传感器与检测技术课件第三章-第一节力、扭矩和压力传感器.

一、电阻应变式测力传感器
2. 弹性元件及计算公式 • 梁型弹性元件
悬臂梁式，上下表 面的应变值为
6Fl
bh2E
第三章 力、扭矩和压力传感器 第一节 测力传感器
一、电阻应变式测力传感器 2. 弹性元件及计算公式
• 梁型弹性元件
两端固定梁式，上下 表面的应变值为
3Fl
4bh 2 E
第三章 力、扭矩和压力传感器
表示
第三章 力、扭矩和压力传感器 第一节 测力传感器
2.应变的基本概念
l Fl EA
实验证明，横向应变与径向应变的绝对值之比为一个常数， 用μ来表示，称为泊松比，它是一个因材料而异的常数。
y x
当纵向应变为伸长时，横向应变为缩短，所以它们之间的符号
总是相反的。
y
r r
x
第三章 力、扭矩和压力传感器 第一节 测力传感器
覆盖层
基片
应变片栅长大小关系到所测 应变的准确度，应变片测得 的应变大小是应变片栅长和 栅宽所在面积内的平均轴向 应变量。
金属丝 金属丝应变片结构
第三章 力、扭矩和压力传感器 第一节 测力传感器
一、电阻应变式测力传感器 引线
3. 应变片
覆盖层
基片
对金属丝的要求
金属丝
1）具有较高的电阻系数 2）具有尽可能大的电阻
d R /R (1 2 ) K
基片
K12
• K——金属电阻丝灵敏系数
金属丝 金属丝应变片结构
第三章 力、扭矩和压力传感器 第一节 测力传感器
一、电阻应变式测力传感器 3. 应变片 金属电阻应变片:丝式、箔式、薄膜式
金属丝的作用是感受机械试
件的应变变化，称它为敏感 引线
栅。电阻应变片的电阻值为 60Ω、120Ω、200Ω等多种规 格，以120Ω最为常用。
R0—环 的 平 均 半 径 （ m ） F—拉 力 （ 或 压 力 ） （ N ）
第三章 力、扭矩和压力传感器 第一节 测力传感器
一、电阻应变式测力传感器
2. 弹性元件及计算公式 • 薄壁环型弹性元件
• 最大弯矩在圆环A断面和B断面处，其值为
MA0.318FR0 MB0.182FR0
• 两处的应变值分别为
方向伸长或缩短；但是杆的横向尺寸还会缩小或增大，前者
称为纵向变形，后者称为横向变形。
实验证明，当受拉力时，杆的伸长量△l与拉力F和杆件
原长成正比，与杆件的横截面积A成反比。可以用数学式表
示为：
l Fl
A
如果引进一个比例系数，则 l Fl
EA
上式就是轴向拉伸和压缩时纵向变形的计算公式，称为 虎克定律
• 利用标定的电压(或电流)和力之间的对应关系，可测出力的 大小或经换算得到被测力。
第三章 力、扭矩和压力传感器 第一节 测力传感器
1.应力的基本概念
在一组自相平衡的外力作用下物体内各个部分产生相互作
用力，我们用应力来描写。给一根截面积为S的均匀直杆
两端施加方向相反的拉力F。如果在杆中A点作一垂直于
一、电阻应变式测力传感器
2. 弹性元件及计算公式 • 梁型弹性元件
梁型弹性元件灵敏度高。输出可以是应变也可以是挠度（位 移）。由于它在相同力的作用下的变形比柱型和薄壁环型都 大，所以多用于较小力的测量。 根据其支承情况，常用的有悬臂梁式和两端固定梁式两种
第三章 力、扭矩和压力传感器 第一节 测力传感器
d
L
LE
dRddl dS Rl S
dl l
dS 2dr=-2
Sr
第三章 力、扭矩和压力传感器 第一节 测力传感器
一、电阻应变式测力传感器 3. 应变片 (1)工作原理
d R /R (1 2 ) L E
由尺寸变化 引起
由压阻效应 引起
对于金属丝，第二部分可忽略不计。则：
dRR(12) K 式中K：金属电阻丝灵敏K系 1数2，
杆轴的截面并且考虑被这截面分开的左半段杆子，根据静
力平衡要求，在此截面上分布有合力为F的力，这个力就
是右半段杆子通过截面A作用到左半段杆子上的内力。我
们把作用力、扭矩和压力传感器 第一节 测力传感器
2.应变的基本概念
杆件在轴向拉伸或压缩时，所产生的主要变形是沿轴线
金属丝受拉力时，沿轴向伸长，沿 径向缩短，则轴向应变和径向应变 的关系为：
dl l
εy=-μεx
μ为金属材料的泊松系数。
dS 2dr=-2
Sr
第三章 力、扭矩和压力传感器 第一节 测力传感器
一、电阻应变式测力传感器 3. 应变片 (1)工作原理
d / 为电阻丝电阻率的相对变
化，根据压阻效应可得
第三章 力、扭矩和压力传感器 第一节 测力传感器
一、电阻应变式测力传感器
3. 应变片
(2)电阻应变片
电阻应变片的分类
金属电阻应变片 半导体电阻应变片
第三章 力、扭矩和压力传感器 第一节 测力传感器
一、电阻应变式测力传感器 3. 应变片 金属电阻应变片:丝式、箔式、薄膜式
• 金属丝式应变片
引线 覆盖层
R l
S
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一、电阻应变式测力传感器
3. 应变片
(1)工作原理
设有一根长度为l、截面积为S、电阻率为ρ的金属丝， 其电阻R为
R l
❖两边取S对数，得 ln R ln ln l ln S
❖等式两边取微分，得
dRddl dS Rl S
第三章 力、扭矩和压力传感器
2.应变的基本概念
l Fl EA
由上式还可以看到，在E、A、F相同的情况下，杆件的长度l
愈大，则其绝对伸长量△l也愈大，故绝对伸长△l还不能说明
杆件的变形程度。因此，需要运用相对伸长的概念，以单位长
度的伸长 线应变。
x
来l衡量杆件的变形程度。 l
称为x 纵向
与轴向垂直方向上的径向应变（有时也称横向应变）用 y
一、电阻应变式测力传感器
2. 弹性元件及计算公式
柱型
F
SE
薄壁环型 A 1.9b0h82FER0
两端固定梁式
6Fl bh2E
悬臂梁
3Fl
4bh 2 E
第一节 测力传感器
B 1.0b9h22FER0
第三章 力、扭矩和压力传感器 第一节 测力传感器
一、电阻应变式测力传感器 2. 弹性元件及计算公式
•金属箔式应变片
• 利用光刻、腐蚀等工艺制成一种很薄的金属箔栅，厚度一般 在0.003~0.010mm，粘贴在基片上，上面再覆盖一层薄膜 而制成。
• 其优点： • 1）金属箔很薄 • 2）箔式敏感栅表面积和截面积之比大，散热条件好，允许
通过的电流较大，可制成各种需要的形状，便于批量生产。
一、电阻应变式测力传感器
2. 弹性元件及计算公式
测力传感器的结构虽各式各样， 但其弹性元件的形式只有柱型、 薄壁环型和梁型。
第三章 力、扭矩和压力传感器 第一节 测力传感器
一、电阻应变式测力传感器 2. 弹性元件及计算公式
• 柱型弹性元件 • 柱型弹性元件有圆柱形、圆筒
形和方柱形等几种。
• 当力或荷重沿中心线对其作 用时，受力后的应变值为
A
1.908FR0 bh2E
B 1.0b9h22FER0
式中：b—薄壁环的宽度（m） h—薄壁环的厚度（m）
第三章 力、扭矩和压力传感器
一、电阻应变式测力传感器 2. 弹性元件及计算公式
• 薄壁环型弹性元件
第一节 测力传感器
圆环受力后较易变形，因而它多用于测量 较小的力。
第三章 力、扭矩和压力传感器 第一节 测力传感器
金属丝
金属丝应变片结构
大多数敏感栅材料都可制 作引线。
第三章 力、扭矩和压力传感器 第一节 测力传感器
一、电阻应变式测力传感器 引线 覆盖层
3. 应变片 粘结剂
基片
用于将敏感栅固定于基片
上，并将盖片与基片粘贴
在一起。使用金属应变片 时，也需用粘结剂将应变 片基片粘贴在构件表面某
金属丝
金属丝应变片结构
• 发电型测力传感器有压电式、压磁式等。
第三章 力、扭矩和压力传感器 第一节 测力传感器
一、电阻应变式测力传感器
1.电阻应变式测力传感器工作原理
• 电阻应变式测力传感器是将力作用在弹性元件上，弹性元 件在力作用下产生应变。
• 利用贴在弹性元件上的应变片将应变转换成电阻的变化。
• 利用电桥将电阻变化转换成电压(或电流)的变化，再送人测 量放大电路测量。
F SE
第三章 力、扭矩和压力传感器 第一节 测力传感器
一、电阻应变式测力传感器
2. 弹性元件及计算公式
• 柱型弹性元件
一般用它的应变作为输出量 在它的表面粘贴应变片，可 以将应变进一步变换为电量。 柱型弹性元件的特点是加工 方便、加工精度高，但灵敏 度较小，适用于载荷较大的 场合。
第三章 力、扭矩和压力传感器 第一节 测力传感器
金属丝应变片结构
应变灵敏度系数，而且要求电阻应变灵敏度系数在尽可能
大的应变范围内保持为常数。
3）具有较小的温度系数
4）具有较高的弹性极限，以便得到较宽的测量范围
5）良好的加工性和焊接性
6）对铜的热电动势要小
第三章 力、扭矩和压力传感器 第一节 测力传感器
一、电阻应变式测力传感器 引线
3. 应变片
覆盖层
一、电阻应变式测力传感器
2. 弹性元件及计算公式
• 柱型弹性元件
当被测力较大时，一般用钢材 制作弹性元件，钢的弹性模量 为 21011Nm2 当被测力较小时，一般用铝合 金或铜合金。铝的弹性模量为 0.71011Nm2 材料越软，弹性模量越小，灵 敏度也就越高。
第三章 力、扭矩和压力传感器
一、电阻应变式测力传感器 2. 弹性元件及计算公式
个方向和位置上。以便将
构件受力后的表面应变传递给应变计的基片和敏感栅。
常用的粘结剂分为有机和无机两大类。有机粘结剂
用于低温、常温和中温。常用的有聚丙烯酸酯、酚醛树
脂、有机硅树脂，聚酰亚胺等。无机粘结剂用于高温， 常用的有磷酸盐、硅酸、硼酸盐等。
第三章 力、扭矩和压力传感器 第一节 测力传感器
一、电阻应变式测力传感器 3. 应变片 金属电阻应变片:丝式、箔式、薄膜式
一、电阻应变式测力传感器
3. 应变片 (1)工作原理
应变效应 当金属丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值将发 生变化，这种现象称为金属的电阻应变效应。
第三章 力、扭矩和压力传感器 第一节 测力传感器
一、电阻应变式测力传感器 3. 应变片 (1)工作原理 设有一根长度为l、截面积为S、电阻率为ρ的金属丝， 其电阻R为
第三章 力、扭矩和压力传感器 第一节 测力传感器
第一节 测力传感器 第二节 扭矩力传感器 第三节 压力传感器
第三章 力、扭矩和压力传感器 第一节 测力传感器
• 用于测量力的传感器多为电气式。电气式测力传 感器，根据转换方式不同又分为参量型和发电型 两种。
• 参量型测力传感器有电阻应变式、电容式、电感 式等。
• 弹性元件的尺寸和材料确定后，弹性元件在外力 作用下所产生的应变与外力成正比
第三章 力、扭矩和压力传感器 第一节 测力传感器
一、电阻应变式测力传感器
3. 应变片
• 应变片是非电量电测中一种常见的转换元件。由于应变片 使用简便，测量精度高，体积小，动态响应好，因而得到 广泛应用。
第三章 力、扭矩和压力传感器 第一节 测力传感器
第三章 力、扭矩和压力传感器 第一节 测力传感器
2.应变的基本概念
l Fl EA
式中的E值与材料的性质有关，称为材料的弹性模量，其值 越大，则杆件的变形越小，故它是衡量材料抵抗变形能力的 一个指标。 EA代表了杆件抵抗拉伸（压缩）变形的能力，称为杆件的 抗拉（压）刚度。
第三章 力、扭矩和压力传感器 第一节 测力传感器
基片
基片（基底）用于保持敏 感栅、引线的几何形状和 相对位置，覆盖层既保持 敏感栅和引线的形状和相 对位置，还可保护敏感栅。
金属丝
金属丝应变片结构
第三章 力、扭矩和压力传感器 第一节 测力传感器
一、电阻应变式测力传感器 引线
3. 应变片
覆盖层
基片
引线是从应变片的敏感栅 中引出的细金属线。
对引线材料的性能要求： 电阻率低、电阻温度系数 小、抗氧化性能好、易于 焊接。
一、电阻应变式测力传感器 3. 应变片 (1)工作原理
第一节 测力传感器
dRddl dS Rl S
令
dl l
x
dr r
y
dSS2rrd2r2drr
金属的轴向应变
金属的径向应变
第三章 力、扭矩和压力传感器 第一节 测力传感器
一、电阻应变式测力传感器
3. 应变片
(1)工作原理
dRddl dS
Rl S
由材料力学的知识：在弹性范围内，
• 薄壁环型弹性元件
第一节 测力传感器
测拉力
测压力
第三章 力、扭矩和压力传感器 第一节 测力传感器
一、电阻应变式测力传感器
2. 弹性元件及计算公式 • 薄壁环型弹性元件 • 圆环在拉力作用下，各断面所承受的弯矩为
M F R 0 (0 .3 1 8 0 .5 c o s)
式 中 —断 面 的 坐 标） 角； （ M—坐 标角 断 面 处 的 弯矩 m ） （;N