传感器原理及应用-第2章.ppt

第二章 应变式传感器 一、电阻应变式传感器 二、压阻式传感器 本章重点： 电阻应变式传感器的构成原理及特性 电桥测量电路的结构形式及特点 压阻式传感器的工作原理 可见： 全桥差动电路不仅没有非线性误差，而且电压灵敏度为单臂测量时的4倍；也可以利用差动全桥的和差特性进行温度等共模干扰的补偿。 也可直接由和差特性公式得 结论： ① ΔRi Ri 时，电桥的输出电压与应变呈线性关系。 ② 半桥差动测量电压灵敏度是单臂测量的2倍； 全桥差动测量电压灵敏度是单臂测量的4倍。 ③ 电桥供电电压E 越高，输出电压Uo越大（应使工作电流小于允许电流）。 ④ 增大电阻应变片的灵敏系数K，可提高电桥的输出电压。 ⑤ 正确组桥能够实现温度等共模干扰补偿和减小非线性误差 。 2. 第一对称电桥（R1=R2=R，R3=R4=R′） R1=R E Uo R2=R R3=R’ R4=R’ 实质为半等臂电桥，设R1桥臂变化ΔR，有 输出特性与等臂电桥相同，非线性误差的计算也相同。 图2-17 第一对称电桥 3. 第二对称电桥（R1=R3=R，R2=R4=R′） R1=R E Uo R3=R R4=R’ R2=R’ 图2-18 第二对称电桥 设R1桥臂变化ΔR，有 式中 可见： ① k1(RR’)时， ，其非线性较等臂电桥大； k1(RR’)时，其非线性较等臂电桥小。 ② k1时，其非线性得到很好改善。 ③ k=1时，即为等臂电桥。 若ΔR R，忽略 项，则有： 在一定应变范围内，其输出与应变呈线性关系，但比等臂电桥输出电压小，故这种组桥形式不如前二者常用。 引入原因：由于应变电桥输出电压很小，一般都要加放大器，而直流放大器易于产生零漂，因此应变电桥多采用交流电桥。  　 由于供桥电源为交流电源　，引线分布电容使得二桥臂应变片呈现复阻抗特性，即相当于两只应变片各并联了一个电容。 （二）交流电桥 复阻抗的形式 图2-19 交流电桥 交流电桥开路电压输出： 电桥平衡条件： 或 式中, C1、C2表示应变片引线分布电容。 图(b)中每一桥臂上复阻抗分别为 由电桥平衡条件 整理可得 变形为： 由实部、虚部分别相等得图(b)电桥的平衡条件： 可见： 对这种交流电容电桥, 除要满足电阻平衡条件外, 还必须满足电容平衡条件。为此在桥路上除设有电阻平衡调节外还设有电容平衡调节。 图2-20 交流电桥平衡调节 当被测应力变化引起Z1=Z0+ΔZ, Z2=Z0-ΔZ变化时，则电桥输出为 可见：电桥输出为调幅波。 交流电桥输出调幅波，要求提供幅值和频率很稳定的交流电源，一般要求交流电源的频率为被测信号最高频率的5~10倍，才能由解调电路把被测信号正确解调出来。 图2-21 交流电桥的调幅过程 图2-22 动态电阻应变仪原理框图 ——幅值调制与解调 幅值调制与解调 测量力、位移、加速度、扭矩等。它由弹性元件和粘贴在其表面的应变片组成。 三、电阻应变式传感器 （一）应变式力传感器 被测物理量：荷重或力。 主要用途：作为各种电子称与材料试验机的测力元件、发动机的推力测试、水坝坝体承载状况监测等。 力传感器的弹性元件：柱式、筒式、环式、悬臂梁式和轮辐式等。 （a）实心圆柱 （b）空心圆筒 图2-23 柱式力弹性体结构图 1. 柱（筒）式力传感器 应变式力传感器要求有较高的灵敏度和稳定性, 当传感器在受到侧向作用力或力的作用点发生轻微变化时, 不应对输出有明显的影响。 R5 R8 R7 R6 R1 R2 R3 R4 图2-24 柱式贴片及电桥电路连接图 R5 R8 R7 R6 R1 R2 R3 R4 Uo Ui 4. 零点漂移（P0）与蠕变（ θ ） 图2-8 应变片的零漂与蠕变 0 指示应变εi t 试件初始空载，温度恒定时，应变片的指示值仍会随时间变化的现象称为零漂（P0） 。 在恒温恒载情况下，应变片的指示值随时间变化的情况称为蠕变(θ) 。通常要求 。 5. 应变极限 图2-9 应变片的应变极限 0 指示应变εi 真实应变 在恒温条件下，使非线性误差达到10%时的真实应变值，称为应变极限 。 应变极限是衡量应变片测量范围和过载能力的指标，通常要求 。 6. 动态特性 实验证明，电阻应变片在测量频率较高的动态应变时，应变是以应变波的形式在材料中传播的，它的传播速度与声波相同，对于钢材v≈5000