力传感器课件.ppt

R


l A


l
r2
当沿金属丝的长度方向作用均匀拉力（或压力）
时，上式中、r、l都将发生变化，从而导致电阻值R
发生变化。例如金属丝受拉时，l将变长、r变小，均
导致R变大；又如，某些半导体受拉时，将变大，导
致R变大。 实验证明，电阻丝及应变片的电阻相对变化量
R R与材料力学中的轴向应变x的关系在很大范围
(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 。
(3)测量 ：从分开的端
子处，预先用万用表测 量应变片的电阻，发现 端子折断和坏的应变片。
(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。
为此需要把两个或三个应变片逐个粘 结成应变花，或直接通过光刻技术制成。
应变花分互成45°的直角形应变花和 互成60°的等角形应变花两种基本形式。
应变花的基本形式
a—丝式应变花；b—箔式应变花
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
金属电阻丝应变效应
第4章 力传感器
4.1 弹性敏感元件 4.2 应变式电阻传感器 4.3 压阻式压力传感器
力是物理基本量之一，因此各种动态、 静态力的大小的测量十分重要。
力的测量需要通过力传感器间接完成， 力传感器是将各种力学量转换为电信号的 器件。
F 力敏感 元件
转换 元件
显示 设备
力传感器的测量示意图
3.1 弹性敏感元件 弹性敏感元件把力或压力转换成了应变
金属电阻应变片分体型和薄膜型。属于体型的 有电阻丝栅应变片、箔式应变片、应变花等。
半导体应变片是用锗或硅等半导体材料作为敏 感栅。
半导体应变片及金属丝 式应变片的结构
金属丝式应变片的 内部结构
半导体应变 片外形
箔式应变片的外形
在平面力场中，为测量某一点上主应 力的大小和方向，常需测量该点上两个或 三个方向的应变。
生变形的大小，在弹性力学中称为弹性元件的柔 度。它是刚度的倒数，用K表示。
K dx dF
3. 弹性滞后
实际的弹性元件在加\卸载的正反行程中 变形曲线是不重合的,这种现象称为弹性滞后 现象,它会给测量带来误差。
4. 弹性后效
当载荷从某一数值变化到另一数值时,弹 性元件变形不是立即完成相应的变形，而是 经一定的时间间隔逐渐完成变形的，这种现 象称为弹性后效。
内是线性的，即
R R

Kx
2-1
K—电阻应变片的灵敏度
3. 测量电路——不平衡电桥
UO

Ui
4
( R1 R1

R 2 R2

R 3 R3

R 4 ) R4
由于 R R K
∴
Uo

Ui 4
K (1
2
3
4)
根据应用要求的不同，可接入不同数目的电阻应 变片，一般分为下面几种形式的电桥：
一些变换力的弹性敏感元件形状
2 .变换压力的弹性敏感元件 （1）弹簧管
变换压力的弹性敏感元件
(a)弹簧管；(b)波纹管；(c)等截面薄板；(d)膜盒；(e)薄壁圆筒；(f)薄壁半球
（2）波纹管 波纹管是有许多同心环状皱纹的薄壁圆管.
（3）波纹膜片和膜盒 平膜片在压力或力作用下位移量小，因而常把
电桥电路可分为单臂、双臂和全桥工作方式。
1单臂电桥
单臂电桥：如右图所示，R1为 电阻应变片，R2、R3、R4为固 定电阻。
UO

Ui
4
R 1 R1

Ui
4
K1
单臂电桥
双臂电桥
双臂电桥：如右图所示，R1、 R2为应变片，R3、R4为固定电 阻。应变片R1、R2感受到的应 变1、2以及产生的电阻增量 正负号相间，可以使输出电压
5. 固有振荡频率
弹性敏感元件都有自己的固有振荡频率f0， 它将影响传感器的动态特性。
传感器的工作频率应避开弹性敏感元件的 固有振荡频率。
往往希望f0较高。
3.1.2 弹性敏感元件的分类 弹性敏感元件在形式上可分为两大类：
变换力的弹性敏感元件。 变换压力的弹性敏感元件。
1.变换力的弹性敏感元件 有： （1）等截面圆柱式 （2）圆环式 （3）等截面薄板式 （4）悬臂梁式 （5）扭转轴
Uo成倍地增大。
UO

Ui 4
( R1 R1

R2 ) R2

Ui 4
K (1
2)
（3-2）
双臂电桥
四臂全桥
全桥电桥：如右图所示，全桥 的四个桥臂都为应变片，如果 设法使试件受力后，应变片 R1 ～ R4产生的电阻增量（或 感受到的应变1 ～ 4）正负号 相间，就可以使输出电压Uo成 倍地增大。
UO

U i ( R1 4 R1

R 2 R2

R 3 R3

R 4 ) R4

Fra Baidu bibliotek
Ui
*
R R
3.2.2 应变式电阻传感器使用注意事项
1.应变片的粘贴：
(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。
平膜片加工制成具有环状同心波纹的圆形薄膜，这 就是波纹膜片。
波纹管膜片波纹的形状
（4）薄壁圆筒 薄壁圆筒的壁厚一般小于圆筒直径的二十分
之一。 薄壁圆筒弹性敏感元件的灵敏度取决于圆筒
的半径和壁厚，与圆筒长度无关。
薄壁圆筒弹性敏感元件的结构
3.2 电阻应变片传感器
电阻应变片的分类
电阻应变片主要分为金属电阻应变片和半导体 应变片两类。
3.2.1 电阻应变片的结构及工作原理
1.结构
电阻应变片（简称应变片）的作用是把导体的 机械应变转换成电阻应变，以便进一步电测。
电阻应变片的结构
2.应变效应
金属和半导体材料的电阻值随它承受的机械变 形大小而发生变化的现象就称为“应变效应”。
应变片的工作原理
设有一长度为l、截面积为A、半径为r 、电阻 率为 的金属单丝，它的电阻值R可表示为、、
或位移，然后再由传感器将应变或位移转 换成电信号。
弹性敏感元件是一个非常重要的传感器 部件，应具有：
良好的弹性 足够的精度 应保证长期使用和温度变化时的稳定性。
3.1.1 弹性敏感元件的特性
1. 刚度 刚度是弹性元件在外力作用下变形大小的量度,
一般用k表示。
k dF dx
2. 灵敏度 灵敏度是指弹性敏感元件在单位力作用下产