2.第二講應(yīng)變式傳感器

1、,第二講 應(yīng)變式傳感器,一、電阻應(yīng)變片二、轉(zhuǎn)換電路三、應(yīng)變式傳感器,河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程系,第二講 應(yīng)變式傳感器,應(yīng)變式傳感器是根據(jù)應(yīng)變?cè)?，通過(guò)應(yīng)變片和彈性元件將機(jī)械構(gòu)件的應(yīng)變或應(yīng)力轉(zhuǎn)換為電阻的微小變化再進(jìn)行電量測(cè)量的裝置。其基本構(gòu)成如下框圖所示。,圖2-2-1 應(yīng)變式傳感器原理框圖,應(yīng)變式傳感器廣泛應(yīng)用于應(yīng)變、荷重、壓力和加速度等機(jī)械量的測(cè)量。,一、電阻應(yīng)變片,1、應(yīng)變效應(yīng)與電阻應(yīng)變片的工

2、作原理 導(dǎo)體在外界力的作用下產(chǎn)生機(jī)械變形時(shí)，其電阻值亦將隨之發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為應(yīng)變效應(yīng)。,,對(duì)于半導(dǎo)體材料，在某一晶向受應(yīng)力σ作用時(shí)，其電阻率將產(chǎn)生較大變化，而幾何尺寸變化很小，這種現(xiàn)象稱為壓阻效應(yīng)。相應(yīng)的，半導(dǎo)體應(yīng)變電阻也常稱為壓阻元件。半導(dǎo)體材料壓阻效應(yīng)的表達(dá)式為,式（2-2-2）,2、電阻應(yīng)變片的類型與結(jié)構(gòu),1）類型：金屬電阻應(yīng)變片：絲式、箔式和薄膜式半導(dǎo)體應(yīng)變片：體型、薄膜型和擴(kuò)散型,2）結(jié)構(gòu) 金屬電阻應(yīng)

3、變片的類型和結(jié)構(gòu)如下圖所示，它由敏感柵粘貼在基底上，上面覆蓋保護(hù)層構(gòu)成?；子屑埢湍z基兩種。 應(yīng)變片的縱向尺寸為工作長(zhǎng)度，反映被測(cè)應(yīng)變，其橫向應(yīng)變將造成測(cè)量誤差。,圖2-2-2 金屬電阻應(yīng)變片的類型和結(jié)構(gòu),3、應(yīng)變片主要技術(shù)指標(biāo),,4、應(yīng)變片主要技術(shù)指標(biāo)（續(xù)）,4）其它表示應(yīng)變計(jì)性能的參數(shù)（工作溫度、滯后、 蠕變、零漂以及疲勞壽命、橫向靈敏度等）。,2）電阻值：應(yīng)變計(jì)的原始電阻值。,3）靈敏系數(shù)：表示應(yīng)變計(jì)變換性能的重要

4、參數(shù)。,,1）幾何參數(shù)：表距 和絲柵寬度b，制造廠常用 b× 表示。,5、金屬電阻應(yīng)變片的材料 對(duì)電阻絲材料應(yīng)有如下要求： ① 靈敏系數(shù)大， 且在相當(dāng)大的應(yīng)變范圍內(nèi)保持常數(shù)； ②ρ值大，即在同樣長(zhǎng)度、同樣橫截面積的電阻絲中具有較大的電阻值； ③ 電阻溫度系數(shù)小，否則因環(huán)境溫度變化也會(huì)改變其阻值； ④ 與銅線的焊接性能好， 與其它金屬的接觸電勢(shì)??；

5、 ⑤ 機(jī)械強(qiáng)度高， 具有優(yōu)良的機(jī)械加工性能。,6、應(yīng)變片的使用（1）應(yīng)變片的選擇 主要考慮尺寸、初始電阻、絕緣電阻及允許工作電流。（2）應(yīng)變片粘貼 應(yīng)變片的粘合劑的種類很多，要根據(jù)基片材料、工作溫度、潮濕程度、穩(wěn)定性，是否加溫加壓以及粘貼時(shí)間等多種因素合理選擇粘合劑。應(yīng)變片的粘貼工藝包括：1）試件的表面處理。清潔2）確定貼片位置。在試件應(yīng)變最大的部位。3）粘貼。清洗試件表面和應(yīng)變片的底面, 涂敷粘合劑，將應(yīng)變片貼在確定

6、的位置處。貼片后，在應(yīng)變片上蓋上一張玻璃紙并加壓，排出多余的膠水和氣泡。4）固化。5）粘貼質(zhì)量檢查。6）引線的焊接與防護(hù)。,二、轉(zhuǎn)換電路,電阻式傳感器可以用直流電橋或交流電橋作為轉(zhuǎn)換電路。,圖2-2-3 常用電橋電路a）單臂 b）雙臂 c）全橋 d)交流電橋,1、直流電橋的輸出電壓,在略去分母△R一次項(xiàng)和分子△R二次項(xiàng)并整理后，全橋的輸出電壓表示為：,圖2-2-4 最簡(jiǎn)單的直流電橋電路,式（2-2-3）,(1)半橋單臂

7、工作方式 如圖2-2-3a）所示，R1為變量，其余各臂為固定電阻，則輸出電壓變?yōu)?(2)半橋雙臂工作方式 如圖2-3b）所示，R1、R2均為變量，R3、R4為固定電阻，則輸出電壓變?yōu)?,,2、直流電橋的工作方式,式（2-2-5）,可見(jiàn)相鄰橋臂間為相減關(guān)系，相對(duì)橋臂間為相加關(guān)系。因此構(gòu)成差動(dòng)電橋的條件為：相鄰橋臂傳感器應(yīng)變方向應(yīng)相反，相對(duì)橋臂傳感器應(yīng)變方向應(yīng)相同。如果橋臂傳感器應(yīng)變量相等，則此電橋稱為對(duì)稱電橋。,為了減小和克服非線性誤

8、差，常采用差動(dòng)電橋如圖2-2-3所示， 在試件上安裝兩個(gè)工作應(yīng)變片，一個(gè)受拉應(yīng)變，一個(gè)受壓應(yīng)變， 接入電橋相鄰橋臂，稱為半橋差動(dòng)電路， 如圖2-2-3b) 所示。 ΔR1=ΔR2，R1=R2，R3=R4， 為半橋雙臂電橋，其輸出電壓為:,(3)差動(dòng)工作方式：,1）差動(dòng)電橋無(wú)非線性誤差，而且電橋電壓靈敏度是單臂工作時(shí)的兩倍，同時(shí)還具有溫度補(bǔ)償作用。,2）全橋差動(dòng)電路不僅沒(méi)有非線性誤差，而且電壓靈敏度為單片工作時(shí)的4倍，同時(shí)仍具有溫度補(bǔ)償

9、作用。,3、直流電橋的溫度補(bǔ)償,3）可以用熱敏電阻進(jìn)行溫度補(bǔ)償。,調(diào)節(jié)RP，最終可以使R1?/R2?=R4/R3（ R1?、R2?是R1、R2并聯(lián)RP后的等效電阻），電橋趨于平衡，Uo被預(yù)調(diào)到零位，這一過(guò)程稱為調(diào)零。圖中的R5是用于減小調(diào)節(jié)范圍的限流電阻。,4、直流電橋的平衡調(diào)節(jié),電橋平衡條件：R1/R2=R4/R3,圖2-2-5 直流電橋的調(diào)零,5、電阻應(yīng)變儀,下圖所示的靜態(tài)應(yīng)變儀測(cè)量范圍：±19999με；分辨率： 1

10、με；電橋電壓：直流2.5V； 應(yīng)變片：120Ω或其他阻值； 測(cè)量點(diǎn)數(shù)：8/16點(diǎn)；,圖2-2-3d) 交流電橋的一般形式，Ui 為交流電壓源， 由于供橋電源為交流電源，引線分布電容使得橋臂應(yīng)變片呈現(xiàn)復(fù)阻抗特性，即相當(dāng)于應(yīng)變片各并聯(lián)了一個(gè)電容。,四、交流電橋,根據(jù)直流電橋分析可知，由于應(yīng)變電橋輸出電壓很小，一般都要加放大器，而直流放大器易于產(chǎn)生零漂，因此應(yīng)變電橋多采用交流電橋。交流電橋的應(yīng)用更為廣泛。直流電橋只用于較大應(yīng)變的

11、測(cè)量，交流電橋可用于各種應(yīng)變的測(cè)量。,對(duì)這種交流電容電橋, 除要滿足電阻平衡條件外, 還必須滿足電容平衡條件。為此在橋路上除設(shè)有電阻平衡調(diào)節(jié)外還設(shè)有電容平衡調(diào)節(jié)。電橋平衡調(diào)節(jié)電路如圖 2-2-3d) 所示。,如圖2-2-6所示，交流電橋的輸出電壓是一個(gè)調(diào)幅信號(hào)，其載波是電橋的激勵(lì)電源，幅度受橋臂變化信號(hào)調(diào)制，當(dāng)調(diào)制信號(hào)極性改變時(shí)，調(diào)幅信號(hào)相位反轉(zhuǎn)180°。,圖2-2-6 交流電橋的調(diào)幅特性,1、交流電橋的輸出電壓,2、二極管

12、相敏檢波電路,T1的一次側(cè)輸入調(diào)幅波ui，T2的一次側(cè)輸入?yún)⒖茧妷簎r，ur可直接取自載波，它與ui頻率相同，相位相同或相反，比ui幅度大3～5倍。變壓器的極性標(biāo)定如圖所示。,具體分析：,A.當(dāng)調(diào)制信號(hào)為正時(shí)，ui與載波相位相同，故ur與ui相位也相同。,1)在ui的正半周時(shí)，ur給二極管VD3、VD4正向偏置使之導(dǎo)通，給VD1、VD2反向偏置使之截止。信號(hào)路徑如→所示。,電流上正下負(fù),2)在ui的負(fù)半周時(shí)，ur使VD1、VD2導(dǎo)通，

13、VD3、VD4 截止。信號(hào)路徑如→所示。,電流仍為上正下負(fù),B.當(dāng)調(diào)制信號(hào)為負(fù)時(shí)，ui與載波相位相反，故ur與ui相位也相反。,1)在ui的正半周時(shí)，ur為負(fù)，VD1、VD2導(dǎo)通，VD3、VD4截止。信號(hào)路徑如→所示。,電流上負(fù)下正,2)在ui的負(fù)半周時(shí)，ur為正，VD3、VD4導(dǎo)通，VD1、VD2截止。信號(hào)路徑如→所示。,電流仍為上負(fù)下正,相敏檢波的特點(diǎn)： 1）相敏檢波輸出信號(hào)的極性與調(diào)制信號(hào)極性相同，即能識(shí)別方向；

14、 2）相敏檢波輸出信號(hào)的幅值與調(diào)制信號(hào)的幅值相同，即能表示被測(cè)值； 3）相敏檢波輸出信號(hào)的頻率等于載波頻率的二倍。因此，只要在相敏檢波后加入適當(dāng)?shù)牡屯V波器，便可得到調(diào)制波信號(hào)。如果測(cè)量裝置頻率響應(yīng)較低，如磁電式電流表，也可不需加濾波器。,應(yīng)變式電阻傳感器是目前測(cè)量力、力矩、 壓力、加速度、重量等參數(shù)應(yīng)用最廣泛的傳感器。,五、應(yīng)變式傳感器,電阻應(yīng)變式傳感器是利用電阻應(yīng)變片將應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻變化的傳感器, 傳感器由在彈性元件上

15、粘貼電阻應(yīng)變敏感元件構(gòu)成。 當(dāng)被測(cè)物理量作用在彈性元件上時(shí), 彈性元件的變形引起應(yīng)變敏感元件的阻值變化, 通過(guò)轉(zhuǎn)換電路將其轉(zhuǎn)變成電量輸出, 電量變化的大小反映了被測(cè)物理量的大小。,1、應(yīng)變式力傳感器,應(yīng)變式力傳感器主要作為各種電子秤(約占90％)和材料試驗(yàn)機(jī)的測(cè)力元件，或用于發(fā)動(dòng)機(jī)的推力測(cè)試等。根據(jù)彈性元件的不同形狀，可以制成柱式、環(huán)式和梁式等荷重和力的傳感器。,應(yīng)變式力傳感器,F,F,F,F,應(yīng)變式荷重傳感器的外形及應(yīng)變片的粘貼位置,

16、GX-1型懸臂梁稱重傳感器，結(jié)構(gòu)外形如圖所示。,汽車衡,汽車衡稱重系統(tǒng), 應(yīng)變式壓力傳感器主要用來(lái)測(cè)量流動(dòng)介質(zhì)的動(dòng)態(tài)或靜態(tài)壓力。如動(dòng)力管道設(shè)備的進(jìn)出口氣體或液體的壓力、發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的壓力變化, 槍管及炮管內(nèi)部的壓力、內(nèi)燃機(jī)管道壓力等。應(yīng)變片壓力傳感器大多采用膜片式或筒式彈性元件。應(yīng)變式壓力傳感器的測(cè)量范圍在10­4～107Pa之間。,2、應(yīng)變式壓力傳感器,圖 2-2-8 所示為膜片式壓力傳感器, 應(yīng)變片貼在膜片內(nèi)壁,

17、 在壓力p作用下, 膜片產(chǎn)生徑向應(yīng)變?chǔ)舝和切向應(yīng)變?chǔ)纽印?A）應(yīng)變變化圖 B）應(yīng)變片粘貼圖2-2-8 膜片式壓力傳感器,筒式壓力傳感器見(jiàn)右圖，通常用于測(cè)量較大的壓力。它的一端為盲孔，另一端為法蘭與被測(cè)系統(tǒng)聯(lián)接。應(yīng)變片貼于筒的外表面，工作片貼于空心部分，補(bǔ)償片貼在實(shí)心部分。,筒式壓力傳感器,壓阻式壓力傳感器是基于半導(dǎo)體材料(單晶硅)的壓阻效應(yīng)原理制成的傳感器，就是利用集成電路工藝直接在硅平膜片上按一定晶向制成擴(kuò)散壓敏電阻，當(dāng)