传感器上课讲义-3应变式
合集下载
第三章应变式传感器-PPT精品文档
1 1 6 L
R1 2R1 R1 1 2R1
3. 非线性误差及其补偿方法
• 补偿方法－差动电桥 • 半桥差动电路：两个应变片（1拉、1压）
E R1 Uo 2 R1
KU E 2
消除温度影响：
R R R R 1 1 1 T 1 R R R R ， 且 R R 2 2 2 T 2 T 1 T 2
R1 R1 R T R3 V oT E R R 2 R R3 R 4 2 T 1 R1 R1 R T 1 E 2R R 2 1 T R1 1 E 2 R1 R T 1
结论：分母中Rr1可忽略，分子中无Rr1项，故减小了温度变化的影响，具有温度补偿 作用。
• 全桥差动电路：四个应变片（2拉、2压）
R R R R 1 2 3 4 R R R R 1 2 3 4
R R 1 1
R R 2 2
R1 Uo E R1
dl （轴向应变） l
应变
dA dr dl 2 2 2 A r l
(径向应变)μ:材料的泊松比
R 1 2 R
R R 或 1 2
• 电阻丝的灵敏系数K0 • 影响K的因素 (1)应变片受力后材料几何尺寸的变化（1+2）； (2)材料电阻率发生的变化（ d ）。 • 金属材料：1+2 >> ，在电阻丝拉伸极限内泊松 比μ=0.5，故K0 2。 • 半导体材料： >>1+2 与半导体敏感元件在轴向所受的应变力有关：
R1 2R1 R1 1 2R1
3. 非线性误差及其补偿方法
• 补偿方法－差动电桥 • 半桥差动电路：两个应变片（1拉、1压）
E R1 Uo 2 R1
KU E 2
消除温度影响：
R R R R 1 1 1 T 1 R R R R ， 且 R R 2 2 2 T 2 T 1 T 2
R1 R1 R T R3 V oT E R R 2 R R3 R 4 2 T 1 R1 R1 R T 1 E 2R R 2 1 T R1 1 E 2 R1 R T 1
结论：分母中Rr1可忽略，分子中无Rr1项，故减小了温度变化的影响，具有温度补偿 作用。
• 全桥差动电路：四个应变片（2拉、2压）
R R R R 1 2 3 4 R R R R 1 2 3 4
R R 1 1
R R 2 2
R1 Uo E R1
dl （轴向应变） l
应变
dA dr dl 2 2 2 A r l
(径向应变)μ:材料的泊松比
R 1 2 R
R R 或 1 2
• 电阻丝的灵敏系数K0 • 影响K的因素 (1)应变片受力后材料几何尺寸的变化（1+2）； (2)材料电阻率发生的变化（ d ）。 • 金属材料：1+2 >> ，在电阻丝拉伸极限内泊松 比μ=0.5，故K0 2。 • 半导体材料： >>1+2 与半导体敏感元件在轴向所受的应变力有关：
应变式传感器教学课件
详细描述
称重传感器通常由弹性体、电阻应变片和测量电路组成。当被测物体放置在称重传感器上时，弹性体会产生形变 ，导致应变片发生变形，从而改变其电阻值。测量电路通过测量电阻值的变化，计算出物体的质量或重量。称重 传感器广泛应用于各种称重和测力场合，如电子秤、天平、汽车衡等。
压力传感器
总结词
压力传感器是应变式传感器的一种，用于测量气体或液体的压力。
检查传感器连接线是否完好，如有破 损或接触不良应及时更换或修复。
如传感器损坏严重，无法修复，应及 时更换。
2023
PART 06
应变式传感器的发展趋势 与未来展望
REPORTING
技术创新与改进
微型化
01
随着微电子和纳米技术的发展，应变式传感器的尺寸越来越小
，精度和可靠性得到提高。
智能化
02
集成化、多参数、自校准等智能化技术，使应变式传感器能够
日常维护与保养01源自020304定期清理传感器表面灰尘和杂 物，保持清洁。
检查传感器是否有裂纹、锈蚀 等现象，如有应及时处理。
定期对传感器进行校准，以确 保测量精度。
保持传感器工作环境干燥，避 免潮湿和腐蚀。
故障排查与维修
如传感器出现异常，应先检查电源是 否正常。
如传感器测量精度下降，可能是由于 长期使用或环境因素导致，需要进行 校准或更换。
缺点
成本较高
应变式传感器的制造成本较高，导致其市场价格也相对较高，可 能会增加整个系统的成本。
对温度敏感
应变式传感器对温度较为敏感，因此在一些温度变化较大的环境中 ，需要进行温度补偿以提高测量精度。
响应速度较慢
由于应变式传感器的工作原理，其响应速度相对较慢，可能无法满 足一些需要快速响应的应用场景。
称重传感器通常由弹性体、电阻应变片和测量电路组成。当被测物体放置在称重传感器上时，弹性体会产生形变 ，导致应变片发生变形，从而改变其电阻值。测量电路通过测量电阻值的变化，计算出物体的质量或重量。称重 传感器广泛应用于各种称重和测力场合，如电子秤、天平、汽车衡等。
压力传感器
总结词
压力传感器是应变式传感器的一种，用于测量气体或液体的压力。
检查传感器连接线是否完好，如有破 损或接触不良应及时更换或修复。
如传感器损坏严重，无法修复，应及 时更换。
2023
PART 06
应变式传感器的发展趋势 与未来展望
REPORTING
技术创新与改进
微型化
01
随着微电子和纳米技术的发展，应变式传感器的尺寸越来越小
，精度和可靠性得到提高。
智能化
02
集成化、多参数、自校准等智能化技术，使应变式传感器能够
日常维护与保养01源自020304定期清理传感器表面灰尘和杂 物，保持清洁。
检查传感器是否有裂纹、锈蚀 等现象，如有应及时处理。
定期对传感器进行校准，以确 保测量精度。
保持传感器工作环境干燥，避 免潮湿和腐蚀。
故障排查与维修
如传感器出现异常，应先检查电源是 否正常。
如传感器测量精度下降，可能是由于 长期使用或环境因素导致，需要进行 校准或更换。
缺点
成本较高
应变式传感器的制造成本较高，导致其市场价格也相对较高，可 能会增加整个系统的成本。
对温度敏感
应变式传感器对温度较为敏感，因此在一些温度变化较大的环境中 ，需要进行温度补偿以提高测量精度。
响应速度较慢
由于应变式传感器的工作原理，其响应速度相对较慢，可能无法满 足一些需要快速响应的应用场景。
应变式力传感器示意图课件
n 产生机械滞后的原因，主要是金属丝、粘结剂和 基底在承受机械应变后都留有残余变形。
n 零漂：已粘贴的应变片，在温度保持恒定、试件 上没有应变的情况下，应变片的指示应变会随时 间的增长而逐渐变化，此变化就是应变片的零点 漂移。
n 蠕变：已粘贴的应变片，在温度保持恒定时，承 受某一恒定机械应变长时间的作用，应变片的指 示应变会随时间而变化。
n 当温度在-200℃--0℃范围内时，铂热电阻和温度 的关系为
当温度在0℃--850℃范围内时，铂热电阻和温度 的关系为
n 式中 t —摄氏温标下的温度值；
Rt—t℃时的阻值； R0—0℃时的阻值；
A— 常数，
B— 常数，
C— 常数，
n 2 铜热电阻传感特性 n 铜热电阻的温度系数比铂热电阻大，价格低，而
n 温度改变引起电阻变化的主要因素有二：其一是应 变片电阻丝的温度系数；其二是电阻丝材料与试件 材料的线膨胀系数不同。
n 5 应变极限
n 指当温度一定时，指示应变和真实应变的相对差值 不超过一定数值时的最大真实应变数值。一般规定 此差值为10％，即指示应变数值为真实应变的90％ 时的真实应变值称为应变片的极限。
但是在输出结果中还存在始终等于同相输入Ui+
的另一项，这使得输出电压与差分输入电压呈
非线性关系。
n 图2-34为改进的差动放大电路。利用虚短和虚 断的概念，得到Uo的表达式为
n 令Z2＝Z1，Z3=Zf
n 2.1.3 电阻应变片的主要特性
n 1 灵敏系数
n 灵敏系数为应变片的电阻相对变化与试件主应力 方向的应变之比。
n 电阻应变片的灵敏系数与单纯的电阻丝的灵敏系 数是不相同的,原因：
(1) 试件的形变是通过剪力传到敏感栅上的。
n 零漂：已粘贴的应变片，在温度保持恒定、试件 上没有应变的情况下，应变片的指示应变会随时 间的增长而逐渐变化，此变化就是应变片的零点 漂移。
n 蠕变：已粘贴的应变片，在温度保持恒定时，承 受某一恒定机械应变长时间的作用，应变片的指 示应变会随时间而变化。
n 当温度在-200℃--0℃范围内时，铂热电阻和温度 的关系为
当温度在0℃--850℃范围内时，铂热电阻和温度 的关系为
n 式中 t —摄氏温标下的温度值；
Rt—t℃时的阻值； R0—0℃时的阻值；
A— 常数，
B— 常数，
C— 常数，
n 2 铜热电阻传感特性 n 铜热电阻的温度系数比铂热电阻大，价格低，而
n 温度改变引起电阻变化的主要因素有二：其一是应 变片电阻丝的温度系数；其二是电阻丝材料与试件 材料的线膨胀系数不同。
n 5 应变极限
n 指当温度一定时，指示应变和真实应变的相对差值 不超过一定数值时的最大真实应变数值。一般规定 此差值为10％，即指示应变数值为真实应变的90％ 时的真实应变值称为应变片的极限。
但是在输出结果中还存在始终等于同相输入Ui+
的另一项，这使得输出电压与差分输入电压呈
非线性关系。
n 图2-34为改进的差动放大电路。利用虚短和虚 断的概念，得到Uo的表达式为
n 令Z2＝Z1，Z3=Zf
n 2.1.3 电阻应变片的主要特性
n 1 灵敏系数
n 灵敏系数为应变片的电阻相对变化与试件主应力 方向的应变之比。
n 电阻应变片的灵敏系数与单纯的电阻丝的灵敏系 数是不相同的,原因：
(1) 试件的形变是通过剪力传到敏感栅上的。
检测与传感第三章(3)
全桥差动
Uo E KU E R1 R1
有非线性误差
无非线性误差；电桥 电压灵敏度是单臂工 作时的两倍；
无非线性误差；电 压灵敏度为单臂工 作时的4倍；
3.4.2 交流电桥 实际中，交流电桥的应用也非常广泛。
图 交 流 电 桥 一 般 形 式
U为交流电压源， 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，即相当于并联一个电容。
应变式数显扭矩扳手
第三章 习题
3-1 什么是应变效应？什么是压阻效应？利用应变效应和压阻效应解 释金属电阻应变片和半导体应变片的工作原理。
答：金属材料在受到外力作用时，产生机械变形，导致其阻值发生 变化的现象叫金属材料的应变效应；半导体材料在受到应力作用后， 其电阻率发生明显变化，这种现象称为压阻效应。 d
R1 R1 0.2 120 0.17%
(2) 若将电阻应变片置于单臂测量桥路中，则
U0 E R1 3 0.0017 1.25mV 4 R1 4
R1 2 R1 非线性误差： l 0.085% R1 1 2 R1 （3）若要减小非线性误差，可采用半桥或全桥差动电路。 半桥差动电路的输出电压是单臂测量的两倍2.5mV，非线性误 差为0； 全桥差动电路的输出电压是单臂测量的四倍5mV ，非线性误 差也为0。
检测与传感技术
上节内容复习
3. 应变式传感器
1. 弹性敏感元件的基本特性 刚度（C） & 灵敏度（S） 2. 应变片的特性 （1）应变片电阻值 （3）横向效应 （2）应变片的灵敏系数K （4）绝缘电阻和最大工作电流 电阻温度系数的影响 试件材料和电阻丝材料的线膨胀系数的影响
Rt R R R0 R0 0 t K 0 ( g s ) t [ 0 K 0 ( g s )]t
《应变式传感器》课件
1. 应变式传感器的主要 组成部分
包括应变片、导线、支撑座和 外壳等组成部分，各部分相互 配合，实现应变信号的稳定测 量。
2. 应变式传感器的材料 选择
应根据使用环境和工作条件来 选择适合的材料，以确保传感 器在各种应变情况下的可靠性 和精度。
3. 应变式传感器的工作 温度范围
应根据应用需求选择耐高温或 耐低温材料，确保传感器在各 种工作温度下正常运行。
IV. 应变式传感器的应用
1 1. 汽车工业中的应用
用于测量车身应力、悬挂系统变形、刹车 踏板力等关键参数，确保汽车的安全性和 性能。
2 2. 石油化工中的应用
在储罐、管道等设备中应用，监测容器和 管道的变形、温度和液位等信息，保障生 产的安全和稳定。
3 3. 金属材料力学测试中的应用
4 4. 其他领域的应用
VII. 应变式传感器的未来发展趋势1Leabharlann 1. 应变式传感器的市场前景
随着工业自动化程度的提高和传感技术的不断发展，应变式传感器的市场前景广 阔。
2
2. 应变式传感器的新技术发展
包括小型化、高精度、多功能和智能化等方向的发展，进一步提升传感器的性能 和应用范围。
存在温度漂移、线性度误差和灵敏度影响等缺点，需要在实际应用中进行合理的补偿和 校准。
VI. 应变式传感器的使用注意事项
1 1. 安装应变式传感器的注意事项
包括避免应变传感器损坏、正确选择固定方式、保护导线等注意事项，确保传感器的正 常使用。
2 2. 应变式传感器的维护及保养
包括定期校准、防尘、防湿、防腐等维护工作，保证传感器的准确度和寿命。
《应变式传感器》PPT课 件
应变式传感器是一种广泛应用于工业生产中的传感器，通过检测物体的应变， 将其转化为电信号，具有重要的测量和监测功能。
第3章 电阻应变式传感器
R1 R2 ∆R1 ∆R2 ∆R3 ∆R4 U I U0 = − + − 2 (R1 + R2 ) R1 R2 R3 R4
通常采用全等臂形式工作，即Rl＝R2＝R3＝R4(初始值)。 且当四个桥臂均为应变片时,其相应的电阻变化为
∆R1 , ∆R2 , ∆R3和∆R4
UI 这样式(3-3)可变为： U 0 = 4
例：半桥测量时进行温度补偿。测量下图中的试件时，采用两片型号、 初始电阻值和灵敏度都相同的应变片Rl和R2。Rl贴在试件的测试点上，R2 贴在试件的应变为零处，或贴在与试件材质相同的不受力的补偿块上。 Rl和R2处于相同的温度场中，并接成双臂电桥(相邻臂)形式。当试件受 力并有温度变化时，应变片Rl的电阻变化率为： ∆R1/R1=∆R1e/R1e+∆R1t/R1 式中：∆R1e/R1e——R1由应变引起的电阻变化率； ∆R1t/R1——Rl由温度引起的电阻变化率。 应变片R2(温度补偿片)的电阻变化率为：∆R2/R2=∆R2e/R2e
如半导体硅，πL=(40～80)×10-11m2/N， E=1.67×1011N/m2，则k0=πLE＝50～100。显然半导 体电阻材料的灵敏系数比金属丝的要高50～70倍。
二、结构特点
1、体形半导体应变片 条状半导体单晶硅或锗。 2、扩散性半导体应变片 最常用的半导体电阻材料有硅和锗，掺入杂质可 形成P型或N型半导体。 注意事项： 注意事项：由于半导体(如单晶硅)是各向异性材料， 因此它的压阻效应不仅与掺杂浓度、温度和材料类型 有关，还与晶向有关(即对晶体的不同方向上施加力 时，其电阻的变化方式不同)。
3-2金属电阻应变式传感器
一、电阻应变效应：假设金属应变片金属丝的长度为L，截面积为A、半 径为r、电阻率为ρ，则金属丝的初始电阻R可表示为：
通常采用全等臂形式工作，即Rl＝R2＝R3＝R4(初始值)。 且当四个桥臂均为应变片时,其相应的电阻变化为
∆R1 , ∆R2 , ∆R3和∆R4
UI 这样式(3-3)可变为： U 0 = 4
例：半桥测量时进行温度补偿。测量下图中的试件时，采用两片型号、 初始电阻值和灵敏度都相同的应变片Rl和R2。Rl贴在试件的测试点上，R2 贴在试件的应变为零处，或贴在与试件材质相同的不受力的补偿块上。 Rl和R2处于相同的温度场中，并接成双臂电桥(相邻臂)形式。当试件受 力并有温度变化时，应变片Rl的电阻变化率为： ∆R1/R1=∆R1e/R1e+∆R1t/R1 式中：∆R1e/R1e——R1由应变引起的电阻变化率； ∆R1t/R1——Rl由温度引起的电阻变化率。 应变片R2(温度补偿片)的电阻变化率为：∆R2/R2=∆R2e/R2e
如半导体硅，πL=(40～80)×10-11m2/N， E=1.67×1011N/m2，则k0=πLE＝50～100。显然半导 体电阻材料的灵敏系数比金属丝的要高50～70倍。
二、结构特点
1、体形半导体应变片 条状半导体单晶硅或锗。 2、扩散性半导体应变片 最常用的半导体电阻材料有硅和锗，掺入杂质可 形成P型或N型半导体。 注意事项： 注意事项：由于半导体(如单晶硅)是各向异性材料， 因此它的压阻效应不仅与掺杂浓度、温度和材料类型 有关，还与晶向有关(即对晶体的不同方向上施加力 时，其电阻的变化方式不同)。
3-2金属电阻应变式传感器
一、电阻应变效应：假设金属应变片金属丝的长度为L，截面积为A、半 径为r、电阻率为ρ，则金属丝的初始电阻R可表示为：
传感器原理及应用 应变式传感器ppt课件
图为 应变片敏感栅半 圆弧部分的形状。沿 轴向应变为ε，沿横向 应变为εr 。
第二章
θ
dl
dθ
丝绕式应变片敏感栅半圆弧形部分
2.1.2.3 机械滞后
第二章
产生原因：应变片在承受机械应变后，其内部会产生残 余变形，使敏感栅电阻发生少量不可逆变化；在制造或粘 贴应变片时，敏感栅受到不适当的变形或者粘结剂固化不 充分。
R / l ( 1 2 ) K S R l / l l
第二章
一般的
l / l , r / r , / C （ 1 2 ） 或 E
R ( 1 2 C （ 1 2 ) ） 或 （ 1 2 E ） R
dl l
d
——电阻率的相对
——金属丝长度相对变化，用ε表示，
dl 称为金属丝长度方向上的应变或轴向应变； l
——截面积的相对变化。
第二章
S=π r 2
dS /S=2· dr/r
dr/r为金属丝半径的相对变化，即径向应变为εr。
由材料力学知
dR d dl d ( 1 2 ) ( 1 2 ) Rl
式中
R1 USC R3 E R4
A——由桥臂电阻和电源电压决定的常数。
R2
由上式可知，当R3、R4 为常数时，Rl和R2对输出 电压的作用方向相反。利 用这个基本特性可实现对 温度的补偿。
桥路补偿法
第二章
测量应变时，使用两个应变片，一片贴在被 测试件的表面，图中R1称为工作应变片。另一片 贴在与被测试件材料相同的补偿块上，图中R2， 称为补偿应变片。
②双丝组合式自补偿应变片
第二章
θ
dl
dθ
丝绕式应变片敏感栅半圆弧形部分
2.1.2.3 机械滞后
第二章
产生原因：应变片在承受机械应变后，其内部会产生残 余变形，使敏感栅电阻发生少量不可逆变化；在制造或粘 贴应变片时，敏感栅受到不适当的变形或者粘结剂固化不 充分。
R / l ( 1 2 ) K S R l / l l
第二章
一般的
l / l , r / r , / C （ 1 2 ） 或 E
R ( 1 2 C （ 1 2 ) ） 或 （ 1 2 E ） R
dl l
d
——电阻率的相对
——金属丝长度相对变化，用ε表示，
dl 称为金属丝长度方向上的应变或轴向应变； l
——截面积的相对变化。
第二章
S=π r 2
dS /S=2· dr/r
dr/r为金属丝半径的相对变化，即径向应变为εr。
由材料力学知
dR d dl d ( 1 2 ) ( 1 2 ) Rl
式中
R1 USC R3 E R4
A——由桥臂电阻和电源电压决定的常数。
R2
由上式可知，当R3、R4 为常数时，Rl和R2对输出 电压的作用方向相反。利 用这个基本特性可实现对 温度的补偿。
桥路补偿法
第二章
测量应变时，使用两个应变片，一片贴在被 测试件的表面，图中R1称为工作应变片。另一片 贴在与被测试件材料相同的补偿块上，图中R2， 称为补偿应变片。
②双丝组合式自补偿应变片