第二节电阻应变式传感器.ppt

第二章 应变式传感器 本章内容及要求 一、工作原理 （1）应变效应 二、电阻应变片的主要特性1、主要特性参数 三、电阻应变片的测量电路 一）、直流电桥 1．直流电桥平衡条件 2．非平衡电桥 （1）单臂工作电桥 （2）双臂工作电桥（半桥） （3）四臂工作电桥(全桥) 下图（a）、（b）分别为柱式、筒式力传感器，应变片粘贴在弹性体外壁应力分布均匀的中间部分，对称地粘贴多片， 电桥连线时考虑尽量减小载荷偏心和弯矩影响，贴片在圆柱面上的展开位置及其在桥路中的连接如图 （c）、（d）所示， R1和R3串接，R2和R4串接，并置于桥路对臂上，以减小弯矩影响， 横向贴片R5和R7串接，R6和R8串接，作温度补偿用，接于另两个桥臂上。 (3).梁式力传感器 梁式弹性元件有悬臂梁（包括等截面梁和等强度梁）和两端固定梁。 对等截面梁，作用力F与某一位置处的应变关系为 两端固定梁，中间加载荷，中心处的应变为 电桥的和差特性 图2-1 直流电桥 电桥的平衡条件为： 单臂电桥 设R2=R3=R4=R0，R1=R0+ΔR 输出电压： 若ΔRR0，则 单臂电桥灵敏度： 在电桥电路中灵敏度定义： 两个邻边桥臂有相同的微电阻变化。 双臂电桥 输出电压： 双臂电桥灵敏度： 四臂电桥 输出电压： 四臂电桥灵敏度： (1). 柱（筒）式力传感器 柱式弹性元件分为实心柱和空心柱两种。实心柱可以承载较大的负荷，空心柱主要用于小集中力测量。在弹性范围之内，应力和应变成正比关系: 1、应变式力传感器 式中，F为作用力； S为圆柱的横截面积； E为材料的弹性模量。 四、电阻应变式传感器的应用 圆柱（筒）式力传感器 （a） 柱式；（b） 筒式；（c） 圆柱面展开图；（d） 桥路连线图 柱 式 (2). 环式力传感器 如图 (a)所示为环式力传感器结构图。 与柱式相比，应力分布变化较大，且有正有负。 环式力传感器 (a) 环式传感器结构图； (b) 应力分布 环式 对R/h5的小曲率圆环，可用下面的式（1）及式（2）计算出A、B两点的应变。 式中： h——圆环厚度； b——圆环宽度； E——材料弹性模量。 这样， 测出A、 B处的应变， 即可得到载荷F。 （1） （2） （a）等截面梁 (b) 等强度梁 梁式1 式中,εx为距固定梁x端处的应变；S为梁的横截面积；E为梁材料的弹性模量。 等强度梁在自由端加上作用力时，在梁上各处产生的应变大小相等。它的灵敏度结构系数与长度方向的坐标无关。为了保证等应变性，作用力F必须加在梁的两斜边的交汇点T处。等强度梁各点的应变值为 * * 电阻应变式传感器传感器的工作原理、测量电路、用途和特点。 原理：把被测量的变化转换为电阻值的变 化。 常用于测量物体的受力和机械 变形。 特点：结构简单，性能稳定，使用方便。 分辨力低，噪声大。 测量直线位移的电位计 测量应变的电阻应变片 应变式流体压力传感器 金属电阻应变式 电阻应变片 半导体应变式 电阻丝在外力的作用下发生变形，其电阻值发生变化的现象。 ρ：导体的电阻率[Ω·mm2/m]； l：电阻丝的长度[m] F：电阻丝的横截面面积[mm2]。 设一根电阻丝，未受力时的原始电阻值： 当受到外力F作用，其R的变化： 电阻的相对变化为 纵向应变 电阻率相对变化 电阻的相对变化为 几何尺寸变化引起 材料导电率因 材料变形引起 （2）金属电阻应变片 工作原理 结构 丝式、箔式 a．丝式 b．箔式 通过光刻、腐蚀等工艺制成。 c. 金属薄膜式 采用真空蒸镀或溅射式阴极扩散等方法，在薄的基底材料上制成一层金属电阻材料薄膜以形成应变片。这种应变片有较高的灵敏度系数，允许电流密度大，工作温度范围较广。 （3）半导体电阻应变片 工作原理——压阻效应 单晶半导体材料在沿某一轴向受到外力作用时，其电阻率发生变化的现象。 结构 半导体敏感栅 内引线 焊接端 外引线 胶膜衬底 a. 体型半导体应变片 将半导体材料硅或锗晶体按一定方向切割成的片状小条，经腐蚀压焊粘贴在基片上而成的应变片 b.薄膜型半导体应变片 利用真空沉积技术将半导体材料沉积在带有绝缘层的试件上而制成. c.扩散型半导体应变片 将P型杂质扩散到N型硅单晶基底上，形成一层极薄的P型导电层，再通过超声波和热