机械工程测试技术基础
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l
A
Ar2
dRr2
2l dlr3
l
drr2
dR(dl2drd) lr
dRdl2drd Rl r
dl
l
(纵向应变)
dr (横向应为 变泊松系数)
r
d E (为压阻系 为 数正 ;应力;
E为材料弹性摸量。)
K R/ R
式中, k为电阻应变计的灵敏度系数。
因一般应变计粘贴到试件上后不能取下再用, 只能在 每批产品中提取一定百分比(如 5%)的产品进行测定, 取其平均值作为这一批产品的灵敏度系数。这就是产品 包装盒上注明的灵敏度系数, 或称“标称灵敏度系数”。
5. 横向效应
实验表明, 应变计的灵敏度k恒小于金属线材的灵敏度系数k0。其原 因除了粘合剂、基片传递变形失真外, 主要是由于存在横向效应。
转换元件
基本转换电路
例:压力传感器:
大 气 压
输入P
基本转 换电路
电感线圈
转换元件
磁芯
膜盒
敏感元件
壳体
第一节 常用传感器的分类
结构型:依靠传感器结构参数的变化而实现信号转变的
1. (电容,电感传感器)
物性型: 依靠敏感元件材料本身物理性质的变化而实现信号转变的 (压电,半导体传感器) 能量转换型(无源传感器):直接由被测对象输入能量使其工作的 (压电,磁电,光电)
①结构简单,使用方便;价格低廉,读数直观。
②机械式放大,指示系统使其惯性大,固有频率低, 故多用于静态量或低频变化量的测量。 ③弹性元件的蠕变,弹性后效现象会影响输入,输出的关系。
第三节 电阻式传感器
变阻器式传感器 电阻应变式传感器
金属电阻应变式 半导体应变式(固态压阻式)
基本原理:将被测物理量的变化转换成电阻值的变化。
所示)。若钢的泊松比 =0.285,应变片的灵敏系数K=2,电桥
的电源电压Ui=2V,当试件受轴向拉伸时,测得应变片R1的电阻 变化值△R=0.48Ω,试求电桥的输出电压U0;若柱体直径 d=10mm,材料的弹性模量E=2×1011N/m2,求其所受拉力大小。
成线性关系。
3.角位移型: 同理,可得:
SR2r(常量)
x A
4.非线性电位计: Rx f (x)
dR 2 (b h )
dx
A
h A ( dR ) b 2 dx
5.电阻分压电路:
uy
u0 x p R p (1
x)
x RL
xp
当 RL
R
时:
以阻值R=120Ω,灵敏度S=2的电阻应变片与阻值为120Ω的 固定电阻组成电桥,供桥电压为3V,并假定负载无穷大,当 应变片的应变为2με和2000με时,分别求出单臂和双臂电桥的 输出电压,并比较两种情况下的灵敏度。
在材料为钢的实心圆柱试件上,沿轴线和圆周方向各贴一片电阻
为120Ω的金属应变片R1和R2,把这两应变片接入差动电桥(如图
基片 a.丝式:四个基本部分组成: 覆盖层
引出线
b.箔式: 特点:
①光刻技术,应变花; ②横向效应小; ③散热条件好; ④疲劳寿命长; ⑤生产率高。
③材料: 见表3--2。
3.半导体应变片: ①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。
dR E
y
l
x
因此, 将同样长的金属线材做成敏感栅后, 对同样应变, 应变计敏 感栅的电阻变化较小, 灵敏度有所降低。 这种现象称为应变计的 横向效应。
6.
7.
电阻应变仪
电阻应变仪是最早应用的,以应变计作为传感元件的测量应力的专 用仪器。电阻应变仪将电桥的微小输出电压放大、记录和处理,从 而得到待测应变值。其种类和型号很多,但基本原理相似,通常包 括测量电桥、读数电桥、放大器、相敏检波器、滤波器、显示器、 稳压电源及振荡器等部分。其方框图如图(3-11)所示。
2.传感器作用: ~ 直接作用于被测量,并把它转换成与之相应的、容易检测、 传输或处理的信号的装置。
①传感器是人类感官的延伸 a.视觉与光传感器; b.听觉与声压传感器; c.触觉与温度和压力传感器; d.嗅觉与气敏传感器;
②是现代测控系统的关键环节。
3.传感器的基本组成:
被测量
敏感元件
RLC
电量
p
u
yห้องสมุดไป่ตู้
u0 xp
x
6.特点:
①结构简单,性能稳定,使用方便。 ②分辨力低,噪声大。
二.电阻应变式传感器
金属电阻应变式 半导体应变式
1.电阻应变效应: ~ 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。
设一根电阻丝,未受力时的原始电阻值: R l
A
当受到外力F作用,其R的变化:
dR Rd l RdA Rd
1.传感器的发展
人类为了从外界获取信息, 必须借助于感觉器官。 人 类依靠这些器官接受来自外界的刺激,再通过大脑分析判 断, 发出命令而动作。 随着科学技术的发展和人类社会的 进步, 人类为了进一步认识自然和改造自然, 只靠这些感觉 器官就显得很不够了。 于是, 一系列代替、 补充、 延伸 人的感觉器官功能的各种手段就应运而生, 从而出现了各 种用途的传感器。
一.变阻器式传感器:
1.工作原理: Rl ()
A
即 Rf(,A,l) 。当电阻丝直径A与材质ρ一定时, R f (l)
的单值函数。
2.直线位移型变阻器式传感器:
设电位计触头移动Δx,其相应电阻值变化ΔR,则:
传感器的灵敏度:
S R 2(ab( ) 常量)
x
A
传感器的输出(与电输阻入)(位移
传感器的历史可以追溯到远古时代, 公元前1000年左 右, 中国的指南针已开始使用。
埃及王朝时代开始使用的天平, 一直延用到现在。 利用 液体膨胀进行温度测量在16世纪前后就已出现。 19 世纪建 立了电磁学的基础, 当时建立的物理法则直到现在作为各种 传感器的工作原理仍在应用着。
以电量作为输出的传感器, 其发展历史最短, 但是随着 真空管和半导体等有源元件的可靠性的提高,这种传感器得 到飞速发展。目前只要提到传感器, 一般是指具有电输出的 装置。 由于集成电路技术和半导体应用技术的发展, 研究开 发了性能更好的传感器。 随着电子设备水平不断提高以及 功能不断加强, 传感器也越来越显得重要。 世界各国都将传 感器技术列为重点发展的高新技术, 传感器技术已成为高新 技术竞争的核心技术之一, 并且发展十分迅速。
2. 能量控制型(有源传感器):外部供给能量使传感器工作的,
并且由被测量来控制外部供给能量的变化。(电阻,电容,电感)
位移 速度
3. 加速度
力 温度…….
第二节 机械式传感器
组成典型应用及特点:
力 压力 温度
…...
输入量
敏感元件 (弹性体)
输出量 弹性变形
机械放大 指示系统
输出
图3-3 图3-4 ①测力计 ; ②压力计; ③温度计。
R
特点:
dR
S
R E
(1)灵敏度高;机械滞后小,横向效应小;
(2)温度稳定性差;灵敏度离散度大; 在较大应力作用下,非线性误差大等。
②结构:
③材料: 见表3--3。
P型硅单晶
胶膜衬底 半导体敏感栅 内引线 焊接端 外引线
4. 应变计的灵敏度系数
金属电阻丝的电阻相对变化与它所感受的应变之间具有线性关系, 金属丝做成应变计后, 由于基片、粘合剂以及敏感栅的横向效应, 电阻应 变特性与单根金属丝将有所不同, 必须重新用实验来测定。 实验是按规 定的统一标准进行的。电阻应变计贴在一维力作用下的试件上, 例如受 轴向拉压的直杆、纯弯梁等。实验证明, 电阻应变计的电阻相对变化 ΔR/R与应变Δl/l=ε之间在很大范围内是线性的, 即
敏感栅由许多直线及圆角组成, 如下图所示。 拉伸被测试件时, 粘贴 在试件上的应变计, 被沿应变计长度方向拉伸, 产生纵向拉伸应变εx, 应变 计直线段电阻将增加。 但是在圆弧段上, 沿各微段(圆弧的切向)的应 变并不是εx, 与直线段上同样长的微段所产生的电阻变化不同。
最明显的是在θ=π/2 垂直方向的微段, 按泊松比关系产生压应变-εy。 该微段电阻不仅不增加, 反而减少。在圆弧的其他各微段上, 感受的应变 是由+εx变化到- εy的。这样, 圆弧段的电阻变化, 显然将小于同样长度沿 x方向的直线段的电阻变化。
d R 2 E R
其中, 12( )是由电阻丝几 改何 变尺 引寸 起的 的;
E是由电阻丝电 变阻 引率 起的 的改 。
2.金属电阻应变片: dR
①工作原理: 电阻相对变化率
R
(1
2
)
与应变成正比
dR
S R 1 2 常量
②结构:
丝式 箔式
敏感栅(电阻丝)