Transcript 2.第二讲应变式传感器
河 南 工 业 职 业 技 术 学 院 电 气 工 程 系 第二讲 应变式传感器 一、电阻应变片 二、转换电路 三、应变式传感器 第二讲 应变式传感器 应变式传感器是根据应变原理，通过应变片和弹性元 件将机械构件的应变或应力转换为电阻的微小变化再进行 电量测量的装置。其基本构成如下框图所示。 图2-2-1 应变式传感器原理框图 应变式传感器广泛应用于应变、荷重、压力和加速 度等机械量的测量。 一、电阻应变片 1、应变效应与电阻应变片的工作原理 导体在外界力的作用下产生机械变形时，其电阻值亦 将随之发生变化，这种现象称为应变效应。 R (1 2 ) l k l R 式（2-2-1） μ为金属电阻丝的泊松比，对于金属电阻材料，k=2。 对于半导体材料，在某一晶向受应力σ作用时， 其电阻率将产生较大变化，而几何尺寸变化很小，这 种现象称为压阻效应。相应的，半导体应变电阻也常 称为压阻元件。半导体材料压阻效应的表达式为 R l l E l k l高于金属材料 R 式（2-2-2） 2、电阻应变片的类型与结构 1）类型： 金属电阻应变片：丝式、箔式和薄膜式 半导体应变片：体型、薄膜型和扩散型 2）结构 金属电阻应变片的类型和结构如下图所示，它由敏感 栅粘贴在基底上，上面覆盖保护层构成。基底有纸基和胶 基两种。 应变片的纵向尺寸为工作长度，反映被测应变，其横 向应变将造成测量误差。 ¸²¸Ç²ã » ùƬ b Òý Ïß l µç×è˿ʽÃô ¸ÐÕ¤ 图2-2-2 金属电阻应变片的类型和结构 3、应变片主要技术指标 参数名称 电阻值 / 灵敏度 电阻温度 系数 / （1/C） 极限工作 温度 / C 最大工作 电流 / mA PZ-120型 120 1.92.1 2010-6 -1040 20 PJ-120型 120 1.92.1 2010-6 -1040 20 BX-200型 200 1.92.2 -3060 25 BA-120型 120 1.92.2 — -30200 25 BB-350型 350 1.92.2 — -30170 25 PBD-1K型 1000+10% 140+5% 0.4% 60 15 PBD-120型 120+10% 120+5% 0.2% 60 25 — 4、应变片主要技术指标（续） 1）几何参数：表距 l 和丝栅宽度b，制造厂常用 b× l 表示。 2）电阻值：应变计的原始电阻值。 3）灵敏系数：表示应变计变换性能的重要参数。 4）其它表示应变计性能的参数（工作温度、滞后、 蠕变、零漂以及疲劳寿命、横向灵敏度等）。 5、金属电阻应变片的材料 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。 6、应变片的使用 （1）应变片的选择 主要考虑尺寸、初始电阻、 绝缘电阻及允许工作电流。 （2）应变片粘贴 应变片的粘合剂的种类很多， 要根据基片材料、工作温度、潮湿程度、稳定性， 是否加温加压以及粘贴时间等多种因素合理选择 粘合剂。应变片的粘贴工艺包括： 1）试件的表面处理。清洁 2）确定贴片位置。在试件应变最大的部位。 3）粘贴。清洗试件表面和应变片的底面, 涂敷粘 合剂，将应变片贴在确定的位置处。贴片后，在 应变片上盖上一张玻璃纸并加压，排出多余的胶 水和气泡。 4）固化。 5）粘贴质量检查。 6）引线的焊接与防护。 二、转换电路 电阻式传感器可以用直流电桥或交流电桥作为转换电路。 图2-2-3 常用电桥电路 a）单臂 b）双臂 c）全桥 d)交流电桥 1、直流电桥的输出电压 图2-2-4 最简单的直流电桥电路 在略去分母△R一次项和分子△R二次项并整理后，全桥的 输出电压表示为： U i R1 R2 R3 R4 Uo ≈ ( ) 4 R1 R2 R3 R4 式（2-2-3） 2、直流电桥的工作方式 (1)半桥单臂工作方式 如图2-2-3a）所示，R1为变量， 其余各臂为固定电阻，则输出电压变为 U i R1 Uo ≈ 4 R1 式（2-2-4） (2)半桥双臂工作方式 如图2-3b）所示，R1、R2均 为变量，R3、R4为固定电阻，则输出电压变为 U i R1 R2 Uo ≈ ( ) 4 R1 R2 式（2-2-5） (3)差动工作方式： 为了减小和克服非线性误差，常采用差动电桥如图2-2-3所示， 在 试件上安装两个工作应变片，一个受拉应变，一个受压应变， 接入电 桥相邻桥臂，称为半桥差动电路， 如图2-2-3b) 所示。 ΔR1=ΔR2， R1=R2，R3=R4， 为半桥双臂电桥，其输出电压为: 全对称电桥: 半桥双臂 : U i R1 Uo ≈ 2 R1 式（2-2-6） R1 U o ≈U i R1 式（2-2-7） 可见相邻桥臂间为相减关系，相对桥臂间为相加关系。 因此构成差动电桥的条件为：相邻桥臂传感器应变方向应 相反，相对桥臂传感器应变方向应相同。如果桥臂传感器 应变量相等，则此电桥称为对称电桥。 3、直流电桥的温度补偿 1）差动电桥无非线性误差，而且电桥电压灵敏度是单 臂工作时的两倍，同时还具有温度补偿作用。 2）全桥差动电路不仅没有非线性误差，而且电压 灵敏度为单片工作时的4倍，同时仍具有温度补偿 作用。 3）可以用热敏电阻进行温度补偿。 4、直流电桥的平衡调节 电桥平衡条件：R1/R2=R4/R3 调节RP，最终可以使 R1/R2=R4/R3（ R1、R2是R1、 R2并联RP后的等效电阻），电 桥趋于平衡，Uo被预调到零位， 这一过程称为调零。图中的R5 是用于减小调节范围的限流电 阻。 图2-2-5 直流电桥的调零 5、电阻应变仪 下图所示的静态应变仪测量范围：±19999με； 分辨率： 1με；电桥电压：直流2.5V； 应变片：120Ω或其他阻值； 测量点数：8/16点； 四、交流电桥 根据直流电桥分析可知，由于应变电桥输出电压很小， 一般都要加放大器，而直流放大器易于产生零漂，因此应变 电桥多采用交流电桥。交流电桥的应用更为广泛。直流电桥 只用于较大应变的测量，交流电桥可用于各种应变的测量。 图2-2-3d) 交流电桥的一般形式，Ui 为交流电压源， 由于 供桥电源为交流电源，引线分布电容使得桥臂应变片呈现复阻 抗特性，即相当于应变片各并联了一个电容。 对这种交流电容电桥, 除要满足电阻平衡条件外, 还必须 满足电容平衡条件。为此在桥路上除设有电阻平衡调节外还设 有电容平衡调节。电桥平衡调节电路如图 2-2-3d) 所示。 1、交流电桥的输出电压 如图2-2-6所示， 交流电桥的输出电 压是一个调幅信号， 其载波是电桥的激 励电源，幅度受桥 臂变化信号调制， 当调制信号极性改 变时，调幅信号相 位反转180°。 图2-2-6 交流电桥的调幅特性 2、二极管相敏检波电路 T1的一次侧 输入调幅波ui，T2 的一次侧输入参 考电压ur，ur可直 接取自载波，它 与ui频率相同， 相位相同或相反， 比ui幅度大3～5 倍。变压器的极 性标定如图所示。 图2-2-7 二极管相敏检波电路 具体分析： A.当调制信号为正时，ui与载波相位相同，故ur 与ui相位也相同。 1)在ui的正半周时， ur给二极管VD3、 VD4正向偏置使之 导通，给VD1、VD2 反向偏置使之截止。 信号路径如→所示。 电流上正下负 2)在ui的负半周时，ur使VD1、VD2导通， VD3、 VD4 截止。信号路径如→所示。 电流仍为上正下负 B.当调制信号为负时，ui与载波相位相反，故ur 与ui相位也相反。 1)在ui的正半周时， ur为负，VD1、VD2 导通，VD3、VD4截 止。信号路径如→ 所示。 电流上负下正 2)在ui的负半周时， ur为正，VD3、VD4 导通，VD1、VD2截 止。信号路径如→ 所示。 电流仍为上负下正 相敏检波的特点： 1）相敏检波输出信号的极性与调制信号极性相同，即能 识别方向； 2）相敏检波输出信号的幅值与调制信号的幅值相同，即 能表示被测值； 3）相敏检波输出信号的频率等于载波频率的二倍。因此， 只要在相敏检波后加入适当的低通滤波器，便可得到调制波信 号。如果测量装置频率响应较低，如磁电式电流表，也可不需 加滤波器。 五、应变式传感器 电阻应变式传感器是利用电阻应变片将应变 转换为电阻变化的传感器, 传感器由在弹性元件 上粘贴电阻应变敏感元件构成。 当被测物理量作 用在弹性元件上时, 弹性元件的变形引起应变敏 感元件的阻值变化, 通过转换电路将其转变成电 量输出, 电量变化的大小反映了被测物理量的大 小。 应变式电阻传感器是 目前测量力、力矩、 压 力、加速度、重量等参数 应用最广泛的传感器。 1、应变式力传感器 应变式力传感器主要作为各种电子秤(约 占90％)和材料试验机的测力元件，或用于发 动机的推力测试等。根据弹性元件的不同形状， 可以制成柱式、环式和梁式等荷重和力的传感 器。 应变式力传感器 F F F F F 应变式荷重传感器的外形 及应变片的粘贴位置 R4 R1 R 2 GX-1型悬臂梁称重传感器，结构外形如图所示。 汽 车 衡 汽车衡称重系统 2、应变式压力传感器 应变式压力传感器主要用来测量流动介质的 动态或静态压力。如动力管道设备的进出口气体 或液体的压力、发动机内部的压力变化, 枪管及 炮管内部的压力、内燃机管道压力等。应变片压 力传感器大多采用膜片式或筒式弹性元件。应变 式压力传感器的测量范围在104～107Pa之间。 图 2-2-8 所示为膜片式压力传感器, 应变片 贴在膜片内壁, 在压力p作用下, 膜片产生径向应 变εr和切向应变ετ。 A）应变变化图 B）应变片粘贴 图2-2-8 膜片式压力传感器 筒式压力传感器 筒式压力传感器 见右图，通常用于测 量较大的压力。它的 一端为盲孔，另一端 为法兰与被测系统联 接。应变片贴于筒的 外表面，工作片贴于 空心部分，补偿片贴 在实心部分。 压阻式压力传感器 压阻式压力传感器是基于半导体材料(单晶 硅)的压阻效应原理制成的传感器，就是利用集 成电路工艺直接在硅平膜片上按一定晶向制成 扩散压敏电阻，当硅膜片受压时，膜片的变形 将使扩散电阻的阻值发生变化。硅平膜片上的 扩散电阻通常构成桥式测量电路，相对的桥臂 电阻是对称布置的，电阻变化时，电桥输出电 压与膜片所受压力成对应关系。 图2-2-9为一种压 阻式压力传感器的结构 示意图，硅平膜片在圆 形硅杯的底部，其两边 有两个压力腔，分别输 入被测差压或被测压力 与参考压力。高压腔接 被测压力，低压腔与大 气连通或接参考压力。 图2-2-9 压阻式压力传感器