传感器与检测技术第3章(1.1)

1第三章力、扭矩和压力传感器第一节测力传感器第二节扭矩力传感器第三节压力传感器2第三章力、扭矩和压力传感器第一节测力传感器用于测量力的传感器多为电气式。电气式测力传感器，根据转换方式不同又分为参量型和发电型两种。参量型测力传感器有电阻应变式、电容式、电感式等。发电型测力传感器有压电式、压磁式等。3第一节测力传感器一、电阻应变式测力传感器1.电阻应变式测力传感器工作原理电阻应变式测力传感器是将力作用在弹性元件上，弹性元件在力作用下产生应变。利用贴在弹性元件上的应变片将应变转换成电阻的变化。利用电桥将电阻变化转换成电压(或电流)的变化，再送人测量放大电路测量。利用标定的电压(或电流)和力之间的对应关系，可测出力的大小或经换算得到被测力。4第一节测力传感器一、电阻应变式测力传感器1.电阻应变式测力传感器工作原理5第一节测力传感器一、电阻应变式测力传感器2.弹性元件及计算公式测力传感器的结构虽各式各样，但其弹性元件的形式只有柱型、薄壁环型和梁型三种。6第一节测力传感器一、电阻应变式测力传感器2.弹性元件及计算公式柱型弹性元件柱型弹性元件有圆柱形、圆筒形和方柱形等几种。7第一节测力传感器一、电阻应变式测力传感器2.弹性元件及计算公式柱型弹性元件柱型弹性元件有圆柱形、圆筒形和方柱形等几种。当力或荷重沿中心线对其作用时，受力后的应变值为FSE8第一节测力传感器一、电阻应变式测力传感器2.弹性元件及计算公式薄壁环型弹性元件9第三章力、扭矩和压力传感器一、电阻应变式测力传感器2.弹性元件及计算公式薄壁环型弹性元件圆环在拉力作用下，各断面所承受的弯矩为0(0.3180.5cos)MFR10第一节测力传感器一、电阻应变式测力传感器2.弹性元件及计算公式薄壁环型弹性元件最大弯矩在圆环A断面和B断面处，其值为两处的应变值分别为00.318AMFR00.182BMFR021.908AFRbhE021.092BFRbhE021.908AFRbhE021.092BFRbhE11第一节测力传感器一、电阻应变式测力传感器2.弹性元件及计算公式梁型弹性元件根据其支承情况，常用的有悬臂梁式和两端固定梁式两种12第一节测力传感器一、电阻应变式测力传感器2.弹性元件及计算公式梁型弹性元件悬臂梁式，上下表面的应变值为26FlbhE13第一节测力传感器一、电阻应变式测力传感器2.弹性元件及计算公式梁型弹性元件两端固定梁式，上下表面的应变值为234FlbhE14第一节测力传感器一、电阻应变式测力传感器2.弹性元件及计算公式柱型薄壁环型悬臂梁两端固定梁式FSE021.908AFRbhE021.092BFRbhE26FlbhE234FlbhE15第一节测力传感器一、电阻应变式测力传感器2.弹性元件及计算公式弹性元件的尺寸和材料确定后，弹性元件在外力作用下所产生的应变与外力成正比16第一节测力传感器一、电阻应变式测力传感器3.应变片应变片是非电量电测中一种常见的转换元件。由于应变片使用简便，测量精度高，体积小，动态响应好，因而得到广泛应用。17第一节测力传感器一、电阻应变式测力传感器3.应变片(1)工作原理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，这种现象称为金属的电阻应变效应。18第一节测力传感器一、电阻应变式测力传感器3.应变片(1)工作原理设有一根长度为l、截面积为S、电阻率为ρ的金属丝，其电阻R为SlR19第一节测力传感器一、电阻应变式测力传感器3.应变片(1)工作原理设有一根长度为l、截面积为S、电阻率为ρ的金属丝，其电阻R为SlR两边取对数，得lnlnlnlnRlS等式两边取微分，得dRddldSRlS20第一节测力传感器一、电阻应变式测力传感器3.应变片(1)工作原理222dSrdrdrSrrdRddldSRlS金属的轴向应变金属的径向应变xydlldrr令21第一节测力传感器一、电阻应变式测力传感器3.应变片(1)工作原理由材料力学的知识：在弹性范围内，金属丝受拉力时，沿轴向伸长，沿径向缩短，则轴向应变和径向应变的关系为：εy=-μεxμ为金属材料的泊松系数。22第一节测力传感器一、电阻应变式测力传感器3.应变片(1)工作原理dRddldSRlSdll2=-2dSdrSr23第一节测力传感器一、电阻应变式测力传感器3.应变片(1)工作原理为电阻丝电阻率的相对变化，根据压阻效应可得dRddldSRlSLLdE/d24第一节测力传感器一、电阻应变式测力传感器3.应变片(1)工作原理dRddldSRlS/(12)LdRRE25第一节测力传感器一、电阻应变式测力传感器3.应变片电阻应变片的分类金属电阻应变片半导体电阻应变片26第一节测力传感器一、电阻应变式测力传感器3.应变片金属电阻应变片:丝式、箔式、薄膜式基片覆盖层金属丝引线金属丝应变片结构金属丝式应变片(12)LE/(12)dRRK12KK——金属电阻丝灵敏系数27第一节测力传感器一、电阻应变式测力传感器3.应变片金属电阻应变片:丝式、箔式、薄膜式基片覆盖层金属丝引线金属丝应变片结构金属丝式应变片将金属电阻丝（一般是合金，电阻率较高，直径约0.02mm）粘贴在绝缘基片上，上面覆盖一层薄膜，使它们变成一个整体。28金属箔式应变片利用光刻、腐蚀等工艺制成一种很薄的金属箔栅，厚度一般在0.003~0.010mm，粘贴在基片上，上面再覆盖一层薄膜而制成。其优点是表面积和截面积之比大，散热条件好，允许通过的电流较大，可制成各种需要的形状，便于批量生产。第一节测力传感器一、电阻应变式测力传感器3.应变片金属电阻应变片:丝式、箔式、薄膜式29第一节测力传感器一、电阻应变式测力传感器3.应变片金属电阻应变片:丝式、箔式、薄膜式箔式应变片金属箔式应变片30第一节测力传感器一、电阻应变式测力传感器3.应变片半导体应变片半导体应变片的工作原理是基于压阻效应。压阻效应是指固体受到应力作用时，其电阻率发生变化，这种现象称为压阻效应。/(12)LdRRE31第一节测力传感器一、电阻应变式测力传感器3.应变片半导体应变片/(12)LdRRE/(12)d//LdRRdEKLKEK——半导体应变片的应变灵敏系数32第一节测力传感器一、电阻应变式测力传感器3.应变片半导体应变片半导体应变片的应变灵敏系数比电阻应变片大(50～30倍)，因而适用于需要大信号输出的场合。半导体应变片横向效应小，其横向灵敏度几乎为零；机械滞后小，可制成小型和超小型片子，这对测量局部应变很有用。33第一节测力传感器一、电阻应变式测力传感器3.应变片半导体应变片半导体应变片的缺点是应变灵敏系数的离散性大，机械强度低，非线性误差大，温度系数大。34第一节测力传感器一、电阻应变式测力传感器4.应变片的布置和接桥方式(1)应变仪中所用电桥的特性平衡条件当RL→∞时，电桥输出电压:3101234iRRUURRRRERLR2R4R1R3U0直流测量电桥直流电桥14231234()()iRRRRURRRR35第一节测力传感器一、电阻应变式测力传感器4.应变片的布置和接桥方式(1)应变仪中所用电桥的特性直流电桥当电桥平衡时,U0=0，所以:R1R4=R2R3或R1/R2=R3/R4142301234()()iRRRRUURRRRERLR2R4R1R3U0直流测量电桥36第一节测力传感器一、电阻应变式测力传感器4.应变片的布置和接桥方式(1)应变仪中所用电桥的特性若R1由应变片替代，当电桥开路时，不平衡电桥输出的电压为:31423141101123411234`14131412411234113()()()()()(1)(1)iiiiRRRRRRRRRUUURRRRRRRRRRRRRRRRUURRRRRRRRRRR37设桥臂比n=R2/R1,由于ΔR1R1,可得:10021U1iRnUURn①电桥的灵敏度SV正比于供桥电压Ui②电桥的灵敏度SV是桥臂比的函数。02111ViUnSURnR第一节测力传感器38当供桥电压Ui确定后，由0)1(1042nnnSV求得n=1时，SV为最大。即：在当供桥电压E确定后，当R1=R2、R3=R4时，电桥的灵敏度最高。第一节测力传感器3910111111412iRUURRR结论：当供桥电压和电阻相对变化一定时，电桥的输出电压及其灵敏度也是定值，且与各桥臂阻值大小无关。第一节测力传感器10114iRUUR14ViSU`14130124113(1)(1)iRRRRUURRRRRR1021U1iRnURn21VinSUn40非线性误差实际的非线性特性曲线与理想的线性特性曲线的偏差称为绝对非线性误差；绝对非线性误差与理想的线性特性曲线的比称为相对非线性误差，用r表示。第一节测力传感器41121111121112121211341211343412111134'00'0'001111111111)1)(1())(()1()()(1))((1RRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRERRRRRRRRRRERRRRUUUUUr42提高桥臂比提高桥臂比n可使非线性误差减小；但电桥电压灵敏度SV将降低。为了不降低SV，必须适当提高供桥电压。减小或消除非线性误差的方法1112111RRrRRRR第一节测力传感器43采用差动电桥ERLR2-ΔR2R4R1+ΔR1R3U0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。第一节测力传感器a.半桥差动443110112234iRRRUURRRRRR结论：U0与ΔR1/R1成线性关系，差动电桥无非线性误差；电压灵敏度SV=U0/2，比使用单只应变片提高了一倍。当电桥开路时，不平衡电桥输出的电压为：10112iRUUR若，则：432121RRRRRR，，第一节测力传感器45b.全桥差动若满足ΔR1=ΔR2=ΔR3=ΔR4则输出电压为：101iRUUR可见：全桥差动电桥也无非线性误差；电压敏度SV=Ui是使用单只应变片的4倍，比半桥差动提高了一倍。ERLR2-ΔR2R4+ΔR4R1+ΔR1U0全桥差动电路R3-ΔR3第一节测力传感器46交流电桥交流电桥平衡条件交流电桥输出电压为：31123414231234SCSRZZUUZZZZZZZZZZZZ所以桥路平衡条件为：USRZ2Z4Z1Z3USC交流电桥~31142324ZZZZZZZZ，或第一节测力传感器47交流电桥的不平衡状态①单臂交流电桥1114SCSRZUUZ②半桥差动电路1112SCSRZUUZ③全桥差动电路11SCSRZUUZ第一节测力传感器48第一节测力传感器一、电阻应变式测力传感器4.应变片的布置和接桥方式(1)应变仪中所用电桥的特性49第一节测力传感器一、电阻应变式测力传感器4.应变片的布置和接桥方式(2)应变片的布置和接桥方式应变片的布置和电桥连接应根据测量目的、对载荷分布的估计以及在复合载荷下测量应变时应能消除相互影响等情况而定。从表中可以看到，不同的布置和接桥方法对灵敏度、温度补偿情况和消除弯矩的影响亦不同，一般应优先选用输出信号大，能实现温度补偿，粘贴方便，并便于分析的方案。50第一节测力传感器一、电阻应变式测力传感器5.