灵敏度高，测量速度快，适合静态、动态测量；第2章电阻应变式传感器1.金属的电阻应变效应电阻应变效应：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2lldRdldSdSSSlRS第2章电阻应变式传感器电阻的灵敏系数RlSRlS对于半径为r的圆导体，S=πr2，ΔS/S=2Δr/r又由材料力学可知，在弹性范围内，/,/,/rrllrr(12)RRε为导体的纵向应变，其数值一般很小，常以微应变度量；εr为金属丝半径的相对变化，或称径向应变；μ为电阻丝材料的泊松比，一般金属μ=0.3~0.5。第2章电阻应变式传感器金属电阻的灵敏系数/12sRRk21/sk材料的几何尺寸变化引起的材料的电阻率ρ随应变引起的（压阻效应）金属材料：k0以前者为主，则k0≈1+2μ=1.7~3.6半导体：k0值主要是由电阻率相对变化所决定：/sk/Eλ为压阻系数，与材质有关；σ为应力值；E为材料的弹性模量；第2章电阻应变式传感器第2章电阻应变式传感器2.2.1应变片的基本结构2.2电阻应变片的结构、种类和材料网状敏感栅——高阻金属丝、金属箔基片——绝缘材料盖片——保护层第2章电阻应变式传感器•按材料分：金属式：丝式、箔式、薄膜型半导体式体式：体型、薄膜型、扩散型、外延型、PN结型•按结构分：单片、双片、特殊形状•按使用环境：高温、低温、高压、磁场、水下2.2.2应变片的种类第2章电阻应变式传感器1.金属丝式应变片直径在0.012～0.05mm的金属丝；直线电阻丝绕成敏感栅后，虽然长度相同，但应变不同，圆弧部分使灵敏系数K↓下降，这种现象称为横向效应。•横向效应第2章电阻应变式传感器3.金属薄膜式应变片采用真空蒸发或真空沉积等方法系在基底上形成一层厚度在0.1μm以下的金属电阻薄膜敏感栅。优点：灵敏系数高，易实现工业化批量生产，可在低温测量环境中运用；缺点：电阻与温度和时间的变化关系难以掌握。2.金属箔式应变片厚度在0.001～0.01mm的金属箔；第2章电阻应变式传感器各种金属应变片第2章电阻应变式传感器对电阻应变片的材料的要求：①应变灵敏系数大，并在所测应变范围内保持为常数；②电阻率高而稳定，以便于制造小栅长的应变片；③电阻温度系数要小；④抗氧化能力高，耐腐蚀性能力强；⑤在工作温度范围内能保持足够的抗拉强度；⑥加工性能良好,易于拉制成丝或轧压成箔材；⑦易于焊接，对引线材料的热电势小。常用材料有：康铜、镍铬合金、铁铬铝合金、铁镍铬合金、铂、铂钨合金等。第2章电阻应变式传感器•应变极限应变片的线性特性(灵敏系数为常数)，只有在一定的应变限度范围内才能保持。当试件输入的真实应变超过某一限值时，应变计的输出特性将出现非线性。在恒温条件下，使非线性误差达到10%时的真实应变值，称为应变极限，用ej表示。2.3应变片的主要参数•应变片的电阻值(R0)应变片不受外力作用情况下,于室温条件测定的电阻值(原始电阻值),已标准化。主要有60,120,350,600,1000等各种规格。第2章电阻应变式传感器•绝缘电阻敏感栅与基底之间电阻值,一般应大于1010。•允许电流指不因电流产生的热量影响测量精度，应变片允许通过的最大电流。静态测量时，允许电流一般为25mA；动态测量时，允许电流可达75～100mA。第2章电阻应变式传感器2.4应变片的应用2.4.1应变片的选择1.应变片种类的选择2.阻值的选择3.尺寸的选择第2章电阻应变式传感器1.去污：采用手持砂轮工具除去构件表面的油污、漆、锈斑等，并用细纱布交叉打磨出细纹以增加粘贴力，用浸有酒精或丙酮的纱布片或脱脂棉球擦洗。2.4.2应变片的使用第2章电阻应变式传感器2.贴片：在应变片的表面和处理过的粘贴表面上，各涂一层均匀的粘贴胶，用镊子将应变片放上去，并调好位置，然后盖上塑料薄膜，用手指揉和滚压，排出下面的气泡。第2章电阻应变式传感器3.测量：从分开的端子处，预先用万用表测量应变片的电阻，发现端子折断和坏的应变片。第2章电阻应变式传感器4.焊接：将引线和端子用烙铁焊接起来，注意不要把端子扯断。第2章电阻应变式传感器5.固定：焊接后用胶布将引线和被测对象固定在一起，防止损坏引线和应变片。第2章电阻应变式传感器第2章电阻应变式传感器2.5转换电路应变片将应变的变化转换成电阻相对变化ΔR/R，要把电阻的变化转换成电压或电流的变化，才能用电测仪表进行测量。电阻应变片的测量线路多采用电桥电路，包括直流电桥和交流电桥两种。2.5.1恒压源电桥2.5.2恒流源电桥第2章电阻应变式传感器如图所示。电源Ui为恒压源，其内阻为零。根据电路学中的基尔霍夫定律，列出电路方程：R2R4R1R3Ui恒压电桥电路原理图RoACDIoB1I2I3I4I210340334433001144220000iIIIIIIIRIRUIRIRIRIRIRIR第2章电阻应变式传感器142300123412343412iURRRRIRRRRRRRRRRRRR式中R0为负载电阻，因而其输出电压U0为:142300012341234341201[]iURRRRUIRRRRRRRRRRRRRR联立求解上述方程，求出检流计中流过的电流Io为:当R1R4=R2R3时，I0=0，U0=0，即电桥处于平衡状态。若电桥的负载电阻R0为无穷大，则B、D两点可视为开路，上式可以化简为:14231234oiRRRRUURRRR第2章电阻应变式传感器电桥的连接方式单臂电桥差动半桥差动全桥第2章电阻应变式传感器设R1为应变片的阻值，工作时R1有一增量ΔR1，当为拉伸应变时，ΔR1为正；压缩应变时，ΔR1为负。在上式中以R1+ΔR1代替R1，则1142311234oiRRRRRUURRRRR单臂电桥：14231234oiRRRRUURRRR第2章电阻应变式传感器由于ΔR1R1,略去(2-13)分母中的ΔR1/R1得：41310124113U11iRRRRURRRRRR整理得：(2-13)2413RRnRR定义桥臂比：10211iRnUURn04iURUR若n=1，则第2章电阻应变式传感器差动半桥电桥的输出电压为：3110112234iRRRUURRRRRR设初始时为R1=R2=R3=R4=R；则上式为1201222iURRURRR若工作时应变片一片受拉、一片受压，即ΔR1=－ΔR2=ΔR，则02iURUR可见，这时输出电压U0与ΔR/R间成严格的线性关系，且电桥灵敏度比单臂电桥提高一倍。第2章电阻应变式传感器312431244112ioRRRRURRRRURRRRRRRR若采用差动全桥，如图，并设初始时R1=R2=R3=R4=R；工作时各个桥臂中电阻应变片电阻的变化为：ΔR1、ΔR2、ΔR3、ΔR4；则电桥输出为：0iRUUR若ΔR1=ΔR4=－ΔR2=－ΔR3=ΔR，则有14231234oiRRRRUURRRR第2章电阻应变式传感器第2章电阻应变式传感器2.5.2恒流源电桥3411234RRIIRRRR1221234RRIIRRRR设供电电流为I，当ΔR1=0时，且负载电阻很大，通过各臂的电流为1423011231234()RRRRUIRIRIRRRR输出电压为：014414RRRUIIRRRR若电桥初始处于平衡状态，且R1=R2=R3=R4=R；当R1变为R+ΔR时，电桥输出电压为第2章电阻应变式传感器36温度补偿•电桥补偿法–R1为工作应变片，RB为补偿应变片，各参数相同，且处于同一温度场中•自补偿法–精心设计应变片的材料与结构，使得当温度变化时，产生的附加应力为0或者相互抵消，包括单丝自补偿和双丝自补偿。第2章电阻应变式传感器2.7电阻应变式传感器2.7.1电阻应变式力传感器1．柱式力传感器第2章电阻应变式传感器柱式力传感器的弹性元件分实心和空心两种。其特点是结构简单，可承受较大载荷，最大可达107N。根据材料力学，柱沿轴向的应变为xFESE为材料弹性模量，S为圆柱体的横截面积；应变的大小取决于S、E、F，与轴长度无关。第2章电阻应变式传感器''1144''2233tt41141212ioitUKUKUt为温度引起的虚假应变。xFES第2章电阻应变式传感器圆柱的直径的计算：根据材料极限应力[σb]来计算即：F/S=[σb]；S=πd²/4得：4[]bFd对空心圆柱体，S=π(D2-d²)/4得：24[]bFDd外径内径第2章电阻应变式传感器BLR—1型拉力传感器第2章电阻应变式传感器应变式荷重传感器外形及受力位置FF第2章电阻应变式传感器汽车衡第2章电阻应变式传感器汽车衡称重系统第2章电阻应变式传感器悬臂梁式：等截面梁：ε=6Fl0/Ebh²ε=6lF/Eb0h²等强度梁：2．梁式力传感器第2章电阻应变式传感器双孔平行梁：21122134,,FLMFLMEWEWFLMFLMEWEW26bhW——抗弯断面系数02iUKUFLEW差动电桥输出：可见载荷的位置不影响输出载荷可以施加在任何位置，都可以简化为作用于梁端部的力F及一个力偶MK:为应变片灵敏系数第2章电阻应变式传感器第2章电阻应变式传感器各种悬臂梁FF固定点固定点电缆第2章电阻应变式传感器S型双孔梁04iUKUFLEW差动电桥输出：26bhW——抗弯断面系数特点：动态特性好，滞后小，荷重安放位置不会影响输出。第2章电阻应变式传感器FFFF第2章电阻应变式传感器第2章电阻应变式传感器吊钩秤便携式第2章电阻应变式传感器1．平膜片式压力传感器（被测压力较小时）2.7.2电阻应变式压力传感器第2章电阻应变式传感器220231+3+8rprrh220231+1+38tprrh在膜片中心（r=0），εr、εt达到正最大值；当r＝0.635r0时，εr=0；当r＞0.635r0时，εr产生负值；当r＝r0时，εt=0，εr达到负最大值。一般用小栅长应变片在膜片中心沿切向贴两片，在边缘处沿径向贴两片，并接成全桥电路，以提高灵敏度和进行温度补偿。径向应力：切向应力：第2章电阻应变式传感器2.筒式压力传感器(被测压力大时)第2章电阻应变式传感器022,1:DpDnDEnE泊松系数；：弹性模量当内腔与被测压力场相通时，圆筒部分外表面上的切向应变（沿着圆周线）为若筒壁较薄时，可用下式计算应变式中，β——筒的外径与内径之差，β=D0－