检测与转换技术最新课件第四章(电阻应变片式传感器)

--前言（应用举例）
测力传感器已成为生产自动化中不可缺少的检测元件。 在钢铁工业中，大型轧钢机装置测力传感器，可以测 定轧制力和提供进轧与自动控制钢板厚度的信号； 在起重运输业中，如在滑车和大型吊车上安装测力传 感器，一方面可以实现自称重，另一方面可以在超重时发 出报警信号，自动避免事故。
--弹性敏感元件
一、弹性敏感元件概念 二、弹性敏感元件的特性（自学） 三、对弹性敏感元件材料的要求（自学） 四、弹性敏感元件的分类（自学） 五、变换力的弹性敏感元件 六、变换压力的弹性敏感元件
--弹性敏感元件
弹性敏感元件概念
1、弹性形变： 物体因外力作用而改变原来的尺 寸或形状称为变形，如果外力去掉后完全恢复其原来 的尺寸和形状，那么这种变形称为弹性形变。
--电阻应变片 应变片的工作原理
金属丝受拉时，l变长、r变小，导致R变大 。
R
l A
l
r2
应变片
--电阻应变片
各种应变片
--电阻应变片
--电阻应变片
电阻应变式传感器的应用
电阻应变式传感器的优点:测量精度高、动态响应好、使 用简单和体积小。
应用范围：应变、压力、弯矩、扭矩、加速度和位移 等物理量的测量中。
波纹膜片
--弹性敏感元件
当膜片的四周固定，两侧面存在 压差时，膜片将弯向压力低的一侧， 因此，将压力变为位移。波纹膜片比 平膜片柔软，因此可用来测量较小压 力的弹性敏感元件。
金属波纹膜片
--弹性敏感元件
波纹膜片
STC230型压力传感器
工作原理
STC230型滑线电阻式压力传感器，是利用波纹
膜片与油压位移的线性关系转化为电阻的变化，从
消除误差的补偿措施
• 调零电路及其接法 为了提高测量精度，
电桥2(补偿电桥)串接 在应变片传感器的输
出和测量仪表之间，
通过调节补偿电桥中
的 电 位 器 W， 改 变 其 输出电压U02，用U02来 抵消传感器的零点偏
移 输 出 电 压 U01， 因 此 调节w可使传感器在空 载时输出电压 U0 为零。
--弹性敏感元件
变换压力的弹性敏感元件
变换压力的弹性敏感元件 是能将气体和液体等的压力转换为位移或应变的弹 性敏感元件。
常用变换压力的敏感元件有：弹簧管、波纹管、等 截面薄板、膜片、膜盒、薄壁圆筒、薄壁半球。 注：这些元件的变形计算复杂，本章只对它们作定性 分析。
--弹性敏感元件
实心柱、空心柱、矩形柱敏感元件
圆环的缺点是：加工困难，环的各个部位可产生较大的应力。
--弹性敏感元件
等面积悬臂梁
对于梁上的任一一点A来说，上下表面的应变大小相
等，符号相反。设梁的截面厚度为 ，宽度为b，总长度
为 ，则在距离固定端 0处的 为：
6(l0 l)
Eb 2
F
从上式可知：最大应变产生在梁的根部。在实际使用 中，还常把悬臂梁的自由端的挠度作为输出，在自由端装 上霍尔传感器、或电涡流传感器等就可以将挠度变为电量。
--电阻应变片的应用
(2) 输出灵敏度高 由于结构是双连孔形的,粘贴应变片处
较薄, 应变大；而其它部位较厚，故强度、 刚度好。 (3) 抗侧向力强
倘若增加一个侧向力，对于中间梁而言， 只增加了一对轴向力，则四个应变片将同时 增减相同电阻值，故对输出无影响。 (4)由于该秤只用一个测力传感器，结构简 单、精度高、量程宽、工作可靠。
--测量电路
电子秤逻辑框图
--测量电路
--电阻应变片的应用
电子秤的组成部分
一般说来，电子秤主要由以下几个部分组成： (1) 承重和传力机构。它是将被称物体的重量或力
传递给称重传感器的全部机械系统。包括承重台面、 秤桥结构、吊挂连接单元、安全限位装置等。
(2) 称重传感器。它将作用于传力机构的重量或力 按一定的函数关系(一般为线性关系)转换为电量(电压、 电流、频率等)输出。有时又称它为一次变换元件。
设轴的截面积为S，材料的弹性模量为E，材料的泊松比 为u(泊松比是指材料在单向受拉或受压时，横向正应变与 轴向正应变的绝对值的比值，也叫横向变形系数，它是 反映材料横向变形的弹性常数。)。当等截轴承受轴向拉 力或压力时，轴向的应变为
E
E
又
F S
x
与轴向垂直的应变为：
y
F SE
x
x
F SE
x
F
固定点
F
固定点
电缆 各种悬臂梁
--电阻应变片
F
F
应变式荷重传感器外形及受力位置
--电阻应变片
F
F
应变式荷重传感器外形及受力位置
应变片的粘贴步骤
1、去污：采用手持 砂轮工具除去构件表面的 油污、漆、锈斑等，并用 细纱布交叉打磨出细纹以 增加粘贴力 ，用浸有酒 精或丙酮的纱布片或脱脂 棉球擦洗。
--电阻应变片的应用
S型双弯曲梁的特点
(1) 变化加载点不影响输出 在传感器上装配上、下承压板，
变成了S形状(图d)，则传感器部分如 图(c)表示，由该图可证明变化加载点 对输出特性不产生影响。
M1=W x M2=W ( x +a) M2－M1＝W(x +a)－W x=W a 由此可见，输出只与应变片基长 a (常数)有关，而与重物加载点x无关。
--电阻应变片
直接将应变片粘贴在被测构件上
（二）直接将应变片粘贴在被测构件上,然后将其 接到应变仪上就可以直接从应变仪上读到相应的应变值。
例如电阻应变仪就是这种应用的一个例子。注意： 应在弹性元件或被测构件应变最大的部位粘贴应变计。
应变式力传感器
--电阻应变片
F
F
F
F
--电阻应变片
各种悬臂梁
--电阻应变片
MPα或0.5 MPα 压力接口：NPT1/8或NPT1/4
耐环境性能
适用环境： -40℃～+125℃ 相对湿度：≤95% 压力：
86KPα～106KPα 外壳防护等级：IP54 耐振强度25Hz～60Hz,
0.78MMp.p 60Hz～200Hz,110 m/S2
膜盒
--弹性敏感元件
为了进一步提高灵敏度，常把两个 膜片焊在一起，制成膜盒，它的中心位 移量为单个膜片的两倍。膜盒本身就是 一个封闭的整体，所以周边不需固定， 给安装带来方便，应用比膜片广泛。
下面介绍用电阻应变片的电子秤结构、结构特点、补偿 措施和有关电路。
采用S型双弯曲悬梁应变测力传感器和单片机相结合的 数字式电子秤。它具有零点跟踪、非线性校正、精度选择、 称重、去皮重、累计、显示、打印等多种功能。
--电阻应变片的应用
--电阻应变片的应用
测力传感器结构原理图
传感器弹性体为双弯曲梁，四片 应变片分别粘贴在梁的上、下两表面 上，组成全桥电路如图(a)所示。当载 荷W作用时,R1、R2受拉伸，阻值增加； R3、R4，受压缩，阻值减小，电桥失 去平衡，产生电压输出，且电压与W 成正比，即 ：
波纹管
--弹性敏感元件
波纹管是一种表面上有许多同心 环形皱纹的薄壁圆管。它的一端与 被测压力相通，另一端密封。
环形金属波纹管
等截面薄板
--弹性敏感元件
等截面薄板又称为平薄片，它是周围固定的圆薄 板。当它的上下两面受到均匀分布的压力时，薄板将 弯向压力低的一面，便在薄板表面产生压力，从而把 均匀分布压力变换为薄板的位移和应变。应用：将应 变片粘贴在薄板表面可以组成电阻应变式压力传感器。
2、弹性元件：具有弹性形变特点的元件称为弹 性元件。
它是很多传感器的核心部分，它能把感受到的各 种形式的非电量变换成应变和位移量，然后由各种形 式的转换元件把这些量变为电量。
--弹性敏感元件
3、内力：当弹性敏感元件受压（拉）力时，元件 除了产生变形以外，其内部横截面之间的相互作用力称 为内力。 记为：N,单位是牛顿。
(3) 显示记录仪表。用于测量称重传感器输出的电 信号数值或状态，以指针或数码形式显示出来(其中包 括了测量电路。现代测量显示仪表还包括数据处理、 打印装置等)。这部分一般又称为二次显示仪表。
4、应力：弹性敏感元件单位横截面S（单位为㎜2）
上所受的力称为应力。记为：
公式为：
N
S
--弹性敏感元件
5、应变：单位长度产生的形变称为相对形
变，也称为应变。记为：
6、弹性模量：在材料的弹性范围内 为常数，
称为弹性模量。记为：E。
E
•
N
ES
--弹性敏感元件
变换力的弹性敏感元件
变换力的弹性敏感元件 是指输入量为力F,输出量可以是应变或位移的敏感 元件。 在力的作用下，位移很小时，往往用应变作为输出 量。 常用变换力的敏感元件有：实心柱，空心柱，矩形 柱，等截面圆环，扭转轴，等截面悬臂梁，等强度 悬臂梁。
--电阻应变片的应用 柱式荷重传感器的外形及应变片的粘贴位置
F
R4
R
R1
2
--电阻应变片
--电阻应变片的应用
--电阻应变片的应用
电子秤
用于衡器的传感器一般有电阻应变片、弹性金属结构 传感器等。自从1983年将电阻应变片用于商用计价秤后， 已逐渐取代传统的机械式案秤和光栅式码盘秤。这种电阻 应变式计价秤的称重误差已可做到小于满量程的0.02％。
而输出与压力成比例的电阻信号。
特点和用途
由于波纹膜片采用严格的热处理工艺和对电阻器滑动机的
精心设计与匹配，使该传感器具有工作可靠，无磨损，长寿命
等特点，可广泛应用于各类汽车发动机油压力的测量与控制。
技术性能指标
被测量：发动机油压力或压缩空气压力测量精度：≤6% 量
程：0～1.0MPα G端输出电阻：10Ω～184Ω W端报警压力：0.08
铍青铜、锡青铜，不锈钢压力膜盒： 其压力位移特性可以是线性的，渐增的 或渐减的，精度可达千分之三。
薄壁圆筒和薄壁半球
--弹性敏感元件
超薄壁金属圆筒体
运用先进的旋压拉伸工艺 可提供特殊用途带底的超薄壁 金属圆筒体，用它们可组成磁 控传感器浮筒体用于锅炉水位 显示控制器上和振动筒压力传 感器受感筒体，用来测量气体 的压力和介质的密度。
检测与转换技术
第四章
2015年
电阻应变式传感器 2016年
11月
3、7月
2016年 11月
2017年 6月
2017年 12月
--前言（用途分类）
目前，电阻应变式测力传感器性能已达到较高的水平， 它几乎占测力传感器的70％，应用相当广泛。 力传感器主要用于两个方面： 测力：在测力方面，力传感器可以直接用于生产过程或实 验研究中集中力的测定。 称重：在称重方面，主要应用于各种类型的电子秤。
--电阻应变片
4、焊接： 将引线 和端子用烙铁焊接起来， 注意不要把端子扯断。
--电阻应变片
5、固定： 焊 接后用胶布将引线 和被测对象固定在 一起，防止损坏引 线和应变片。
--电阻应变片
--电阻应变片的应用
柱式力传感器
1、柱式力传感器 柱式力传感器的弹性元件有实心柱与空心柱两
种，以实心柱为例，设钢制圆筒截面积为S（单位 m2），泊松比为u，弹性模量为E(单位为N／m2)。应 变片的灵敏系数为K，四片特性相同的应变片对称 地贴在圆筒外表面(如图2—17)，并将四片应变片接 成全桥形式。这种连接方式可提高检测灵敏度和温 度稳定性，最大测力(或荷重)量程可达107N。
--电阻应变片
2、贴片：在 应变片的表面和处 理过的粘贴表面上， 各涂一层均匀的粘 贴胶 ，用镊子将应
变片放上去，并调 好位置，然后盖上 塑料薄膜，用手指 揉和滚压，排出下 面的气泡 。
--电阻应变片
3、测量 ：从分开 的端子处，预先用万 用表测量应变片的电 阻，检查端子是否折 断和应变片是否损坏。
F SE
实心柱的特点是：加工方便，精度高，但是灵 敏度小适用于截面较大的场合。 空心圆柱：在同样的截面积下，轴的直径可加 大，可提高轴的抗弯能力。
--弹性敏感元件
环形敏感元件
圆环有较高的灵敏度，因而它多用 于测量较小的力。
当力F作用于圆环上时，环上的A、B 点产生较大的应变。当环的半径比环的 厚度大得多时，A点内外表面的应变大小 相等、符号相反。
--弹性敏感元件
等强度悬臂梁
对于悬臂梁的自由端有力F作用时，沿梁 的整个长度上的应变处处相等，即它的灵敏度 与梁长度方向的坐标无关。
6l0
Eb
2
F
必须指出：这种变截面积梁的尖端必须有一定 的宽度才能承受作用力。
弹簧管
--弹性敏感元件
弹簧管又称为波登管，它是弯成 各种形状的空心管子，它一端固定、 一端自由，弹簧管能将压力转换为位 移。
电阻应变片应用可分为两大类： 第一类是将应变片粘贴在弹性敏感元件上； 第二类是直接将应变片粘贴在被测构件上。
--电阻应变片
应变片粘贴在弹性敏感元件上
（一）将应变片粘贴于某些弹性体上，并将其接到 测量转换电路，这样就构成测量各种物理量的专用应 变式传感器。
这样就可以组成各种专用的应变式传感器，在目 前的传感器中，尤其是在称重测力传感器中占有重要 的地位。