ch2+电阻应变式传感器及其应用(传感器原理及其应用)(俞阿龙)(南大).ppt

第2章电阻应变式传感器及应用电阻式传感器：将被测非电量转变成电阻值，通过测量电阻值达到测量非电量的目的。思考1：电子秤中用到的传感器是什么结构？收费站称重收费过程中是如何称重的？掌握重点：
工作原理:被测量⇒应变()⇒电阻变化(R)
电阻应变片的特性
测量电路
典型应用2.1应变式传感器优点：①精度高，测量范围广
②频率响应特性较好
③结构简单，尺寸小，重量轻
④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
⑤易于实现小型化、固态化
⑥价格低廉，品种多样，便于选择缺点：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。各种电子秤高
精
度
电
子
汽
车
衡机械秤包装机一、金属电阻应变片工作原理式中导电丝的几何尺寸的改变π表示压阻系数2、应变计的结构与分类电阻应变片结构示意图（2）基底和盖片
基底用于保持敏感栅、引线的几何形状和相对位置，盖片既保持敏感栅和引线的形状和相对位置，还可保护敏感栅应变计的分类图2.3横向效应：应变片除了有纵向的丝栅外，还有圆弧形或直线形的横栅。横栅即对轴向的应变敏感，也对垂直于轴向的横向应变敏感。当把应变片粘贴在一维应力F作用下的工件上时，纵向丝栅由于产生纵向应变，电阻值增加。而横栅由于纵向应变和横向应变的影响，电阻值减小。实际上横向丝栅将纵向丝栅电阻的变化抵消了一部分。
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称为横向效应。图2.4几种箔式应变计（3）薄膜应变计二、金属电阻应变计的主要特性在大应变下具有较大的非线性；
输出信号较微弱，抗干扰能力较差；
应变式传感器的性能在很大程度上取决于应变计的性能。2、应变计的灵敏度系数3、应变计的横向效应4、应变计的动态特性阶跃波沿敏感栅轴向传播，由于应变波通过敏感栅需要时间L/v，当阶跃波的跃起部分通过敏感栅全部长度后，电阻变化才达到最大值(理论相应特性曲线)可测频率：当测量按正弦规律变化的应变波时，由于应变计反映的应变波形，是应变计线栅长度内所感受应变量的平均值，因此应变计反应的波幅将低于真实应变波，从而带来一定误差：5、应变计的其他特性参数应变极限
粘贴在试件上的应变计所能测量的最大应变值。
在一定的温度下，对试件缓慢地施加均匀的拉伸载荷，当应变计的指示应变值对真实应变值的相对误差大于10%时，就认为应变计已达到破坏状态，此时的真实应变值就作为该批应变计的应变极限。
机械滞后和热滞后
贴有应变计的试件进行加载和卸载时，其ΔR/R~ε特性曲线不重合，把加载和卸载特性曲线的最大差值δ，称为应变计的机械滞后值。零漂和蠕变
恒定温度下，粘贴在试件上的应变计，在不承受载荷的条件下，电阻随时间变化的特性称为应变计的零漂。
零漂的主要原因是：敏感栅通过工作电流后的温度效应；应变计的内应力逐渐变化；粘接剂固化不充分等。
疲劳寿命
已安装的应变计，在恒定幅值的交变应力作用下，可以连续工作而不产生疲劳损坏的循环次数。最大工作电流
允许通过应变计而不影响其工作的最大电流值，工作电流大，应变计输出信号就大，因而灵敏度高。绝缘电阻
指应变计的引线与被测试件之间的电阻值，一般以兆欧计。绝缘电阻过低，会造成应变计与试件之间漏电而产生测量误差。三、温度误差及其补偿（二）温度补偿方法②工作片、补偿片贴在同一试件上，但补偿片不受力作用。2、辅助测温元件微型计算机补偿法3、应变计自补偿法①温度自补偿应变计②双金属敏感栅自补偿计（组合式自补偿应变计）四、电阻应变式传感器测量电路（一）直流电桥的特性方程及平衡条件二、直流电桥的电压灵敏度设R1为电桥工作臂,受应变时,其电阻变化为ΔR1,R2、R3、R4均为固定桥臂。
一般放大器的输入阻抗较电桥的内阻要高得多,可认为电桥输出端处于开路状态。
在起始时,电桥处于平衡状态,此时Usc=0。当有ΔR1时,电桥输出电压为Ku称为电桥的电压灵敏度。Ku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。
提高Ku途径：
提高电源电压（受应变计允许功耗的限制）；
选择适当的桥臂比n。电桥电压U一定时,n应取何值,电桥灵敏度最高？等臂电桥是其中的一个特例,这时有：根据桥臂上应变片布置情况，全等臂直流电桥又分为单臂、双臂、全桥情况：2、双臂电桥3、全臂电桥三、交流电桥的平衡条件和电压输出输出电压的特性方程为：考虑到电桥的起始平衡条件并略去分母中含ΔZ1项，得五、应变式传感器应用
金属应变片，除了测定试件应力、应变外，还制造成多种应变式传感器用来测定力、扭矩、加速度、压力等其它物理量。
应变式传感器包括两个部分：一是弹性敏感元件，利用它将被测物理量