第二章力传感器1.ppt
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1、第二章力传感器 l应变式传感器 l电感式传感器 l电容式传感器 l压电式传感器 力传感器指对力学量敏感的一类器件或装置。 寻 钵 炮 狼 共 擅 判 壮 些 抑 潍 悬 凄 蜡 嘻 襄 薯 恫 敷 狠 刘 确 焰 烬 援 裤 闯 沛 僵 酿 饭 屎 第 二 章 力 传 感 器 1 第 二 章 力 传 感 器 1 1 l金属应变片式传感器 n金属丝式应变片 n金属箔式应变片 n测量电路 n应变式传感器应用 l压阻式传感器 n压阻效应 n晶向、晶面的表示方法 n压阻器件 第一节应变式传感器 衍 围 哄 粉 皑 俏 钙 郁 纳 栓 牧 黑 贵 倦 奎 排 娘 虱 劳 愈 痢 请 设 摸 膘 地 昼
2、废 堪 涯 酒 工 第 二 章 力 传 感 器 1 第 二 章 力 传 感 器 1 2 优点:精度高,测量范围广 频率响应特性较好 结构简单,尺寸小,重量轻 可在高(低)温、高速、高压、强烈振动、强磁 场及核辐射和化学腐蚀等恶劣条件下正常工作 易于实现小型化、固态化 价格低廉,品种多样,便于选择 一、金属应变片式传感器 核心元件:金属应变片 作用:将试件上的应变变化转换成电阻变化。 缺点:具有非线性,输出信号微弱,抗干扰能力较差 ,因此信号线需要采取屏蔽措施;只能测量一点或应 变栅范围内的平均应变,不能显示应力场中应力梯度 的变化等;不能用于过高温度场合下的测量。 旷 啼 诫 傍 械 凋 秘
3、殿 缴 冠 譬 人 荷 血 咳 卤 沽 养 摆 虱 低 遇 侧 圭 粥 溺 饱 探 还 迈 征 破 第 二 章 力 传 感 器 1 第 二 章 力 传 感 器 1 3 各种电子秤 广泛应用于 钝 尾 怪 私 澄 鸿 圆 墅 里 不 闹 揩 拒 芍 藉 供 她 餐 罩 粟 枢 辕 渴 速 齐 党 冬 咆 管 胸 斋 置 第 二 章 力 传 感 器 1 第 二 章 力 传 感 器 1 4 高 精 度 电 子 汽 车 衡 动态电子秤 电子天平 拱 橱 床 瘪 邓 瑞 啥 跳 眨 霸 钎 照 廖 辜 惟 收 陶 远 鹃 妹 魏 层 拟 铡 贼 述 辞 纬 寡 密 真 偿 第 二 章 力 传 感 器 1
4、 第 二 章 力 传 感 器 1 5 机械秤包装机 吊秤 夕 旦 枷 瓢 跑 峡 状 辨 欧 框 凌 良 香 纂 火 立 贰 仗 起 巳 枷 就 仁 涪 面 炽 径 龋 蕊 悔 缅 裔 第 二 章 力 传 感 器 1 第 二 章 力 传 感 器 1 6 (一) 金属丝式应变片 1、应变效应 定义: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。 设有一根长度为l、截面积为S、电阻率为的金属丝 ,其电阻R为 两边取对数,得 等式两边取微分,得 晰 券 统 绣 溪 锚 封 控 藩 点 糟 党 稍 设 惰 反 韵 但 博 拌 议 左 期 促 因 甜 橡 忙 腥 某 痞 疲 第 二 章 力
5、传 感 器 1 第 二 章 力 传 感 器 1 7 dr/r为金属丝半径的相对变化,即径向应变为r。 S=r 2dS/S=2dr/r r= 由材料力学知 将微分dR、d改写成增量R、,则 金属丝电阻的相对变化与金属丝的伸长或缩短之间存在 比例关系。比例系数KS称为金属丝的应变灵敏系数。 糯 酌 涕 氓 奇 恃 吞 姿 棵 巫 样 黎 杀 透 上 扦 握 谷 烯 汉 建 倍 赤 析 仿 住 赊 焚 系 卧 倍 捆 第 二 章 力 传 感 器 1 第 二 章 力 传 感 器 1 8 物理意义:单位应变引起的电阻相对变化。 KS由两部分组成: 前一部分(1+2):由材料的几何尺寸变化引起,一般 金属
6、0.3,因此(1+2)1.6; 后一部分:电阻率随应变而引起的(称“压阻效 应”)。 对金属材料,以前者为主,则KS1+2; 对半导体,KS值主要由电阻率相对变化所决定。 实验表明,在金属丝拉伸比例极限内,电阻相对变化与 轴向应变成正比。通常KS在1.83.6范围内。 曰 枫 苹 弄 撑 旬 痛 桑 沥 蛹 崩 困 癌 卉 琼 缝 氟 昂 疗 必 节 纹 袄 劫 衔 我 逗 肿 要 送 遵 幕 第 二 章 力 传 感 器 1 第 二 章 力 传 感 器 1 9 电阻应变片结构示意图 2、应变片的结构与材料 b l 栅长 栅宽 组成:敏感栅、基底、盖片、引线和粘结剂。 丙 姐 填 布 禾 琢 歉
7、 烘 旱 期 秩 讣 烷 桐 瓤 东 恨 夸 谨 岳 禹 辊 街 泽 振 笛 右 馁 亭 助 滁 塌 第 二 章 力 传 感 器 1 第 二 章 力 传 感 器 1 10 注意:K是在试件受一维应力作用,应变片的轴向与 主应力方向一致,且试件材料的泊松比为0.285的钢材 时测得的。测量结果表明,应变片的灵敏系数K恒小 于线材的灵敏系数KS。 3、主要特性 (1) 灵敏度系数 当金属丝做成应变片后,其电阻应变特性,与金属单 丝情况不同。因此,须用实验方法对应变片的电阻应 变特性重新测定。实验表明,金属应变片的电阻相对变 化与应变在很宽的范围内均为线性关系。即 原因:胶层传递变形失真,横向效应
8、。 K为金属应变片的灵敏系数 俭 带 矣 懒 级 童 肪 植 茵 惰 份 瑰 甸 谆 蛀 滚 祷 撬 曼 捌 陵 皋 厦 郎 碴 掣 绪 芜 赡 些 片 苛 第 二 章 力 传 感 器 1 第 二 章 力 传 感 器 1 11 横向效应:金属应变片由于敏感栅的两端为半圆弧形 的横栅,测量应变时,构件的轴向应变使敏感栅电阻 发生变化,其横向应变r也将使敏感栅半圆弧部分的电 阻发生变化(除了起作用外),应变片的这种既受轴向 应变影响,又受横向应变影响而引起电阻变化的现象 。 (2) 横向效应 纂 磅 绦 挑 宴 既 磷 骤 菊 覆 誉 车 砒 楔 恩 芽 礼 竖 窖 陶 渤 困 壤 恭 昆 汀 映
9、 漫 挽 倦 梯 眺 第 二 章 力 传 感 器 1 第 二 章 力 传 感 器 1 12 定义:应变片粘贴在被测试件上,当温度恒定时,其加 载特性与卸载特性不重合,即为机械滞后。 1 机械应变 卸载 加载 指 示 应 变 i 应变片的机械滞后 机械滞后值还与应变 片所承受的应变量有关, 加载时的机械应变愈大, 卸载时的滞后也愈大。所 以,通常在实验之前应将 试件预先加、卸载若干次 ,以减少因机械滞后所产 生的实验误差。 产生原因:应变片在承受机械应变后,其内部会产生残 余变形,使敏感栅电阻发生少量不可逆变化;在制造或 粘贴应变片时,如果敏感栅受到不适当的变形或者粘结 剂固化不充分。 (3)
10、机械滞后 札 白 浴 里 疫 掂 牵 瘸 随 虱 凤 链 苦 冈 钓 仪 梦 囤 嫁 度 甚 斗 碴 冷 繁 雏 渍 艇 旗 范 向 塌 第 二 章 力 传 感 器 1 第 二 章 力 传 感 器 1 13 产生原因:由于胶层之间发生“滑动”,使力传到敏感栅 的应变量逐渐减少。 (4)零点漂移和蠕变 零点漂移:对于粘贴好的应变片,当温度恒定且不承 受应变时,其电阻值随时间增加而变化的特性。 产生原因:敏感栅通电后的温度效应;应变片的内应力 逐渐变化;粘结剂固化不充分等。 蠕变:在一定温度下,使应变片承受恒定的机械应变 ,其电阻值随时间增加而变化的特性。一般蠕变的方 向与原应变量的方向相反。 这
11、两项指标是衡量应变片特性对时间的稳定性。 袖 藩 摇 谣 欠 没 顺 第 晃 军 絮 留 桐 惭 馒 设 复 亮 羌 冶 讥 跨 乘 柯 首 纸 匿 钓 唤 鹃 章 禽 第 二 章 力 传 感 器 1 第 二 章 力 传 感 器 1 14 应变片在一定温度下和规定范围(一般为10%)内的 最大真实应变值。 lim 真实应变z 指 示 应 变 i 应变片的应变极限 10% 主要因素: 粘结剂和基底材料传递 变形的性能及应变片的 安装质量; 制造与安装应变片时, 应选用抗剪强度较高的 粘结剂和基底材料; 基底和粘结剂的厚度不 宜过大,并应经过适当 的固化处理,才能获得 较高的应变极限。 (5)应变
12、极限 孺 澄 坞 褒 刹 疏 尼 屑 题 氧 挚 何 惨 不 炸 国 骆 德 爵 求 泣 示 蹦 蕾 魔 卜 尼 驶 秘 蓝 玩 闭 第 二 章 力 传 感 器 1 第 二 章 力 传 感 器 1 15 4、温度误差及其补偿 (1) 温度误差 环境温度改变而引起电阻变化的两个主要因素: 应变片的电阻丝(敏感栅)具有一定温度系数; 电阻丝材料与测试材料的线膨胀系数不同。 由于环境温度变化引起的电阻变化与试件应变 所造成的电阻变化几乎有相同的数量级,从而 产生很大的测量误差,称为应变片的温度误差 ,又称热输出。 斟 昏 攀 灶 袋 浸 戍 玲 堤 象 剥 陵 柴 雨 旅 淀 斋 究 齿 宝 捣 狄
13、 洁 扔 垫 垂 职 批 恍 酸 骗 惧 第 二 章 力 传 感 器 1 第 二 章 力 传 感 器 1 16 e试件材料线膨胀系数;g敏感栅材料线膨胀系数。 K应变片灵敏系数。 设环境引起的构件温度变化为t()时,粘贴在 试件表面的应变片敏感栅材料的电阻温度系数为t ,则应变片产生的电阻相对变化为 由于敏感栅材料和被测构件材料两者线膨胀系数不同 ,当t 存在时,引起应变片的附加应变,其值为 相应的电阻相对变化为 岩 灿 片 俏 冷 烷 姻 疗 沽 慑 后 议 魄 必 章 芒 忧 祟 权 郑 钝 逊 灵 疵 布 碌 嫩 满 驶 职 场 纽 第 二 章 力 传 感 器 1 第 二 章 力 传 感
14、 器 1 17 温度变化形成的总电阻相对变化: 可见,应变片热输出的大小不仅与应变计敏感栅材料 的性能(t,g)有关,而且与被测试件材料的线膨胀 系数(e)有关。 上式为应变片粘贴在试件表面上,当试件不受外力作 用,在温度变化t 时,应变片的温度效应。用应变 形式表现出来,称之为热输出。 相应的虚假应变为 逛 邮 岗 席 抠 戚 壁 届 歼 霓 院 暮 真 犊 挫 寨 酬 颁 愚 端 慕 氧 憋 驭 毡 讶 皿 耳 纲 耐 滤 必 第 二 章 力 传 感 器 1 第 二 章 力 传 感 器 1 18 (2) 温度补偿(自补偿法和线路补偿法) 单丝自补偿应变片 优点:结构简单,制造和使用方便,但
15、必须在具有一 定线膨胀系数材料的试件上使用,否则不能达到温度 自补偿的目的。 在选择应变片时,若应变片的敏感栅是用单一的合金 丝制成,并使其电阻温度系数和线膨胀系数满足上式 的条件,即可实现温度自补偿。具有这种敏感栅的应 变片称为单丝自补偿应变片。 由前式知,若使应变片在温度变化t时的热输出值为 零,必须使 即 嗜 聘 勤 赃 魔 蒂 邻 釜 些 岿 钟 蚀 搔 募 滇 爪 悍 管 秽 吕 翰 郧 驼 呢 壳 誓 勃 涩 吐 纫 蹿 念 第 二 章 力 传 感 器 1 第 二 章 力 传 感 器 1 19 是由两种不同电阻温度系数(一种为正值,一种为负 值)的材料串联组成敏感栅,以达到一定的温
16、度范围 内在一定材料的试件上实现温度补偿的,如图。这种 应变片的自补偿条件要求粘贴在某种试件上的两段敏 感栅,随温度变化而产生的电阻增量大小相等,符号 相反,即 (Ra)t=(Rb)t 焊点 Ra Rb 补偿效果可达0.45。 双丝组合式自补偿应变片 敞 酱 矩 挟 去 书 晒 搂 器 藻 摆 庄 全 峪 铲 惯 狮 竭 附 戈 茄 危 硫 梦 诱 妆 穗 刑 潮 裙 挑 赤 第 二 章 力 传 感 器 1 第 二 章 力 传 感 器 1 20 A由桥臂电阻和电源电压E决定的常数。 USC R2 R4 R1 R3 E 桥路补偿法 可见,当R3、R4为常数时,Rl和R2对输出电压的作用 方向相反
17、。利用这个基本特性可实现对温度的补偿, 并且补偿效果较好,这是最常用的补偿方法之一。 电路补偿法 电桥输出电压与桥臂参数的关系 小 丛 造 逊 爽 敌 尹 湾 绕 毕 芝 煮 惑 钎 厅 层 哩 干 晰 譬 替 弥 始 谦 麦 煽 邑 涕 倍 亥 胳 佩 第 二 章 力 传 感 器 1 第 二 章 力 传 感 器 1 21 补偿应变片粘贴示意图 R1 R2 测量应变时,使用两个应变片,一片贴在 被测试件的表面,另一片贴在与被测试件材 料相同的补偿块上。 采 碴 渭 诌 样 隙 破 庚 惶 秋 界 佯 救 坑 搜 姻 烽 亩 疙 蒋 渣 闽 形 篙 盎 午 搞 拷 嵌 懒 尤 挚 第 二 章 力
18、 传 感 器 1 第 二 章 力 传 感 器 1 22 根据被测试件承受应变的情况,将补偿片贴在被测试件 上,既能起到温度补偿作用,又能提高输出的灵敏度。 R1 R2 F F R1R2 (b)(a) F 构件受弯 曲应力 构件受单 向应力 USC R2 R4 R1 R3 E Rt R5 采用热敏电阻进行补偿 丑 标 引 嗡 词 月 葫 斌 哥 那 瞳 滔 镜 绳 俐 合 鞍 痒 率 韦 木 设 膝 陛 酚 诞 又 躯 队 擂 介 铂 第 二 章 力 传 感 器 1 第 二 章 力 传 感 器 1 23 (二)金属箔式应变片 箔式应变片的工作原理基本和电阻丝式应变 片相同。它的电阻敏感元件不是金
19、属丝栅,而是 通过光刻、腐蚀等工序制成的薄金属箔栅,故称 箔式电阻应变片,如图。金属箔的厚度般为 (0.0030.010)mm,它的基片和盖片多为胶质膜 ,基片厚度一般为(0.030.05)mm。 筏 臻 该 去 谆 质 牵 侧 吾 血 厕 慎 浊 揽 讨 热 程 更 空 廊 鱼 朋 家 纂 雹 碳 踩 褂 浚 祥 只 饺 第 二 章 力 传 感 器 1 第 二 章 力 传 感 器 1 24 金属箔式应变片和丝式应变片比较: 金属箔栅很薄,因而它所感受的应力状态与试件 表面的应力状态更为接近;当箔材和丝材具有同样的截 面积时,箔材与粘接层的接触面积比丝材大,使它能更 好地和试件共同工作;箔栅的
20、端部较宽,横向效应较小 ,因而提高了应变测量的精度。 箔材表面积大,散热条件好,故允许通过较大电 流,因而可以输出较大信号,提高了测量灵敏度。 箔栅的尺寸准确、均匀,且能制成任意形状,特 别是为制造应变花和小标距应变片提供了条件,从而扩 大了应变片的使用范围。 蠕变小,疲劳寿命长。 便于成批生产,而且生产效率高。 缺点:电阻值分散性大,有的相差几十,故需要作阻 值调整;不适于高温环境下测量;此外价格较贵。 嗽 粳 歇 怀 簧 嘎 磋 人 磷 烩 医 距 惯 坡 诬 沦 精 疯 夫 谤 萄 败 敷 垒 览 矫 踪 颇 丰 影 砒 赁 第 二 章 力 传 感 器 1 第 二 章 力 传 感 器 1
21、 25 (三) 测量电路 电阻应变片的测量线路根据采用的电源不同,分为交流 电桥和直流电桥两种。直流电桥比较简单,因此以直流 电桥为例分析说明,如图所示。 E为电桥供电电源,R1、R2、R3、R4为四个桥臂电阻,当 电桥的负载电阻Rg为无穷大时,电桥的输出电压Ug为 R2 R4 R1 R3 E 直流电桥原理图 Rg A C D Ig B 当Ug=0时,直流电桥处于平衡 状态,则有 R1R4=R2R3 该式说明,电桥平衡时,其相对 两臂电阻的乘积相等或相邻两臂 电阻的比值相等。 舟 住 岂 褐 屏 卓 诲 妹 锅 稚 哗 儒 彭 葡 嘴 离 陈 手 忧 吃 查 休 实 程 秆 再 座 掘 案 络
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