工程实验力学第7章 电阻应变式传感器

在有负载时，电桥的输出灵敏度随温度的变化而变化的现象， 称为灵敏度漂移(简称动漂)。由于传感器采用弹性元件，存在 因温度改变而引起传感器灵敏度变化的问题。这是由于弹性元 件材料的弹性模量E及应变计灵敏系数K随温度改变所致。在通 常情况下，当温度升高时，弹性模量E要减少，如果外力不变， 则应变ε要增加，电桥输出要增加，传感器的灵敏度变大。
7.1.2 传感器的设计
1.弹性元件结构的设计原则 2.弹性元件材料的选择 3.应变计的选择与粘贴
1.弹性元件结构的设计原则
1)结构简单。 2)有很好的刚性。 3)结构的整体性好。 4)弹性元件对作用力位置的变化和干扰力的影响不敏感。 5)弹性元件有效工作区应有良好的线性。 6)弹性元件有效工作区应具有最大应变值。 7)工作区的最佳额定应变值。 8)弹性元件工作区的工艺性能好。 9)弹性元件自身具有过载保护能力或便于设置过载保护装置。 10)安装方便，互换性好。
7.1.5 传感器的电路补偿
1.初始不平衡补偿 2.零点漂移补偿 3.灵敏度漂移补偿 4.非线性补偿 5.输出灵敏度补偿
7.1.5 传感器的电路补偿
图7-1 传感器的补偿电路
1.初始不平衡补偿
在应变计测量电桥中，只有当R1R4=R2R3时，电桥才会平衡。 但各桥臂中的应变计的阻值总会存在一定的偏差，使得电桥不 平衡，这时可以在桥臂中串联电阻Rz进行补偿，使电桥平衡(图 7-1)。 串联电阻Rz的材料应与应变计敏感栅的材料相同，且粘贴在弹 性元件非变形的部位上。串联电阻Rz的位置，根据实际工作情 况选择合适的桥臂。
2.弹性元件材料的选择
传感器弹性元件的材料应具有高强度、高弹性极限、低弹性模 量、稳定的物理性质以及良好的机械加工和热处理性能。常用 的材料有：合金钢40Cr、35CrMnSiA、50CrMnA、50CrVA、40 CrNiMoA、65Si2MnWA、铍青铜QBe2、硬铝LY12及超硬铝LC 4等。对性能要求不太高的传感器，也可以用优质碳素钢，如4 5钢。 弹性元件在加工过程中与加工以后，必须按一定规范进行热处 理及载荷处理，以提高弹性极限、消除残余应力、减小材料本 身的滞后和蠕变，达到较高的长期工作的稳定性。
7.1.4 供桥电压的选择
供桥电压低时，读数应变小，测量的灵敏度低。供桥电压过高 时，虽然读数应变增大，但会使应变计工作性能变坏，滞后和 蠕变增大，并产生很大的零点漂移。为了使得测试工作能够得 到满意的效果，应选择最佳的供桥电压。影响最佳供桥电压数 值的因素有应变计的型式、敏感栅的面积和电阻值、试件和弹 性元件的散热能力、环境温度等。
工程实验力学
第7章 电阻应变式传感器
7.1 基本原理 7.2 测力传感器 7.3 扭矩传感器 7.4 压力传感器 7.5 位移传感器 7.6 加速度传感器
7.1 基本原理
7.1.1 7.1.2 7.1.3 7.1.4 7.1.5
传感器的构造与原理 传感器的设计 传感器的标定 供桥电压的选择 传感器的电路补偿
4.非线性补偿
1)弹性元件受力后，横断面产生变化，使得读数应变与作用力 不呈线性关系。 2)电桥电路的输出与桥臂电阻变化存在的非线性。 3)应变计本身的非线性。 4)弹性元件本身存在的非线性。 5)电桥线路中接入RE、RS，使输出有逐渐的非线性。
4.非线性补偿
图7-2 非线性补偿
5.输出灵敏度补偿
对于成批生产的传感器，总希望输出灵敏度相同，并为一特定 值。这时可在电桥的电源电路中串入补偿电阻RS，RS采用电 阻温度系数小的材料制成，调整其电阻值使得输出灵敏度相同。 为了使电桥对称，RS在电源两端各串接一半。
7.1.1 传感器的构造与原理
以电阻应变计为转换元件的电阻应变式传感器，主要由弹性元 件和粘贴于其上的电阻应变计构成。其工作原理是，由于被测 物理量(如载荷、位移、压力等)能够在弹性元件上产生弹性变 形(应变)，而粘贴在弹性元件表面的电阻应变计可以将感受到 弹性变形转变成电阻的变化，这样电阻应变式传感器就将被测 物理量的变化转换成电信号的变化。 传感器中感受被测物理量的弹性元件是其关键部分，结构形式 有多样，旨在提高感受被测物理量的灵敏性和稳定性。常用的 弹性元件的结构形式有：受拉压的直杆、受弯曲的梁、受扭转 的圆轴、受均布压力的薄圆板、受内压的圆筒、受径向载荷的 圆环以及受轴向载荷的剪切轮辐式结构等。
3.应变计的选择与粘贴
对一次性使用或短期使用的传感器，其应变计的选择及粘贴可 以和通常的应变测量相同。对反复使用或长期连续使用的传感 器，一般应选择高质量、高稳定性的箔式应变计，采用热固化 的粘合剂进行粘贴，同时，对粘贴工艺的质量应严格控制，并 且应覆盖良好的防护层。
7百度文库1.3 传感器的标定
标定要在下列条件下进行： 1)标定时传感器的加载情况与实测条件应一致，使用工作环境 也应注明。 2)标准量的精度必须比所需标定的传感器的精度高一级。 3)测试仪器同样应高于传感器所要求的精度的3～5倍。 4)标定过程中，为了减少滞后误差，一般要在满量程(最大载荷) 下反复加载、卸载3～5次，然后将额定量程(或额定载荷)分成 5～10级加、卸载，并读取相应的数值，至少连续三次取值， 再取平均值，制成图或表供实际使用。
2.零点漂移补偿
一般传感器中都有初步的温度补偿措施，如利用桥臂特性进行 补偿，采用温度自补偿应变计等。但由于电阻应变计的特性不 完全相同，弹性元件各处的材料性能存在差别，当温度变化时， 电桥仍会有输出，造成测量误差。这种当温度变化，电桥产生 输出的现象，称为零点漂移(简称零漂)。
3.灵敏度漂移补偿
7.1.3 传感器的标定
传感器精度的性能指标，一般用如下三个典型技术指标来表示： (1)非线性 在传感器的标定曲线图(即输入(载荷)-输出(电压或 应变)特性曲线图)中，标定曲线与理论直线(连接零点与额定载 荷对应点所做的直线)的最大输出偏差与额定载荷下输出值之比， 即表示非线性度。 (2)滞后 载荷从零增至额定值，然后回到零，在输出的特性曲 线上，上升时输出和下降时输出之间的最大偏差与额定值之比 称之为滞后。 (3)重复性 在同一工作条件下，按同一方式，做数次(三次以 上)加载至额定值时，特性曲线的一致性。