应变片式传感器

传感器的电路补偿
• 1、初始不平衡补偿：可通过 串接RZ进行补偿，使电桥平衡。 其大小、串接在哪个桥臂根据 实际来选择。 • 2、零点漂移补偿：影响零点 漂移的因素很多，主要是温度 发生改变引起的，可在某一桥 臂上串接一阻值小、电阻温度 系数高的电阻Rt。Rt 串接在哪 个桥臂及它的大小，因根据实 际工况通过试验确定。
•
•
现在：
元件。
已发展成为多功能、智能化的信息测量
二、传感器的构造原理
• 电阻应变片可以将试件应变转还成电阻变 化，用应变仪进行应变测量。 • 任何物理量只要能设法转变为应变，都可 以利用应变片进行间接测量。 • 利用电阻应变计测量应变的原理制成电阻 应变计式传感器。
优点：
• 测量精度高0.5％～0.1％， • 测量范围广， • 输出特性线性好，
各种应变计式传感器
•测力传感器：弹性元件有梁式、杆式、环 式、剪切轮辐式、SBaidu Nhomakorabea双连孔式、板环式、 多孔框架式等。 •压强传感器：膜片式、筒式等。 •位移传感器： 梁式、弓形等。 * 加速度传感器：梁式等。 * 多分力传感器：2、3、4、5、6分力（3 力、3力矩），机械加工切削力，风洞天平 ，体育运动多维测力传感器。
P
P*L0
P/2
P*L0/2
L0
P/2
• 将S型双连孔传感器弹性体简化为双梁,两端固 定,受力P时,每根梁承受P/2.
E
max max
E
max
M W
bh 2 W 6
max
M 6( P / 2)e WE bh 2 E
e (l0 r )

3 P (l0 r ) Ebh 2
说明
• 图(c)是两端固定支梁，应变片 贴在应变最大的中心部位，在 上下表面各贴两片。这种结构 当梁受力过载时容易产生非线 性误差.梁和壳体一般是做成一 体,避免两固定端在工作过程中 可能滑动而产生误差
• 图(d)是等强度悬臂梁，在梁的 上下表面各贴两片应变片，上 表面的应变片为拉应变，下表 面的应变片为压应变，四个应 变片组成全桥差动结构。这种 传感器具有结构简单、加工容 易、应变片容易粘贴、灵敏度 度较高等特点.
弹性元件的制造工艺
• 电火花钼丝加工和电解加工
• 热处理消除残余应力
• • • • • 退火－便于切削加工，减少弹性元件表面的加工应力 粗加工－ 热处理－提高强度，减少滞后和蠕变，增加稳定性 精加工 －时效处理：消除残余应力
非弹性效应特性
• • • • 非线性和滞后； 弹性模量随温度变化； 热膨胀系数； 自振频率
• 3、灵敏度漂移补偿：温度升 高，一般传感器的灵敏度变 大。可加一温度系数很高的 可调电阻RE来补偿。 • 4 、非线性补偿：可通过半导 体应变片RL来实现，RL它感 受弹性元件的变形，灵敏系 数可选为正或负。其阻值应 在标定时确定。 • 5、输出灵敏度补偿：成批生 产时希望灵敏度相同，并为 一特定值。可在电桥的电源 电路中串入一电阻温度系数 小的RS，调整其阻值，可使得 输出灵敏度相同。 • 为了使电桥对称，这些电阻 在电源两端各串接一半。
传感器的应变片接桥
• 全桥 • • 每一桥臂为单片或者多片串联 • • 提高灵敏度，并有温度补偿效果。
圆筒式弹性元件的设计
满 量 程 9.8 K N
d1 P
d2
弹性元件材料
• • • • • • 40CrNiMo 强度极限1100MPa 比例极限800MPa 弹性模量210GPa 泊桑比0.29 电阻应变敏感元件采用应变片,为 了减小应变片胶层的蠕变和漂移. 选择额定许用应变 =1000
简单拉压杆柱式弹性元件的力 学变换
P
应变场有 足够大的 均匀区域.
P
R3 R4
R1 L d2
R2
L=(3-5)D
d1
D
截面积的计算
P A
E[ ]
P 9.8*1000 A 6 9 E[ ] 1000 *10 * 210 *10 0.467 *10 m
4 2
d1 不能太小,否则容易偏心
传感器主要由弹性元件(或称敏感元件)、粘贴在弹 性元件上的应变片和壳体所组成。当外力作用于 弹性元件上时，弹性元件产生变形，应变片跟随 产生应变，由此引起应变片的电阻也发生相应的 变化。 • 如将该应变片接入测量电桥线路中，就可把电阻 的变化转变成电桥输出电压或电流的变化，再用 记录仪把这个电量的变化记录下来，这样就实现 了被测力通过传感器转换成为电参量的测量，这 就是电阻应变式传感器的一般工作原理。
传感器的标定
• 同一类型的传感器，常因弹性元件的加工和应变计工 作特性指标的差异，以及其他原因，输出往往不同。 因此传感器制成以后，必须经过严格的标定。 • ⑴ 标定时加载与实测条件一致。使用工作环境也应注 明。 • ⑵ 标定设备的精度必须比所需标定的传感器的精度高 一级。 • ⑶ 标定过程中，为了减少滞后误差，一般要在满量程 下加、卸载3~5次，然后额定量程分成5~10加、卸载， 至少连续三次取值，再取平均值。
第七章 电阻应变片式传感器
利用弹性材料受力变形的物理特性实现 物理量变换的传感器－－应变式传感器
一、电阻应变式传感器的发展历史
• 1944年： • 1950年： 粘贴式电阻应变传感器 箔式电阻应变传感器
• 1960－1980：补偿技术、设计、密封技术 • 初始不平衡 零点漂移 灵敏度漂移 非线性漂移补偿等
位移传感器
R1 R2 a P b h
h b a l
在静位移的测试中，利用刚度极小的弹性元件感受位移 的变化。
材料力学原理
bh Pl I f 3EI 12 3ah f 3
3
2
E
2l
如果x=l 组成全桥，
6ah 读 4 3 f l 读l 3 f 6ah
应变式加速度传感器的原理图
悬臂弯曲等截面梁的设计
可 以 消 除 P 力 作 用 点 的 误 差
Ra
Rb
P h
b
e a1
a2
R1
R2
P
R3
e a2
R4
a1
实际上测量剪力Q,
Ma Mb a b M PQ EW X a1 a2 e Ra Rb EW EW ( ) ( Ra Rb ) Ra Rb eK eKR ( Ra Rb ) * 常数
贴片说明
• 对于 圆柱或圆筒 断面，通常在贴片断面 处沿圆周方向每隔90 度或45度贴一片竖 向片和横向片，相间隔； • 对于 薄壁圆环 ，通常贴在对称的B-B断 面的内外表面方向顺圆周
贴片说明
• 对于 悬臂梁 ，如果是等强度梁，则在梁 的任意便于贴片的断面上沿梁的长度方 向上下各贴一片或两片， • 对于两端固定梁，则在中间加力的位置 上下沿长度方向贴片。
传感器一般特性指标
A.静态特性
a. 线性度， b.滞后， c. 重复性， d. 灵敏度， e. 零漂、蠕变。 B.动态特性（对于测量动态信号的传感器） a. 幅频特性，b. 相频特性。
传感器的综合技术指标：
• • • • 额定容量――测量范围的上限； 过载荷：容许过载率和极限过载率； 工作温度范围； 额定输出电压；频率响应；非线性;蠕变； 温度对零点的影响；温度对输出灵敏度 的影响；重复性
• 性能稳定，
• 工作可靠。
电阻应变计式传感器 组成
• 应变片 • 弹性元件 • 附件（补偿元件、防护罩、接线插 座、加载件）。
三、电阻应变式传感器的分类
• • • • • • • 测力传感器 称重传感器 扭距传感器 压力传感器 位移传感器及引伸计 振动（加速度）传感器 其它力学量传感器
电阻应变式传感器的 一般工作原理
如果桥压10V,应变片的灵敏系数为 K=2,
每伏桥压的输出（满量程）
S 型双连孔测力传感器
E
F
I
H
注：片1、3拉应变 片2、4压应变
• 四个应变片粘贴在截面最小处,应变最大 处,而且整个弹性元件上不存在应力集中 处 • EF IH易于变形 EI FH很刚硬
YZ101系列是一种S型结构的负荷传感器， 拉压均可使用。是一种结构设计上别具 特色的双复梁传感器，由于应变部位的 独到设计使其具有很高的过载能力和很 高的精度。
悬臂梁式传感器的原理
• 当自由端产生挠度时,悬臂梁表面的应变 电桥就有输出.
悬臂弯曲等截面梁的设计 （1）、压力传感器
R1,2 P h e R3,4 b
6 P (l e) 2 bh
6 P (l e) 2 Ebh
2
力P与输出指示应变的关系
Ebh P i 24(l e)
悬臂弯曲等截面梁的传感器适用于： 较小载荷情况
剪切式弹性元件
F
R2(R4)
R1(R3)
R3 R4
R1 R2
利用R1、 R2 、R3、 R4组全桥，可得力F与读数应变的关系式为：
F F
bhG 3
d
可得力F与B、D间的U0关系式为：
4 bhG 3U AC K
U0
剪切式弹性元件，在制作大量程的力传感器中应用广泛。
弹性元件材料选用和加工：
• 具有高的强度极限和高的弹 性极限、滞后小、弹性模量 恒定及其良好的机械加工和 热处理性能。
弹性元件的材料的选用
• 常用的材料有： • 合金钢40Cr、35CrMnSiA、50CrVA、 40CrNiMoA、50 CrVA、40CrNiMoA、 65Si2MnWA、 铍青铜QBe2、硬铝 LY12及超硬铝LC4等。对性能要求不太 高的传感器，也可用45钢。 •
传感器的设计
• 主要是弹性元件的设计 • 弹性元件设计一般需进行强度、刚 度和自振频率的计算。
设计要求：
• 为保证传感器有较大的灵敏度，要求， 弹性元件粘贴应变片的位置有大的应变 量； • 弹性元件的应力不超过屈服极限，要求 安全； • 不能影响被测及其的原有工作状态；设 计紧凑能粘贴应变片； • 进行动态测量时要对传感器进行动态特 性试验。
稳定性校核
lim
Et 1 2 (d1 d2 ) 3(1 ) 2
9049MPa
在超过满量程150%情况下,弹性元件截面中的应力 为:
1.5 P 334MPa A
不会出现失稳
输出量的计算
• 满量程下的轴向应变:

P 1 2 2 (d 1 d 2 ) E 4
1061
传感器的设计原则
1. 结构简单 2. 材料有很好的刚性 3. 结构的整体性好 4. 对作用力位置的变化和干扰力的影响不敏感 5. 弹性体有效工作区应有良好的线性 6. 弹性体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. 弹性体工作区的工艺性能好 9. 弹性体自身具有过载保护能力 10.安装方便、互换性好
质量块m 悬臂梁 (长度=L) 应变片
外壳
基底
应变式加速度传感器
选择
d1 =1.5cm的 空心管外径. 2 2 A (d 1 d 2 ) 4
d2 d
2 1
4

A 1.29cm
选用d2 1.3cm
空心管的壁厚度t 0.1cm
柱高h及其它尺寸的确定
• 为防止失稳,h尽可能小,但是必须能够反映 截面应变的平均值. • 取
h 2d1
供桥电压的选择
经验公式：
u0 2 RPg' Fg
R-应变计的电阻；Fg为敏感 栅的面积；Pg’为敏感栅上的 功率密度。
电阻应变式力传感器原理图
圆柱
环式
两端固定梁式
悬臂梁式
说明
• 图(a)是柱形，可以是圆柱， 也可以是方柱；弹性体分实 心和空心两种,实心圆柱可 承受较大负荷,空心圆筒横 向刚度大,稳定性好. • 图(b)是弹性环，应变片贴在 弯矩较大处的内外表面。在 外力作用下,各点的应力差 别较大.线性误差和滞后误 差较小.
U 1 K ( ( ) ( )) U 4 1 K 2 (1 ) 4
B
A
C
U
U
D
电桥的指示应变
i 2 (1 ) 2737*10
U U K i 13.69mV 4 U S 1.369mV / V U
6
传感器的输出电压
U 1 K (1 ( 1 ) 1 (1 )) U 4 K 1
3P(l0 r ) U K 1U KU 2 Ebh
传感器的输出灵敏度
U 3P (l0 r ) S K 2 U Ebh
S 型双连孔测力传感器的适用： 10N-1000N的测力与称重