力压力传感器剖析.ppt

学习要点 主要学习内容 2.1 概述 力是物质之间的一种相互作用 力传感器的组成 力是一种非电物理量，不能用电工仪表直接测量，需要借助某一装置将力转换为电量进行测量，能实现这一功能的装置就是力传感器。力传感器主要由力敏感元件、转换元件和测量电路组成。如图2-1所示。 力的计量单位及测量原理 力的计量单位为牛顿 测量力的方法 其中大多需要弹性敏感元件或其它敏感元件的转换。 各种波纹管敏感元件的外形 电阻应变式传感器 电阻应变式传感器是一种利用电阻材料的应变效应，将工程结构件的内部变形转换为电阻变化的传感器。 2.3.1??电阻应变片的结构 电阻应变片的作用是把导体的机械应变转换成电阻变化。 电阻应变片的典型结构如图2-6所示。由敏感栅、基底、覆盖层和引线等部分组成。 电阻应变片工作原理 将应变片用粘接剂牢固的粘贴在被测试件的表面上，随着试件受力变形，应变片的敏感栅也获得同样的变形，从而使其电阻随之发生变化，而此电阻的变化是与试件应变成比例的，因此如果通过一定的测量线路将这种电阻的变化转换为电压或电流变化，然后再用显示记录仪表将其显示记录下来，就能知道被测试件应变量的大小。其原理图如图2-7所示。 2.3.3??电阻应变片工作原理 电阻应变片式传感器是利用了金属和半导体材料的“应变效应” 应变效应——金属和半导体材料的电阻值随它承受的机械变形大小而发生变化的现象就称为“应变效应”。 如图2-10所示，当电阻丝受到拉力F时，其阻值发生变化。材料电阻值的变化，一是受力后材料几何尺寸变化；二是受力后材料的电阻率也发生了变化。 电阻丝变形过程 以圆柱形导体为例：电阻R（根据电阻的定义式） 2 电阻应变片的分类 应变片形状 箔式应变片外形 1）金属应变片 2）半导体应变片 2.3.4 电阻应变片的测量电路 电阻应变片传感器输出电阻的变化较小，一般为 ～ ，要精确的测量出这些微小电阻的变化，常采用桥式测量电路。 根据电桥电源的不同，电桥可分为直流电桥和交流电桥。可采用恒压源或恒流源供电。 由于直流电桥比较简单，交流电桥原理与它相似，所以我们只分析直流电桥的工作原理。 恒压源供电的直流电桥的工作原理 如图2-11a所示为恒压源供电的直流电桥测量电路。其特点是，当被测量无变化时，电桥平衡时输出为零。当被测量发生变化时，电桥平衡被打破，有电压输出。输出的电压与被测量的变化成比例。电桥的输出电压为: 调零电桥 实际应用时， 不可能严格成比例关系，所以即使在未受力时，桥路输出也不一定为零，因此一般测量电路都设有调零装置，如图2-11b所示。调节RP可使电桥达到平衡，输出为零。图中 是用于减小调节范围的限流电阻。 1．单臂电桥的工作原理与输出 在四臂电桥中，R1为工作应变片，由于应变而产生相应的电阻变化△R1。R2、R3及R4为固定电阻。Uo为电桥输出电压。初始状态下，电桥是平衡的，Uo=0，从而可得到电桥平衡条件为:R1R3=R2R4 2、差动电桥 消除非线性误差的方法 ——采用差动电桥 3. 差动全桥 差动全桥 设初始时R1 = R2 = R3 = R4 △R1 =△R2 =△R3 =△R4 2.3.5 应变片的温度误差及补偿 1. 应变片的温度误差 电阻应变片传感器是靠电阻值来度量应变的，所以希望它的电阻只随应变而变，不受任何其他因素影响。但实际上，虽然用作电阻丝材料的铜、康铜温度系数很小(大约在?=(2.5～5.0)×10-5/℃)， 但与所测应变电阻的变化比较，仍属同一量级。如不补偿，会引起很大误差。这种由于测量现场环境温度的变化而给测量带来的误差，称之为应变片的温度误差。造成温度误差的原因主要有下列两个方面： 1）敏感栅的金属丝电阻本身随温度变化； 2）试件材料与应变片材料的线膨胀系数不一致，使应变片产生附加变形，从而造成电阻变化。 另外，温度变化也会影响粘接剂传递变形的能力，从而对应变片的工作特性产生影响，过高的温度甚至使粘接剂软化而使其完全丧失传递变形的能力，也会造成测量误差。但以上述两个原因为主。 2. 电阻应变片的温度补偿方法 应变片的温度补偿方法通常有两种，即线路补偿和应变片自补偿。 2.3.6 应变片的粘接剂及粘贴、固化和检查 1. 粘接剂的种类 常用的粘接剂可分为有机粘接剂和无机粘接剂两大类。 有机粘接剂通常用于低温、常温和中温. 无机粘接剂用于高温。 选择时要根据基底材料、工作温度、潮湿程度、稳定性要求、加温加压的可能性和粘贴时间的长短等因素来考虑。 主要粘接剂牌号有：万能胶、501、502、914、509、J06-2、JSF-2、1720、J-12、30-14、GJ-14、LN-3、P10-6等。 2. 应变片的粘