应变电阻式传感器
电阻应变式传感器.
电阻应变式传感器应变式传感器是基于测量物体受力变形所产生应变的一种传感器,最常用的传感元件为电阻应变片。
应用范围:可测量位移、加速度、力、力矩、压力等各种参数。
应变式传感器特点①精度高,测量范围广;②使用寿命长,性能稳定可靠;③结构简单,体积小,重量轻;④频率响应较好,既可用于静态测量又可用于动态测量;⑤价格低廉,品种多样,便于选择和大量使用。
1、应变式传感器的工作原理(1) 金属的电阻应变效应金属导体在外力作用下发生机械变形时,其电阻值随着它所受机械变形(伸长或缩短)的变化而发生变化的现象,称为金属的电阻应变效应。
公式推导:若金属丝的长度为L,截面积为S,电阻率为ρ,其未受力时的电阻为R,则:(9.1)如果金属丝沿轴向方向受拉力而变形,其长度L变化dL,截面积S 变化dS,电阻率ρ变化,因而引起电阻R变化dR。
将式(9.1)微分,整理可得:(9.2)对于圆形截面有:(9.3)为金属丝轴向相对伸长,即轴向应变;而则为电阻丝径向相对伸长,即径向应变,两者之比即为金属丝材料的泊松系数μ,负号表示符号相反,有:(9.9)将式(9.9)代入(9.3)得:(9.5)将式(9.5)代入(9.2),并整理得:(9.6)(9.7)或K0称为金属丝的灵敏系数,其物理意义是单位应变所引起的电阻相对变化。
K0称为金属丝的灵敏系数,其物理意义是单位应变所引起的电阻相对变化。
公式简化过程:由式可以明显看出,金属材料的灵敏系数受两个因素影响:一个是受力后材料的几何尺寸变化所引起的,即项;另一个是受力后材料的电阻率变化所引起的,即项。
对于金属材料项比项小得多。
大量实验表明,在电阻丝拉伸比例极限范围内,电阻的相对变化与其所受的轴向应变是成正比的,即K0为常数,于是可以写成:(9.8) Array通常金属电阻丝的K0=1.7~4.6。
通常金属电阻丝的K0=1.7~4.6。
(2) 应变片的基本结构及测量原理距用面积。
应变片的规格一般以使用面积和电阻值表示,如2为的电阻丝制成的。
电阻应变式传感器
当温度变化∆t时,电阻丝电阻的变化值为:
∆Rα=Rt-R0=R0α0∆t
2) 试件材料和电阻丝材料的线膨胀系数的影响 当试件与电阻丝材料的线膨胀系数相同时,不论环境温度如 何变化,电阻丝的变形仍阻丝材料的线膨胀系数不同时,由于环境温度的 变化,电阻丝会产生附加变形,从而产生附加电阻变化。 设电阻丝和试件在温度为0℃时的长度均为l0, 它们的线膨胀 系数分别为βs和βg,若两者不粘贴,则它们的长度分别为
当电桥平衡时, Uo=0, 则有 或 R1R4 = R2R3
R1 R3 = R2 R4
电桥平衡条件:相邻两臂 电桥平衡条件 电阻的比值应相等, 或相 对两臂电阻的乘积相等。
电桥接入的是电阻应变片时,即为应变桥。当一个 桥臂、两个桥臂乃至四个桥臂接入应变片时,相应 的电桥为单臂桥、半桥和全臂桥。 2.不平衡直流电桥的工作原理及电压灵敏度
R1 Z1 = R1 + jwR1C1
R2 Z2 = R2 + jwR2C2
Z 3 = R3
输出电压
⋅ ⋅
Z 4 = R4
U ( Z1Z 4 − Z 2 Z 3 ) U0 = ( Z1 + Z 2 )( Z 3 + Z 4 )
要满足电桥平衡条件, 即U0=0, 则有 Z1 Z4 = Z2 Z3
或
∆R ∆ρ = (1 + 2 µ )ε + R ρ
∆ρ ∆R R = (1 + 2 µ ) + ρ
ε
ε
通常把单位应变能引起的电阻值变化称为金属电 阻丝的灵敏度系数。其物理意义是单位应变所引起的 电阻相对变化量, 其表达式为 ∆ρ ρ K 0 = 1 + 2µ + ε ∆R = k 0ε 因此 R 灵敏度系数受两个因素影响: ①受力后材料几何尺寸的变化, 即(1+2µ); ②受力后材料的电阻率发生的变化, 即∆ρ/
电阻应变式传感器
a) 丝式
b) 箔式
金属电阻应变片结构
1 2
3
12 3 体型半导体应变片
图3-1-5 电阻应变片的类型
3.1.1 应变片的工作原理
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应变电阻效应
(1)金属材料的应变电阻效应
dRRd(12u)
∵d CdV ∷dVdldA(12u)
V Vl A
金属丝材的
∴ d R R {1 (2)C (12)}K m
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3.1 电阻应变式传感器
3.1.1 应变片的工作原理 3.1.2 电阻应变传感器的测量电路 3.1.3 电阻应变传感器的温度误差及其补偿 3.1.4 电阻应变传感器的应用 3.1.5 电阻应变传感器实训
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3.1.1 应变片的工作原理
• 图3-1-4示出了电 阻应变片的基本 结构。
• 由材料力学知,经向收缩 和r 轴向伸长 的关系为:
•
r
drd,l称为泊松比
r
l
• 则 d R R d l(1 l2 ) d (1 2 ) d
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3.1.1 应变片的工作原理
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• 下面分导体和半导体两种情况对 上式进行讨论: – 金属电阻应变片(按结构形 式分) • 丝式 • 箔式 • 薄膜式 – 半导体应变片 • 体型半导体应变片 • 薄膜型半导体应变片 • 扩散型半导体应变片
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3.1.2 电阻应变传感器的测量电路
• 由于电阻应变片工作时其电阻变化很微小,例如,一
片 k、2初始电阻120Ω的应变片,受1333微应变(约2吨
重的力)时,其电阻变化仅0.36Ω。 • 测量电路的任务是把微弱的电阻变化转换成电压或电流的
变化,因此常用直流电桥和交流电桥作为测量电路。 • 目前应变片电桥大都采用交流电桥,但由于直流电桥比较
电阻应变式传感器
提出问题?
当Ui值确定后, n值取何值时使K最高?
解决办法:
当dK/dn=0 时,求K的最大值。
U0 n K Ui R1 ( 1 n )2 R1
dK 1 n 3 dn 1 n
Ui 求得n=1时, K为最大值 K 4 即: 在电桥电压确定后, 当R1=R2=R3=R4时, 电桥电 压灵敏度最高, 此时有
结论:
U i R1 U0 4 R
当电桥电压Ui和电阻相对变化量ΔR1/R1一定时, 电桥的输出电压及其灵敏度也是定值, 且与各桥臂电 阻阻值大小无关。
d.存在的不足
R1
B R2
Io
A
R3 D R4
C RL
Uo
放大器
(1)考虑:
+
Ui -
应变片R1工作时, 其电阻值变化很小, 即:△R1很小 电桥相应输出电压也很小,即:Uo很小
Ui -
K
分析可知:
U0 n Ui R1 (1 n)2 R1
—— 电桥电压灵敏度
① 电桥电压灵敏度K正比于电桥供电电压Ui Ui↑→ K↑ 但供电电压Ui的提高受到应变片允许功耗的限 制,所以要作适当选择; ② 电桥电压灵敏度K=K(n) , 恰当地选择桥臂比n 的 值,保证电桥具有较高的电压灵敏度。
特点: (1)测量量程大;
(2)防爆;
(3)可靠; (4)成本低。
钢丝
煤气包
原理 直接将代表煤气包储量的高度 变化转换为钢丝的电阻变化
玩具机器人(广州中鸣数码)
原理
直接将关节驱动电机的转动角 度变化转换为电阻器阻值变化
电子称
原理 将物品重量通过悬臂梁转化结 构变形再通过应变片转化为电 量输出。
电阻应变式传感器的原理
电阻应变式传感器的原理今天咱们来唠唠电阻应变式传感器这个超有趣的东西。
你看啊,这电阻应变式传感器啊,就像是一个超级敏感的小机灵鬼。
它的原理其实是基于一个特别简单又神奇的现象哦。
想象一下,有一根金属丝或者金属箔片,就像一个小小的金属条,这个小金属条啊,它要是受到了力的作用,不管是被拉伸了还是被压缩了,它内部的结构就会发生变化。
这就好比你拉一个橡皮筋,你一拉,橡皮筋就变长变细了,对不对?金属条也是这样,只不过它没有橡皮筋那么有弹性啦。
那这个电阻的变化怎么就能被用来做传感器呢?这就更有意思啦。
我们可以把这个应变的金属条接入到一个电路里面。
这个电路就像一个小社会,每个元件都有自己的角色。
当金属条的电阻发生变化的时候,整个电路的电流或者电压就会跟着变化。
就好像一个小团队里,有一个成员状态变了,整个团队的工作成果就会跟着改变一样。
比如说,我们想要测量一个物体的压力。
我们就可以把这个电阻应变式传感器放在物体下面。
当物体压在传感器上的时候,传感器里面的金属条就会被压缩或者拉伸,然后电阻就变了。
这个变化就会反映在电路的电流或者电压上。
我们只要测量这个电流或者电压的变化,就能知道物体对传感器施加了多大的力啦。
再比如说,在桥梁建筑里,这电阻应变式传感器可就像一个小小的健康监测员呢。
桥梁在承受车辆行驶、风吹雨打等各种外力的时候,它的结构会发生微小的变形。
把电阻应变式传感器安装在桥梁的关键部位,当桥梁的结构发生哪怕一点点的变形,传感器里的金属条电阻就会变化,工程师们通过检测这个变化,就能知道桥梁是不是安全啦,就像医生通过检查身体的各项指标来判断一个人健不健康一样。
而且啊,这种传感器还特别的灵活。
它可以被做成各种各样的形状和大小,就像变形金刚一样。
不管是测量小小的零件的应变,还是像桥梁这种大家伙的应力变化,它都能胜任。
它就像是一个隐藏在各种设备和结构里的小侦探,默默地感受着力的变化,然后把这个秘密通过电阻的变化告诉我们。
你看,这电阻应变式传感器是不是特别神奇又有趣呢?它虽然原理听起来有点复杂,但是只要你想象成是一群小电子在金属大道上的旅行受到了干扰,就很好理解啦。
《电阻应变式传感器》课件
03
电阻应变式传感器的测量电路
直流电桥测量电路
优点
简单、可靠、稳定性好。
缺点
对温度变化敏感,需要采取温度 补偿措施。
交流电桥测量电路
优点
对直流电源的稳定性要求较低,可以减小电源波动对测量结 果的影响。
在工业生产过程中,电阻应变式压力传感器被广泛应 用于压力控制、流量控制等场合,如气瓶压力监测、 管道压力监测等。
汽车行业
汽车发动机、气瓶、刹车系统等都需要用到压力传感 器,来监测和控制各种气体和液体的压力。
位移传感器的应用实例
自动化生产线
在自动化生产线上,位移传感器被用来检测和控制系 统中的物体位置,如机器人手臂的定位、传送带的物 体位置检测等。
电阻应变式传感器
目 录
• 电阻应变式传感器简介 • 电阻应变式传感器的类型与特性 • 电阻应变式传感器的测量电路 • 电阻应变式传感器的误差来源与补偿方法 • 电阻应变式传感器的应用实例
01
电阻应变式传感器简介
定义与工作原理
定义
电阻应变式传感器是一种将应变转换为电阻变化的传感器,通过测量电阻的变 化来测量受力状态。
总结词
半导体应变式传感器具有高灵敏度、 低温度系数和良好的线性等优点。
详细描述
半导体应变式传感器利用半导体的压 阻效应,即当半导体受到外力作用时 ,其电阻值会发生变化。这种传感器 常用于测量加速度、压力和振动等物 理量。
陶瓷电阻应变式传感器
总结词
陶瓷电阻应变式传感器具有耐高温、耐 腐蚀、高绝缘性和良好的稳定性等特点 。
电阻应变式传感器介绍
最低固化条件 室温10小时或
60℃2小时 室温1小时 室温24小时 室温2.5小时 200℃2小时 150℃3小时 150℃1小时 190℃3小时 200℃3小时 280℃2小时 400℃1小时 400℃3小时
固化压力 /104Pa 0.5~1
粘合时指压
0.3~0.5 粘合时指压 粘合时指压
2 1~2 — — 1~3
基底材料有纸基和胶基。胶基由环氧树脂、酚醛树脂和聚酰亚胺等 制成胶膜, 厚度约0.03~0.05mm
3.黏合剂材料
用于将敏感栅固定于基底上,并将盖片与基底粘贴在一起。使用 金属应变片时,也需用粘结剂将应变片基底粘贴在构件表面某个方 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底和 敏感栅。
2.3应变片的主要参数
1.应变片电阻值(R0) 电阻应变片的电阻值为60Ω、120Ω、350Ω,500Ω和1000Ω 等 多种规格,以120Ω最为常用。 应变片的电阻值越大,允许的工作电压就大,传感器的输出电压 也大,相应地应变片的尺寸也要增大,在条件许可的情况下,应 尽量选用高阻值应变片。
2.绝缘电阻(敏感栅与基底间电阻值: 要求>1010欧姆;
在金属丝的弹性范围内,灵敏系数KS 为常数,即 :
R R
Ks
线性关系
通常很小, 常用10-6表示之。例如, 当 为0.000001时, 在工程中 常表示为1 10-6或 m/m。在应变测量中, 也常将之称为微应变
(με)。对金属材料而言, 当它受力之后所产生的轴向应变最好不要 大于1 10-3, 即1000 m/m, 否则有可能超过材料的极限强度而 导致断裂。
合剂
化环已酮、萘酸钴干料
环氧树脂、聚硫酚铜胺、 固化剂
环氧树脂类 酚醛环氧、无机填料、
电阻式应变传感器
电阻式应变传感器是以电阻应变计为转换元件的传感器,其精确测量工作的原理是应变式原理。
这种应变计可以将变形能量转换为电阻值的变化,从而可以测量力、压力、扭矩、位移、加速度和温度等多种物理量。
弹性敏感元件、电阻应变计、补偿电阻和外壳组成的电阻应变式传感器,可以根据具体测量要求,设计成多种结构的形式。
还有这样的事实存在,弹性敏感元件如果受到所测量的力会产生变形,并使附着其上的电阻应变计一起变形。
目前,在测量行业内,常用的电阻应变式传感器有应变式测力传感器、应变式压力传感器、应变式扭矩传感器、应变式位移传感器、应变式加速度传感器和测温应变计等。
电阻应变式传感器的优点是精
度高,测量范围广寿命长,结构简单,频响特性好,能在恶劣条件下工作,易于实现小型化、整体化和品种多样化等。
电阻式应变传感器常见的特点有以下几点:
①精度高,测量范围广;
②使用寿命长,性能稳定可靠;
③结构简单,体积小,重量轻;
④频率响应较好,既可用于静态测量又可用于动态测量;
⑤价格低廉,品种多样,便于选择和大量使用。
蚌埠高灵传感系统工程有限公司在自主创新的基础上开发生产出力敏系列各类传感器上百个品种,各种应用仪器仪表和系统,以及各种起重机械超载保护装置,可以广泛应用于油田、化工、汽车、起重机械、建设、建材、机械加工、热电、军工、交通等领域。
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第2章 电阻应变式传感器
F
3.2.2 位移传感器
R4 R3 U0 R1 E R2 R1 R2 F
图2.11 应变片式线位移传感器
U
3.2.4 压力传感器
0
= k U ε = kU
3l 4 Eb h
2
F
3.2.3 加速度传感器
作业: 作业:
1. 什么叫电阻式传感器?什么是电阻应变效应? 什么叫电阻式传感器?什么是电阻应变效应? 2. 电阻应变式传感器的工作原理? 电阻应变式传感器的工作原理? 3. 作出桥式测量电路图,并推导直流电桥平衡条件, 作出桥式测量电路图,并推导直流电桥平衡条件, 以及不对称电桥的输出电压变化. 以及不对称电桥的输出电压变化.
3.2 应用
3.2.1 应变式测力与荷重传感器
kU F U 0 = 2 (1 + ) AE
图2.8 受力圆柱上应变片的粘贴
图2.9 受力薄臂环上应变片的粘贴
U
0
= k U ε = kU
1 .092 R bδ E
2
F
图2.10 受力等强度梁应变片的粘贴
U
0
= k U ε = kU
6l E b0 h
1
Z3 = Z 2Z 4
z1 z3 = z 2 z 4
φ1 + φ3 = φ2 + φ4
或
(R1 + jX1)(R3 + jX3 ) = (R2 + jX2 )(R4 + jX4 )
2.2 电桥的调平衡
在应变片工作之前必须进行电桥的平衡调节. 在应变片工作之前必须进行电桥的平衡调节.对于直流 电桥可采用串联或并联电位器法, 电桥可采用串联或并联电位器法,对于交流电桥一般采用阻 容调平衡法. 容调平衡法.
电阻应变式传感器的原理
电阻应变式传感器的原理电阻应变式传感器是一种常用的力量和力测量传感器,工作原理是基于材料的电阻变化与应变的线性关系。
当外力作用于电阻应变式传感器时,材料会发生应变,导致电阻值的变化。
通过测量电阻的变化量,可以间接获得外力的大小。
电阻应变式传感器通常由弹性体材料制成,如金属。
它的结构包括一个弹性体材料的梁或片状结构,上面固定有电阻应变片。
在正常情况下,电阻应变片是静止的,电阻值保持不变。
当外力作用于弹性体材料时,它会发生形变,导致电阻应变片的尺寸和形状发生变化,从而改变了电阻值。
电阻应变式传感器的电阻变化原理是基于电阻材料的几何形状改变和电阻率的变化。
当外力作用于电阻应变片时,它的长度、宽度和厚度等尺寸会发生微小的变化,导致电阻值的变化。
这是因为电阻应变片作为一个弹性体,其几何形状和尺寸改变会导致电阻率的变化。
电阻率是电阻与材料的几何形状和材料特性有关,当这些参数发生变化时,电阻率也会发生变化。
在电阻应变式传感器中,电阻率的变化主要是由于应变引起的。
应变是弹性体材料在受力下发生的形变。
它可以是拉伸应变、压缩应变或剪切应变。
不同的应变类型对应不同的电阻变化。
例如,当传感器受到拉伸应变时,电阻应变片的长度会增加,宽度和厚度会减小,导致电阻值的增加。
相反,当传感器受到压缩应变时,电阻应变片的长度会减小,宽度和厚度会增加,导致电阻值的减小。
为了测量电阻的变化,电阻应变式传感器通常采用电桥电路。
当传感器的电阻值发生变化时,电桥电路会产生电压输出。
这个输出信号可以被放大和处理,最终转换为可用的电信号,如电压或电流。
通过测量输出信号的大小,可以获取外力的大小,从而实现对力量和力的测量。
电阻应变式传感器具有灵敏度高、线性度好、稳定性高等优点,广泛应用于工业自动化、结构健康监测、航空航天等领域。
在实际应用中,需要根据具体的测量要求选择合适的电阻应变式传感器,包括合适的材料、结构和测量范围等。
此外,还需要考虑温度对电阻值的影响,以及传感器的防护和保护措施,以确保测量的准确性和可靠性。
应变式电阻传感器的工作原理
应变式电阻传感器的工作原理引言应变式电阻传感器是一种常用的传感器,广泛应用于测量物体的应变变化。
它的工作原理基于金属电阻的变化,通过测量电阻值的变化来获取物体的应变量。
本文将详细介绍应变式电阻传感器的工作原理及其应用。
一、应变式电阻传感器的结构应变式电阻传感器通常由弹性金属片和电阻片组成。
弹性金属片连接在被测物体上,当被测物体受到外力作用时,会发生形变,进而使弹性金属片产生应变。
应变会导致弹性金属片的长度和宽度发生微小的变化,从而改变金属电阻片的电阻值。
二、应变式电阻传感器的工作原理应变式电阻传感器的工作原理基于金属电阻与应变之间的关系。
当外力作用在被测物体上时,弹性金属片会发生微小的形变,从而引起金属电阻片的几何形状发生改变。
根据金属电阻的材料特性,电阻值随着几何形状的改变而发生变化。
应变式电阻传感器通常采用金属材料,如铜、钢等。
这些金属材料具有较小的电阻温度系数,能够提供稳定的电阻值。
当外力作用于被测物体时,弹性金属片产生应变,导致电阻值的变化。
这种电阻变化可以通过电路进行测量和记录。
三、应变式电阻传感器的应用1. 强度测量:应变式电阻传感器常用于测量材料的强度。
通过将传感器粘贴在被测物体上,当物体受到外力时,传感器测量所产生的应变,从而间接测量物体的强度。
2. 应力测量:应变式电阻传感器可用于测量材料的应力。
应力是单位面积上的力,通过测量物体的应变量,可以计算出物体的应力值。
3. 位移测量:应变式电阻传感器在位移测量中也有广泛应用。
通过将传感器安装在机械结构上,当结构发生位移时,传感器可以测量出位移的大小。
4. 压力测量:应变式电阻传感器可用于测量液体或气体的压力。
将传感器安装在压力容器中,当容器受到压力时,传感器测量所产生的应变,从而计算出压力值。
结论应变式电阻传感器通过测量金属电阻的变化,实现对物体应变量的测量。
其工作原理简单而有效,应用广泛。
无论是强度测量、应力测量、位移测量还是压力测量,应变式电阻传感器都发挥了重要作用。
电阻应变式传感器
电阻应变式传感器
三、 电阻应变片的测量电路及温度补偿
(一) 测量电路
应变片把机械应变转化为有对应 关系的电阻变化后,需要将电阻的变 化转换为电压或电流的变化。由于应 变量非常小,通常采用测量电桥,将 微小的电阻变化转化为电压或电流的 变化。根据电源的不同,可将电桥分 为直流电桥和交流电桥。电桥的一般 形式如图1-7所示。
R
(1-5)
电阻应变式传感器
k0
1 2
/
,其中k0为电阻丝的灵敏系数,即单位应变所引
起的电阻的相对变化。通常把单位应变能引起的电阻值变化称为电阻丝
的灵敏系数,其物理意义是单位应变所引起的电阻相对变化量。
k0
1
2
/
可知,电阻丝的灵敏系数受两个因素的影响:
一个是应变片受力后材料几何尺寸的变化,即1+2μ,对某种材料来说
,它是一个常数;另一个是 / ,它是由电阻丝电阻率的改变而引
起的。
/
(1)对于金属材料, 是常数,并且比1+2μ小很多,往往可
以忽略不计,故 k0 1 2 。
电阻应变式传感器
(2)对于半导体材料,(dρ/ρ)/ε 的值比1+2μ大得多,电阻丝
的灵敏系数主要由电阻率相对变化所决定。 (3)大量实验也表明,在金属电阻丝拉伸比例极限内,电阻
相对变化与轴向应变成正比。通常,金属丝的灵敏系数k0为2左右, 不超过4~5,半导体应变片的灵敏系数为100~200。
半导体应变片的灵敏系数比金属电阻丝式应变片高几十倍,但 半导体材料的温度系数大,应变时非线性比较严重,使它的应用范 围受到一定的限制。
电阻应变式传感器
二、 电阻应变片的结构和特性 1. 应变片的分类与结构
应变式电阻传感器的工作原理
应变式电阻传感器的工作原理引言应变式电阻传感器是一种常用的传感器,广泛应用于工程领域。
其工作原理是利用材料的应变特性来测量所受力的大小。
本文将详细介绍应变式电阻传感器的工作原理以及其在实际应用中的一些特点。
一、工作原理应变式电阻传感器是通过在感应材料中引入电阻应变来测量外力的。
当受力作用于材料时,材料会发生应变,即长度或形状发生变化。
这种应变会导致材料的电阻发生变化,进而改变电路中的电流和电压。
具体来说,应变式电阻传感器通常由一条细长的金属电阻丝或薄膜组成,该电阻丝或薄膜被粘合在一个弹性体基座上。
当外力作用于传感器时,弹性体基座会发生形变,从而使电阻丝或薄膜发生拉伸或压缩。
这些形变会导致电阻丝或薄膜的电阻值发生变化。
二、工作特点1. 高精度:应变式电阻传感器具有较高的测量精度,可达到微米级别。
这使得它在许多精密测量领域得到广泛应用,如机械工程、材料科学等。
2. 宽测量范围:应变式电阻传感器的测量范围较宽,可以覆盖从微小变形到大变形的范围。
这使得它适用于各种不同应变程度的测量需求。
3. 快速响应:应变式电阻传感器具有快速的响应速度,可以实时地测量外力的变化。
这使得它在需要实时监测的应用中非常有用,如结构健康监测、力学测试等。
4. 抗干扰性强:应变式电阻传感器对外界干扰具有一定的抗干扰性能。
它的结构设计使其能够有效屏蔽外界电磁干扰,提高测量的准确性。
5. 结构简单:应变式电阻传感器的结构相对简单,制造成本较低。
这使得它成为一种经济实用的传感器。
三、应用领域应变式电阻传感器在工程领域有广泛的应用,以下是一些常见的应用领域:1. 结构健康监测:应变式电阻传感器可以用于监测建筑物、桥梁、飞机等结构体的应变情况,及时发现并修复潜在的结构问题。
2. 材料力学测试:应变式电阻传感器可以用于测量材料的力学性能,如材料的强度、刚度等参数。
3. 汽车工程:应变式电阻传感器可以用于测量汽车零部件的应变情况,如发动机支架、悬挂系统等。
应变电阻式传感器的工作原理
应变电阻式传感器的工作原理应变电阻式传感器,这个名字听上去是不是有点高深莫测?别担心,今天咱们就像在聊天一样,轻松聊聊它的工作原理。
说到应变电阻,首先得了解什么是“应变”。
想象一下,你的好朋友在一个聚会上,不小心把饮料洒在了地上,结果大家都在那儿小心翼翼地走来走去,生怕滑倒。
地板的“变形”就是应变的一个简单例子。
传感器可不是什么神秘的东西,它就是用来“感知”这种变形的工具。
这个应变电阻式传感器到底是怎么工作的呢?想象一下你在按压一个软垫,当你用力的时候,垫子就会变形,这个时候,传感器就像个侦探,悄悄地记录下这个变化。
它的核心是一根细细的电阻丝,就像是你平时用的耳机线,但比那细得多。
这个电阻丝的材料会随着形状的改变而改变它的电阻值。
很神奇吧?就好比你今天吃了特别多的零食,体重可能就会涨了,电阻丝的“体重”也是一样,变了就变了。
当传感器感受到变形时,它的电阻值就会发生变化。
这种变化被转换成电信号,就像手机传来的信息一样。
这些信号就像是小精灵,传递给其他设备,比如仪器或者计算机。
通过这些电信号,咱们可以很轻松地知道物体的受力情况,真是又方便又实用,简直是现代科技的小帮手。
你知道吗?应变电阻式传感器常常被用在各种场合,比如建筑、航空航天,甚至汽车上。
在建筑工地上,工程师们用它来监测桥梁的变形情况,确保大家的安全。
想象一下,桥上有辆重重的卡车经过,传感器马上就能把信息反馈给监控系统,像是桥梁的“心脏”,时刻关注着它的健康状态。
真是让人放心呀。
而在汽车里,这种传感器也不甘示弱。
它帮助检测汽车的悬挂系统,确保你在驾驶时的安全与舒适。
想象一下,开车的过程中,车子突然颠了一下,这时候传感器就会快速反应,调节悬挂系统的状态,让你感受到平稳的驾驶体验。
简直就像是车子在对你说:“放心吧,我会照顾好你的!”有趣的是,这种传感器其实还和你的日常生活息息相关。
比如说,有些智能家居设备也在使用应变电阻式传感器,来监测你家里的某些物体的重量变化。
电阻应变式传感器的工作原理
电阻应变式传感器的工作原理1. 介绍电阻应变式传感器是一种常见的力、压力、扭矩、重量等物理量测量装置。
它通过测量物体受力或变形引起的电阻变化来实现物理量的测量。
本文将详细介绍电阻应变式传感器的工作原理及其应用。
1.1 传感器分类传感器可以根据其工作原理和测量物理量进行分类。
根据工作原理,传感器可以分为电阻、电容、电感、霍尔等类型。
根据测量物理量,传感器可以分为力、压力、温度、光等类型。
1.2 电阻应变式传感器的概述电阻应变式传感器属于电阻型传感器的一种。
它利用电阻材料的应变效应,将外界的力、压力等物理量转换为电阻值的变化。
电阻应变式传感器具有结构简单、精度高、可靠性好的特点,在工业领域得到广泛应用。
2. 原理电阻应变式传感器的工作原理基于电阻材料的应变效应,即当电阻材料受到外界力或压力作用时,材料的几何形状和尺寸发生变化,从而引起电阻值的变化。
2.1 电阻应变效应电阻应变效应是指电阻材料在受到应变作用下,电阻值发生变化的现象。
根据应变的类型,电阻应变效应可以分为拉伸应变效应和压缩应变效应。
拉伸应变效应是指电阻材料受到拉伸力作用后,电阻值增加;压缩应变效应是指电阻材料受到压缩力作用后,电阻值减小。
2.2 应变片电阻应变式传感器通常采用由电阻材料制成的应变片作为敏感元件。
应变片的几何形状和尺寸可以根据测量需求进行设计。
当外界力或压力作用于应变片时,应变片发生应变,从而导致电阻值的变化。
2.3 桥式电路为了能够测量电阻值的变化,电阻应变式传感器通常采用桥式电路进行测量。
桥式电路由四个电阻组成,其中两个电阻为应变片,另外两个电阻为补偿电阻。
当应变片受到力或压力作用时,其电阻值发生变化,从而使桥路出现失衡,产生输出信号。
2.4 输出信号电阻应变式传感器的输出信号通常为电压信号。
输出信号的大小和方向取决于桥路失衡的程度和方向,可以通过增益电路和滤波电路进行信号处理和放大。
3. 应用电阻应变式传感器广泛应用于力学实验、工业自动化、航空航天等领域。
应变式电阻传感器
应变式电阻传感器,有的人叫法是电阻应变式传感器,它是以电阻应变计为转换元件的电阻式传感器,其精确测量工作的原理是应变式原理。
弹性敏感元件、电阻应变计、补偿电阻和外壳组成的电阻应变式传感器,可以根据具体测量要求,设计成多种结构的形式。
还有这样的事实存在,弹性敏感元件如果受到所测量的力会产生变形,并使附着其上的电阻应变计一起变形。
电阻应变计再将变形转换为电阻值的变化,从而可以测量力、压力、扭矩、位移、加速度和温度等多种物理量。
目前,在测量行业内,常用的电阻应变式传感器有应变式测力传感器、应变式压力传感器、应变式扭矩传感器、应变式位移传感器、应变式加速度传感器和测温应变计等。
电阻应变式传感器的优点是精度高,测量范围广寿命长,结构简单,频响特性好,能在恶劣条件下工作,易于实现小型化、整体化和品种多样化等。
应变式电阻传感器常见的特点有以下几点:
①精度高,测量范围广;
②使用寿命长,性能稳定可靠;
③结构简单,体积小,重量轻;
④频率响应较好,既可用于静态测量又可用于动态测量;
⑤价格低廉,品种多样,便于选择和大量使用。
蚌埠高灵传感系统工程有限公司在自主创新的基础上开发生产出力敏系列各类传感器上百个品种,各种应用仪器仪表和系统,以及各种起重机械超载保护装置,可以广泛应用于油田、化工、汽车、起重机械、建设、建材、机械加工、热电、军工、交通等领域。
公司除大规模生产各种规格的高精度、高稳定性、高可靠性常规产品外,还可根据用户具体要求设计特殊的非标传感器,以满足用户的特殊要求。
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电阻应变式传感器的工作原理
电阻应变式传感器的工作原理
电阻应变式传感器是一种常用的传感器,它能够将物体的应变变化转化为电阻的变化,从而实现对物体应变的测量。
其工作原理主要包括应变测量、电阻变化和信号输出三个方面。
首先,电阻应变式传感器的工作原理涉及应变测量。
当外力作用于物体时,物体会产生应变,即长度、形状或体积的变化。
电阻应变式传感器利用这种应变的变化来进行测量。
在传感器的表面或内部,通常会粘贴或安装一些应变片或应变电阻片。
当物体发生应变时,这些应变片或应变电阻片也会产生相应的应变,从而导致其电阻值发生变化。
其次,电阻应变式传感器的工作原理还包括电阻变化。
应变片或应变电阻片的电阻值会随着物体的应变而发生变化。
一般来说,当物体受到拉伸应变时,电阻值会增加;当物体受到压缩应变时,电阻值会减小。
这种电阻值的变化可以通过电路进行测量和记录。
最后,电阻应变式传感器的工作原理还涉及信号输出。
传感器内部的电路会将电阻值的变化转化为相应的电信号输出。
这个电信号通常会被放大、滤波和转换,最终输出为与物体应变相关的电压信号或电流信号。
这样的信号可以被连接到数据采集系统或控制系统中,实现对物体应变的准确测量和监测。
总的来说,电阻应变式传感器的工作原理是通过应变测量、电阻变化和信号输出实现对物体应变的测量和监测。
通过对这些原理的深入理解,我们可以更好地应用电阻应变式传感器,实现对物体应变的精确测量和控制。
简述电阻应变式传感器的基本工作原理
简述电阻应变式传感器的基本工作原理电阻应变式传感器,这名字一听就有点儿高大上,对吧?别看它名字复杂,搞懂了也没那么难。
其实呢,它就是一个通过测量物体变形来感知力大小的“神奇小工具”。
你知道吗,它就像是一位忠实的侦探,悄悄地在物体表面蹲守,等待着物体受到压力或拉伸时发生的“微小变化”。
然后,这些变化就通过电阻的变化传递出来,告诉我们到底施加了多少力。
听起来是不是有点像科幻小说里那些隐形的监测系统?咱们先来聊聊它的工作原理。
电阻应变式传感器的核心其实很简单,就是利用了“电阻”这一物理特性。
你知道,电阻会受到材料形变的影响。
当物体变形时,它的电阻值也会发生变化。
这就好比你拿一个橡皮筋,平时它的长度和形状都比较固定,但当你拉它时,橡皮筋变长了,形状也不一样了,电阻呢,就像变得“不听话”了,开始发生变化。
这个变化其实就是传感器要找的“信号”。
简单说,传感器通过检测电阻的变化,来告诉我们物体受到了多大的力,像不小心用力拉坏了的拉链一样,变化得毫不含糊。
其实电阻应变式传感器就是通过这种方式来监测“应变”的。
你可以把它看作是一个“听力超强”的小伙伴,它能够在力作用下精准感知物体的形变。
它通过测量这个电阻的变化来计算出应变的大小。
没错,没错,就是这么简单。
它的敏感度可是杠杠的,要是你轻轻捏一捏它,它马上就能察觉到,你用力一拉,它也能反应迅速。
别小看这个小家伙,它不像我们随便捏捏就能知道力量有多大。
它得依赖一个叫“惠斯登电桥”的电路,这个电桥就像是一个翻译官,能够把电阻的变化“翻译”成力的变化,让我们直接读懂变化的信息。
你看,这不就像是给你提供了一个秒懂的秘籍嘛。
要是说得更形象一点的话,你可以把电阻应变式传感器想象成一个很精密的“体重秤”。
你站上去,秤会根据你站的时间长短、体重变化,精准给出一个数字。
传感器也类似,施加的力越大,它就会感受到越明显的形变,电阻变化就越大。
其实呢,它不像我们的秤,只是给出一个数字那么简单,它还能告诉我们“什么地方变形了”。
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tk
0.8
l0 v
(3-17)
式中: l0——应变片基长; v——应变波速。
若取l0=20mm, v=5000 m/s,则tk=3.2×10-6 s。
第3章 应变式传感器
3.4 电阻应变片的测量电路
电阻应变式传感器的测量电路常采用电桥电路 可以分为直流电桥或交流电桥。 桥的作用:将应变片产生的应变而引起的电阻变化量 △R转 换成电压变化量 △mV或电流变化量 △I 输出。
第3章 应变式传感器
3.3 电阻应变片的特性
弹性敏感元件 +电阻应变片⇒ 电阻应变式传感器 3.3.1
物体在外力作用下而改变原来尺寸或形状的现象称为变形, 而当外力去掉后物体又能完全恢复其原来的尺寸和形状,这种 变形称为弹性变形。 具有弹性变形特性的物体称为弹性元件。
弹性元件在应变片测量技术中占有极其重要的地位。它首 先把力、力矩或压力变换成相应的应变或位移,然后传递给粘 贴在弹性元件上的应变片,通过应变片将力、力矩或压力转换 成相应的电阻值。 弹性元件的基本特性有:
第3章 应变式传感器
3.4.1
1. 直流电桥平衡条件 电桥电路如图3-9所示,图中E为电源电压,R1、R2、R3及 R4为桥臂电阻,RL为负载电阻。 当RL→∞时,电桥输出电压为
Uo
E
R1 R1 R2
R3 R3 R4
(3-34)
第3章 应变式传感器
R1 A
R3
B
Io
R2
C
R4 D
+
RL Uo -
对变化ΔR/R。理论和实验表明,在一定应变范围内ΔR/R与εt的
R R
Kt
式中, εt为应变片的轴向应变。
(3-16)
定义K=(ΔR/R)/εt为应变片的灵敏系数。它表示安装在被测试 件上的应变在其轴向受到单向应力时,引起的电阻相对变化
(ΔR/R)与其单向应力引起的试件表面轴向应变(εt) 之比。
第3章 应变式传感器
项的值比1+2μ大得多。大量实验证明,在电阻丝拉伸极限内,
电阻的相对变化与应变成正比,即K为常数。
半导体
应变片是用半导体材料制成的,其工作原理是基于半导体材料
的压阻效应。压阻效应是指半导体材料,当某一轴向受外力作
用时, 其电阻率ρ发生变化的现象。
第3章 应变式传感器
当半导体应变片受轴向力作用时, 其电阻相对变化为
F A
1 2
3
0
O
x
图3- 4 弹性特性曲线
第3章 应变式传感器
2. 灵敏度
通常用刚度的倒数来表示弹性元件的特性,称为弹性元件 的灵敏度,一般用S表示,其表达式为
S 1 dx C dF
(3-15)
从式(3-15)可以看出,灵敏度就是单位力作用下弹性元件 产生变形的大小,灵敏度大,表明弹性元件软,变形大。与刚 度相似,如果弹性特性是线性的,则灵敏度为一常数,若弹性 特性是非线性的,则灵敏度为一变数,即表示此弹性元件在弹
第3章 应变式传感器
3.3.2应变片电阻值
应变片的电阻值是指应变片没有粘贴且未受应变时, 在室温下测定的电阻值,即初始电阻值。金属电阻应变 片的电阻值已标准化,有一定的系列,如60Ω、120Ω、 250Ω、350Ω和1000Ω,其中以120Ω最为常用。
第3章 应变式传感器
3.3.3
当具有初始电阻值R的应变片粘贴于试件表面时,试件受力 引起的表面应变,将传递给应变片的敏感栅,使其产生电阻相
3.2.1 金属电阻应变片的种类
引线
覆盖层 基片
b
l 电 阻 丝式 敏 感 栅
图3-2 金属电阻应变片的结构
第3章 应变式传感器
-
第3章 应变式传感器
图 3 3 常 用 应 变 片 的 形为0.003~0.01mm电阻箔材,利用照 相制板或光刻腐蚀的方法,制成适用于各种需要的形状。
dR (1 2 E)
R
(3-11)
实验证明,πE比1+2μ大上百倍,所以1+2μ可以忽略,因而半导
dR
K R E
(3-12)
第3章 应变式传感器
优点:灵敏度高,比金属丝式高50~80倍、尺寸小,横向效 应小,动态响应好、精度高、易于微型化和集成化等。
缺点:温度系数大,应变时非线性比较严重,稳定性和可重复 性不如金属应变片。
第3章 应变式表传3-感1 器常用金属电阻丝材料的性能
第3章 应变式传感器
康铜是目前应用最广泛的应变丝材料,这是由于它有很多 优点:灵敏系数稳定性好,不但在弹性变形范围内能保持为常 数, 进入塑性变形范围内也基本上能保持为常数;康铜的电阻 温度系数较小且稳定,当采用合适的热处理工艺时,可使电阻 温度系数在±50×10-6/℃的范围内;康铜的加工性能好,易于 焊接, 因而国内外多以康铜作为应变丝材料。
l
(3-5)
式中, μ为电阻丝材料的泊松比是材料横向应变与纵向应变的 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, 负号表示应变方向相反。
第3章 应变式传感器
或
dR
d
R (1 2)
(3-7)
通常把单位应变能引起的电阻值变化称为电阻丝的灵敏系数。
其物理意义是单位应变所引起的电阻相对变化量,其表达式为
用应变片测量应变或应力时,根据上述特点,在外力作用
下,被测对象产生微小机械变形,应变片随着发生相同的变化,
同时应变片电阻值也发生相应变化。当测得应变片电阻值变化
量为ΔR时,便可得到被测对象的应变值, 根据应力与应变的
关系,得到应力值σ为
σ=E·ε
(3-13)
第3章 应变式传感器
3.2 应变片的种类、材料及粘贴
如图3 - 1所示,一根金属电阻丝,在其未受力时,原始电
阻值为
R l
A
(3-1)
第3章 应变式传感器
式中: ρ——电阻丝的电阻率; l——电阻丝的长度; A——电阻丝的截面积。
l
l
F
F
r
r
图3-1 金属电阻丝应变效应
第3章 应变式传感器
根据欧姆定律: R l A
dR R dL R dA R d L A
第3章 应变式传感器
t
l0
(a)
(b)
10 % tk
90% 100% tk= 0.8l0 /
(c)
图3-6 应变片对阶跃应变的响应特性 (a) 应变波为阶跃波; (b) 理论响应特性; (c) 实际响应特性
第3章 应变式传感器
由图可以看出上升时间tk(应变输出从10%上升到90%的最 大值所需时间)可表示为
dl
l
(3-3)
第3章 应变式传感器
dA/A——圆形电阻丝的截面积相对变化量,设r为电阻丝的半 径,微分后可得dA=2πr dr,则
dA 2 dr Ar
(3-4)
由材料力学可知,在弹性范围内,金属丝受拉力时,沿轴向伸 长, 沿径向缩短,那么轴向应变和径向应变的关系可表示为
dr dl
r
dR
d
R (1 2)
(3-9)
式中dρ/ρ为半导体应变片的电阻率相对变化量,其值与半导体
敏感元件在轴向所受的应变力有关,其关系为
d E
式中: π——半导体材料的压阻系数; σ——半导体材料的所受应变力; E——半导体材料的弹性模量; ε——
(3-10)
第3章 应变式传感器
将式(3-10)代入式(3-9)中得
第3章 应变式传感器
3.2.2 对电阻丝材料应有如下要求: ① 灵敏系数大, 且在相当大的应变范围内保持常数; ②ρ值大,即在同样长度、同样横截面积的电阻丝中具有较
大的电阻值; ③ 电阻温度系数小,否则因环境温度变化也会改变其阻值; ④ 与铜线的焊接性能好, 与其它金属的接触电势小; ⑤ 机械强度高, 具有优良的机械加工性能。
第3章 应变式传感器 3.3.4 横向效应
将直的电阻丝绕成敏感栅后,虽然长度不变,应变状态相同,但 由于应变片敏感栅的电阻变化减小,因而其灵敏系数K较整长电 阻丝的灵敏系数K0小,这种现象称为应变片的横向效应。
为了减小横向效应产生的测量误差,现在一般多采用箔式应 变片。
第3章 应变式传感器
3.3.6 应变片的动态响应特性
第3章 应变式传感器
第3章 应变式传感器
被测量⇒应变() ⇒电阻变化(R) 3.1 3.2 应变片的种类、 材料及粘贴 3.3 电阻应变片的特性 3.4 电阻应变片的测量电路 3.5 应变式传感器的应用
第3章 应变式传感器
3.1 工 作原理
电阻应变片的工作原理是基于应变效应,即导体或半导体 材料在外界力的作用下产生机械变形时,其电阻值相应发生变 化, 这种现象称为“应变效应”。
dR
d
K R 1 2
(3-8)
第3章 应变式传感器
灵敏系数K受两个因素影响:一个是应变片受力后材料几何
尺寸的变化, 即1+2μ;另一个是应变片受力后材料的电阻率发
生的变化, 即(dρ/ρ)/ε。对金属材料来说,电阻丝灵敏度系数
表达式中1+2μ的值要比(dρ/ρ)/ε大得多,而半导体材料的(dρ/ρ)/ε
第3章 应变式传感器
1. 刚度 刚度是弹性元件受外力作用下变形大小的量度,其定义是 弹性元件单位变形下所需要的力,用C表示,其数学表达式为
C lim F dF x dx
(3-14)
式中: F——作用在弹性元件上的外力,单位为牛顿(N) x——弹性元件所产生的变形,单位为毫米(mm)。
第3章 应变式传感器
第3章 应变式传感器
常用的粘结剂类型有硝化纤维素型、氰基丙稀酸型、聚酯 树脂型、环氧树脂型和酚醛树脂型等。