检测技术-第2章_电阻应变式传感器.ppt

第5章 电阻应变式传感器 1.传感器概述 2.电阻应变式传感器 －工作原理及结构 －测量电路及温度补偿 －应用 1.传感器概述 传感器（sensor)定义： （GB7665-87) 能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。 一种器件或装置； 将特定被测量转换成另一种信号； 输出信号与输入信号关系符合确定的数学模型关系。 传感器处于测试系统最前端，对测量精确度起到决定性作用。 传感器的一般组成： 敏感元件、变换元件、信号调理电路 电阻应变式传感器 2.电阻应变式传感器2.1 应变片工作原理 应变 物体在外部压力或拉力作用下发生形变的现象 弹性应变 当外力去除后，物体能够完全恢复其尺寸和形状的应变 工作原理： 被测物理量力、力矩或压力作用于弹性元件上使其发生变形，产生应变或位移，然后传递给与之连接的应变片，引起应变片的电阻值变化，通过测量电路变成电量输出。电量大小反映被测量的大小。 应用：广泛用于力、力矩、压力、加速度、重量等参数的测量 优点：动态响应好，适合于静、动态测量； 测量灵敏度和精度高，测量范围广； 适应各种工作环境。 灵敏度系数K 受两个因素影响 一是应变片受力后材料几何尺寸的变化， 即1+2μ 二是应变片受力后材料的电阻率发生的变化， 即（?ρ/ρ）/ε。 对金属材料：1+2μ＞＞(? ρ/ρ)/ε 对半导体材料：(? ρ/ρ)/ε＞＞1+2μ 大量实验证明，在电阻丝拉伸极限内， 电阻的相对变化与应变成正比，即K为常数。  金属电阻应变片 半导体应变片 总结： 金属应变片和半导体应变片的异同。 1) 电阻应变效应 VS. 压阻效应； 2) 灵敏系数不同， 3) 金属应变片温度稳定性好，横向效应稍大；半导体 应变片灵敏系数大，横向效应小，机械滞后小，但温度稳定性差，测量较大 应变时非线性严重。 电阻应变片的主要性能参数 1）应变片电阻值(R0):120，250，350，1000； 2）几何尺寸：以敏感栅长度l和宽度b表示，bxl。 3）灵敏度系数S。 4）允许电流：正常工作时应变片允许通过最大电流，通常为25mA。 5）其他：滞后、应变极限、零漂、疲劳寿命。 2.2 应变式传感器的测量电路－ 电桥 电桥电路是一种能够实现将电阻、电感、电容等参量的变化转变为电压输出的一种信号变换电路。 具有结构简单、精确度和灵敏度高的优点，在测试中应用非常广泛。 电桥按供电方式分为直流电桥和交流电桥 电桥的分类： （1）按电桥工作状态可分为：不平衡电桥和平衡电桥，不平衡电桥在连续量的自动检测中大量采用，平衡电桥又称为零位法测量，一般用于静态测量，准确性较高。在传感器测量中往往用不平衡电桥。 （2）按桥臂的组成分为：电阻电桥和阻抗电桥。其中阻抗电桥的四个桥臂可以是电阻，也可以是其他电容、电感等阻抗元件。 （3）按工作桥臂分：半桥单臂、半桥双臂和全桥（即四臂均为工作臂）。 一、直流电桥 2）电桥的灵敏度 桥臂阻值变化对输出电压所产生影响的规律（电桥的和差特性）： 相邻两桥臂（如图中的R1和R2）电阻的变化所产生的输出电压为该两桥臂各阻值变化产生的输出电压之差； 相对两桥臂（如图中的R1和R4）电阻的变化所产生的输出电压为该两桥臂各阻值变化产生的输出电压之和。 直流电桥平衡的配置方式： （3）悬臂梁式力传感器 31 直流电桥平衡调节的配置方式 32 应变片的温度误差及补偿 由于测量现场环境温度的改变而给测量带来的附加误差， 称为应变片的温度误差。产生应变片温度误差的主要因素有下述两个方面。  1) 电阻温度系数的影响 敏感栅的电阻丝阻值随温度变化的关系可用下式表示： Rt=R0(1+α0Δt) 33 式中: Rt——温度为t时的电阻值；  R0——温度为t0时的电阻值；  α0——温度为t0时金属丝的电阻温度系数；  Δt——温度变化值，Δt=t-t0。 当温度变化Δt时，电阻丝电阻的变化值为：  ΔRα=Rt-R0=R0α0Δt 34 2) 试件材料和电阻丝材料的线膨胀系数的影响 当试件与电阻丝材料的线膨胀系数相同时：环境温度变化不会产生附加变形。 当试件与电阻丝材料的线膨胀系数不同时：环境温度变化，电阻丝会产生附加变形，从而产生附加电阻变化。 35 当两者粘贴在一起时，电阻丝产生的附加变形Δl、附加应变εβ和附加电阻变化ΔRβ分别为： 36 * * 1 2 3 敏感元件 变换元件 信号调理电路 被测量