20101516应变式传感器

1.电阻应变片的测量电路2.应变式传感器的应用15-16学时第2章电阻式传感器原理与应用(2)本学时主要讲解内容：工程测试技术1.概述:应变片作为转换元件可把有用的应力的变化转换成电阻的变化,但为了能够显示被测量的大小,还必须由测量电路将电阻的变化转换成电压或电流的变化。应变式传感器的测量电路就是完成这一任务的。它的测量电路一般采用测量电桥电路来完成.由于电桥电路输出信号很微弱，所以大部分传感器的电桥输出端要与直流放大器相连，例下图：一.电阻应变片的测量电路第2章应变式传感器2.直流平衡电桥的基本工作原理R1＋R1R3R4R2bUcda放大器Usc0设电桥各臂的电阻分别为R1，R2，R3，R4，它们可以全部或者部分是应变片。由于直流放大器的输入电阻比电桥电阻大得多，因此可将电桥的输出看成是开路，这种电桥称为电压输出桥，若采用直流供电，则称为直流平衡电桥。1)平衡条件：当RL→∞时，电桥输出电压:）（14332110RRRRRRUU当电桥平衡时,U0=0，所以:R1R4=R2R3或R1/R2=R3/R4(2)上式称为直流电桥平衡条件,它说明欲使电桥平衡,其相邻二臂的比值应相等.而电桥的四臂中任一电阻可用应变片代替.2.应变片的几种不同接法的电压灵敏度(1)如果桥臂中的R1由应变片替代，其它为固定电阻，如下图所示:第2章应变式传感器ERLR2R4R1+ΔR1R3U0图1直流测量电桥当电桥开路时，由前面分析可知:）（14332110RRRRRRUU受应变时,其电阻变化为ΔR1,此时不平衡电桥输出的电压为:URRRRRRRRRRURRRRRRRRRRRRRRRRRRURRRRRRRRUU)1)(1())(())(()(3412113411`432114143211413241433211110(2)3U101120）（RRnnUU另由于ΔR1R1,(例初始电阻值120Ω的应变计,受到1000微应变时,其电阻变化仅为0.24Ω),可略去分母中的11RR设桥臂比n=R2/R1,考虑到起始平衡条件3412RRRR3412RRRR则上式可为:）（412110nnURRUkV将(3)式改写成:令(4)式中KV为电桥的电压灵敏度.第2章应变式传感器分析(4)式可得如下结论：①电桥的灵敏度KV正比于供桥电压U②电桥的灵敏度KV是桥臂比的函数当供桥电压U确定后，由）（412110nnURRUkV求得n=1时，电压灵敏度KV为最大。即：在当供桥电压U确定后，当R1=R2、R3=R4时，电桥的灵敏度最高。根据这种对称形式,可将(4)式简化为:第2章应变式传感器结论：1)KV愈大,说明应变计电阻相对变化相同的情况下,电桥输出电压愈大,电桥愈灵敏。2)欲提高KV,必须提高电源电压,但它受应变计允许功耗的限制3)选择适当的桥臂比n.下面来讨论一下.）（541UKV第2章应变式传感器前面分析到n=1时,KV为最大。这就是说,在电桥电压一定,当R1=R2,R3=R4时,电桥的电压灵敏度最高。通常这种情况称为电桥的第一种对称形式。而R1=R3,R2=R4则称为电桥的第二种对称形式。第一种对称形式有较高的灵敏度,第二种对称形式线性较好,等臂电桥是其中的一个特例.由(5)式可知,当电源电压及电阻相对变化一定时,电桥的输出电压及其电压灵敏度将与各桥臂阻值的大小无关。第2章应变式传感器2)非线性误差因为:41110RRUU但实际输出电压为:21114111110RRRRUU则电桥输出电压的相对非线性误差为:3U101120）（RRnnUU(3)式可看成处理后的理想的输出电压,可简化为:第2章应变式传感器kRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRURRRRRRRRRRURRRRUUUUUr2/1)2/1(1111111111)1)(1())(()1()()(1))((111121111121112121211341211343412111134'00'0'00从上式可看出,ΔR1越大,相对误差越大.a)提高桥臂比从以上分析可看出,要减小非线性误差必须使ΔR1R1,3)电桥的非线性误差补偿方法提高桥臂比n可使非线性误差减小；但电桥电压灵敏度KV将降低。为了不降低KV，必须适当提高供桥电压U。)1(2110nnURRUkV(2)如果桥臂中的R1,R2由应变片替代，即采用半桥差动电桥,如下图:URLR2-ΔR2R4R1+ΔR1R3U0图2-12半桥差动电路如果桥臂电阻R1和邻边桥臂电阻R2都由应变片替代，且使一个应变片受拉，另一个受压，这种接法称为半桥差动工作电路。R2）（14332211110RRRRRRRRRUU当电桥开路时，不平衡电桥输出的电压为：）（221110RRUU若432121RRRRRR，，化简得：11313111343212134311433211143322111102)(222)(2))(()())((RRURRRRRRRURRRRRRRRRRRURRRRRRRURRRRRRRRRUU即整理如下：第2章应变式传感器结论：由于没有省略项，所以U0与ΔR1/R1成线性关系，半桥差动无非线性误差；电压灵敏度KV=U/2，比使用单只应变片提高了一倍。2/110URRUKV所以：(3)如果桥臂电阻都由应变片替代，即全桥差动即满足ΔR1=ΔR2=ΔR3=ΔR4则同理，推算出输出电压为：110RRUU可见：全桥差动电桥也无非线性误差；电压敏度KV=U是使用单只应变片的4倍，比半桥差动提高了一倍。URLR2-ΔR2R4+ΔR4R1+ΔR1U0图2-12全桥差动电路R3-ΔR3URRUKV110第2章应变式传感器二.应变式传感器的应用举例1.柱式力传感器图1柱式力传感器FF面积A-ε1+ε2-ε2+ε1截面积AF(a)实心圆柱(b)空心圆柱F柱式力传感器的弹性元件分为实心和空心二种.实心圆柱可承受较大负荷,空心的多用于小集中力的测量,在弹性范围内,作用力与应变成正比关系:TFEAE式中:F为作用在弹性元件上的集中力;A为圆柱的横截面积;E为弹性元件的弹性模量.第2章应变式传感器应变片粘贴在弹性体外臂应力分布均匀的中间部分，对称的粘贴多片.具体位置及其在桥路中的连接如下图所示:u0UR1R3R5R7R6R8R2R4R6R7R8R2R3R4R5图2柱式力传感器应变片的粘贴与桥路连接R1(a)圆柱面展开图(b)桥路连接一般将应变片对称地贴在应力均匀的圆柱表面中部，构成差动对,且处于对称位置，以减小弯矩的影响。横向粘贴的应变片具有温度补偿作用。第2章应变式传感器悬臂梁式传感器2.梁式力传感器第2章应变式传感器梁式力传感器是一种低外形、高精度、抗偏、抗侧性能优越的称重测力传感器。采用的弹性元件：弹性梁转换元件：电阻应变计。基本原理：当垂直正压力或拉力作用在弹性梁上时,电阻应变计随金属弹性梁一起变形,其应变使电阻应变计的阻值变化,因而应变电桥输出与拉力(或压力)成正比的电压信号。配以相应的应变仪,数字电压表或其他二次仪表,即可显示或记录重量(或力)。R2第2章应变式传感器(1)等强度悬臂梁式传感器(a)等强度悬臂梁FR4R1FhR1、R4lR2、R3一端固定，一端自由，当在自由端加上作用力时,在梁上各处产生的应变大小相等,设厚度为h,长度l，固定端宽度为b0,E为杨氏模量,力F作用在三角形顶点。在固定端产生的应变最大,粘结应变计处的应变为:）（1620EhbFlE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。4只应变片b0第2章应变式传感器将它们组成差动全桥,则电桥的灵敏度为单臂工作时的4倍。悬臂梁式传感器一般可测500kg以下的载荷,最小可测几十克重。悬臂梁式传感器也可达到很大的量程,如钢制工字悬臂梁结构传感器量程为0.2～30t,精度可达0.02%FS。悬臂梁式传感器具有结构简单、应变计容易粘贴,灵敏度高等特点。图3.几种梁式传感器外形第2章应变式传感器(2)等截面梁FR1、R4R2、R3hl(b)等截面悬臂梁R1R4b4只应变片）（262EbhFl一端固定，一端自由，厚度为h,宽度为b,悬臂外端到应变片中心的距离为l。其应变的大小为：它的特点是灵敏度比较高。所以多用于较小力的测量。例如，民用电子称中就多采用悬臂梁。第2章应变式传感器FR1、R4R2、R3hl/2l/2(c)双端固定梁R1R4b4只应变片(3)固定梁）（3432EbhFl梁的二端都固定,中间加载荷,应变片R1~R4贴在中间位置,梁的宽度为b,厚度为h,长度为l,梁的应变力为:第2章应变式传感器双弯曲梁为传感器弹性体，四片应变片分别粘贴在梁的上、下两表面上，组成全桥电路。当载荷F作用时，R1、R2受拉伸，阻值增加；R3、R4受压缩，阻值减小。电桥失去平衡，产生电压输出。（4）特殊梁力传感器-双弯曲梁图4.双弯曲梁R4R3R2R1F第2章应变式传感器应变式压力传感器由电阻应变计、弹性元件、外壳及补偿电阻组成。一般用于测量较大的压力。3.应变式压力传感器(1)筒式压力传感器薄壁筒上贴有两片工作应变片，实心部分贴有两片温度补偿片。实心部分在筒内有压力时不产生形变。当无压力时，四片应变片组成的全桥平衡；当被测压力P进入应变筒的腔内时，圆筒发生形变，电桥失衡。圆筒外表面上的环向应变为：DdP工作片补偿片p图:筒式压力传感器的弹性元件第2章应变式传感器）（12222dDEdP式中,p为被测压力,D为圆筒外径,d为圆筒内径.E为杨氏模量.DdP工作片补偿片p图:筒式压力传感器的弹性元件若壁较薄时，可用下式计算环向应变:）（25.012hEPD2d-Dh其中：第2章应变式传感器4.应变式加速度传感器图1应变式加速度传感器L应变片质量块m弹簧片外壳基座a在一悬臂梁的自由端固定一质量块m。当壳体与待测物一起作加速运动时,梁在质量块惯性力的作用下发生形变,使粘贴于其上的应变计的阻值变化。检测阻值的变化可求得待测物的加速度。作加速运动时,梁根部的应变为:26()6WGglhE其中,W为惯性块质量;G′为等强度梁折算到自由端的等效质量,一般为梁质量的1/6,gl为几何尺寸.第2章应变式传感器应变片加速度传感器不适用于频率较高的振动和冲击,一般适用频率为10～60Hz范围。思考题：1.拟在等截面的悬臂梁上粘贴4个完全相同的电阻应变片组成差动全桥电路,试问:1)4个电阻应变片怎样粘贴在悬臂梁上?2)相应的电桥电路应怎样？