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第41章 电阻式传感器 共101页_图文


4.1电阻式传感器

电阻式: 物理量变化

传感元件

电阻变化

(电位计) 属于大电阻变化型,R:0—R传

应变式: 物理量变化

敏感元件

传感元件

变形

电阻变化

(应力、应变)

属于微电阻变化型,R:0—20%R传

电位计式传感器的优、缺点:
优点: 结构简单、尺寸小、重量轻、精度高(0.1%?0.05%)、性能稳定、受环境因
素影响小,可实现输出-输入任意函数关系,输出信号较大,一般不用放大。 缺点:
存在滑动触头与线圈等之间的摩擦,输入能量要求较大,且磨损降低寿命 和可靠性,也会降低测量精度。

电位计分类
按输出-输入特性

线性电位计 非线性电位计

按结构形式

线绕式—在传感器中应用较多 薄膜式—具有较高的精度和线性特性 光电式—无摩擦和磨损,分辨率高

变阻器式传感器产品

案例:重量的自动检测--配料设备

原材料

原理:弹簧->力->位移 ->电位器->电阻

比较
重量设定

案例:煤气包储量检测

钢丝

煤气包

原理:钢丝->收线圈数

->电位器

->电阻

4.1金属应变片式传感器

★一、金属丝式应变片 ★二、金属箔式应变片 ★三、测量电路 ★四、应变式传感器

★应变效应 结构与材料 ★主要特性 温度误差及系数

? 基本原理——将被测物理量的变化转换成电阻值 的变化,再经相应的测量电路而显示被测量值的 变化。
? 主要用途——测量力、力矩、压力、加速度、重 量等
? 本章内容要求 – 工作原理 – 电阻应变片的特性 – 测量电路 – 应变式传感器的应用

工作原理及分类
? 电阻应变式传感器的工作原理是将电阻应变片 粘贴到各种弹性敏感元件上,使物理量的变化 变成应变片的应力、应变变化,从而变成电阻 值变化。
? 根据应变片的材料不同,可分为两种
金属电阻应变片
半导体应变片

应变片式电阻传感器
应变片电测技术具有以下优点:
①非线性小,电阻的变化同应变成线性关系。 ②应变片尺寸小(我国的应变片栅长最小达 0.178mm),重量轻(一般为0.1~0.2g),惯性 小,频率响应好,可测0-500kHz的动态应变。 ③测量范围广,一般测量范围为10~10-10量级的
应变。 ④误差小,整个测量系统的误差可控制在1%以内。 ⑤可在各种复杂或恶劣的环境中进行测量。

应变片式电阻传感器
电阻应变片的结构及工作原理
工作原理:基于金属的电阻应变效应。 金属的电阻应变效应:金属丝的电阻随 着它所受的机械变形(拉伸或压缩)的大 小而发生相应的变化的现象。

1. 应变片的结构

丝绕式应变片的构造示意如图1。它以直径为 0.025mm左右的、高电阻率的合金电阻丝2,绕成形 如栅栏的敏感栅。

4

31

b

l
1-基底 2-电阻丝 3-覆盖层 4-引线 图1 电阻丝应变片的基本结构

敏感栅:应变片的敏感元件,作用是敏感应变 变化。
基底:敏感栅粘结在基底1上,基底除能固定 敏感栅外,还有绝缘作用;
覆盖层:敏感栅上面粘贴有覆盖层3,起定位 及绝缘作用。
引出线:敏感栅电阻丝两端焊接引出线4,用 以和外接导线相连。

标距(基长):图中l称为应变片的标 距或基长,它是敏感栅沿轴方向测量变形 的有效长度,对具有圆弧端的敏感栅,指 圆弧外侧之间的距离。
对具有较宽横栅的敏感栅,指两横栅内侧 之间的距离。其宽度b指最外两敏感栅外 侧之间的距离。

2. 电阻—应变特性
由物理学可知,金属丝的电阻为
R??L
S
式中,R为金属丝的电阻(Ω);?为金属丝的电阻
率(Ω·m2/m);L为金属丝的长度(m);S为金 属丝的截面积(m2)。

当金属丝受拉而伸长dL时,其横截面积将相应减

小dS,电阻率则因金属晶格发生变形等因素的影响也

将改变d?,这些量的变化,必然引起金属丝电阻改变

dR。

dR??SdL??SL 2dS?S Ld?

可写成相对变化的形式:

dR?dL?dS?d? R LS ?

其中:

dS ? 2 dr

S

r

(r为金属丝半径)

εx=dL/L为金属丝的轴向应变;εy=dr/r为金属丝 的径向应变。金属丝受拉时,沿轴向伸长,沿径向
缩短,二者之间的关系为 : ?y ????x

式中,μ为金属材料的泊松系数。

dRR?(1?2?)?x

?d? ?



dR ?x/R??1?2???d??x/?

令灵敏系数: KS?dR ?x /R??1?2???d??x /?

KS称为金属丝的灵敏系数,表示金属丝产 生单位变形时,电阻相对变化的大小。
显然,KS越大,单位变形引起的电阻相对变化 越大。

关于灵敏系数讨论:

金属丝的灵敏系数

K

受两个因素影响:
s

第一项(1+2μ)是由于金属丝受拉伸后,材料几 何尺寸发生变化而引起的;

第二项 ? ? / ? 的值比第一项小很多,可以忽略不计
?

实验表明:在金属丝变形的弹性范围内,电阻的

相对变化dR/R与应变εx是成正比的,因而 K为s 一常

数。

?R R

?

KS?

x

实验表明:应变片的ΔR/R与εx的关系在很大范围 内仍然有很好的线性关系

?R R

?

K? x



K ? ?R / R
?x

式中,K为电阻应变片的灵敏系数。

实验表明:应变片的灵敏系数K恒小于同一材料金 属丝的灵敏度系数KS,原因是所谓横向效应的影响。

3. 应变片测试原理
用应变片测量应变或应力时,是将应变片粘贴于 被测对象上,在外力作用下,被测对象表面发生微小 机械变形,粘贴在其表面上的应变片亦随其发生相同 的变化,因而应变片的电阻也发生相应的变化,如用 仪器测出应变片的电阻值变化ΔR,可得到被测对象 的应变值εx,则根据一维受力应力—应变关系可得到 应力值σ。
??E?
式中,σ为试件的应力;ε为试件的应变。

2 电阻应变片的种类、材料和参数

(1). 电阻应变片的种类

电阻应变片的种类繁多,分类方法各异,如可

分为:

?丝式应变片 箔式应变片 薄膜应变片

半导体应变片

(1)丝式应变片
将电阻丝绕制成敏感栅粘贴在各种绝缘基层上 而制成的,是一种常用的应变片。

(2)箔式应变片 在绝缘基底上,利用照相制版或光刻腐蚀的方
法,将厚度为0.003~0.01mm电阻箔材在绝缘基底 下制成各种需要形状而成。

主要优点是:
①制造技术能保证敏感栅尺寸正确、线条均匀,可 制成任意形状以适应不同的测量要求;
②敏感栅界面为矩形,表面积对截面积之比远比圆 断面的大,故粘合面积大;
③敏感栅薄而宽,粘结情况好,传递试件应变性能 好;
④散热性能好,允许通过较大的工作电流,从而增 大输出信号;
⑤敏感栅弯头横向效应可忽略,蠕变、机械滞后较 小,疲劳寿命高 。

(3)薄膜应变片 薄膜应变片是采用真空蒸发或真空沉积等方法,
将电阻材料在基底上制成一层各种形式敏感栅而形成 其厚度在0.1?m以下。
(4)半导体应变片 工作原理:压阻效应
●压阻效应:半导体材料的电阻率随作用应力而变 化。所有材料在某种程度上都具有压阻效应,但半导 体的这种效应特别显著,能直接反映出很微小的应变。 根据压阻效应,半导体和金属丝一样可以把应变转换 成电阻的变化。

2、应变片的主要工作参数
(1)应变片的尺寸 ●标距l :顺着应变片轴向敏感栅两端转向处之间的
距离 。
●栅宽b :敏感栅的横向尺寸称为栅宽,以b表示。 使用面积:l?b称为应变片的使用面积。应变片的基 底长LS和宽度W要比敏感栅大一些。

(2)应变片的电阻值 指应变片没有安装且不受力的情况下,在室温时
测定的电阻值。 应变片的标准名义电阻值通常为60、120、350、
500、1000?五种。 应变片在相同的工作电流下,电阻值愈大,允许
的工作电压亦愈大,可提高测量灵敏度。

(3)机械滞后
●机械滞后:对已安装的应变片,在恒定的温度 环境中,加载和卸载过程中同一载荷下指示应变的最 大差数 。
●产生的原因:如应变片本身特性不好;试件本 身的材质不好;粘结剂选择不当;固化不良;粘接技 术不佳,部分脱落和粘结层太厚等。
●采取的措施:为了减小应变片的机械滞后给测 量结果带来的误差,可对新粘贴应变片的试件反复加、 卸载3~5次。

(4)零点漂移 ●零漂:对已安装的应变片,在温度恒定试件不
受力的条件下,指示应变随时间的变化称为零点漂移 (简称零漂)。
●产生原因:这是由于应变片的绝缘电阻过低及 通过电流而产生热量等原因造成。

(5)蠕变 ●定义:对已安装的应变片,在温度恒定并承受
恒定的机械应变时,指示应变随时间的变化称为蠕变。 ●产生的原因:主要是由胶层引起,如粘结剂种
类选择不当、粘贴层较厚或固化不充分以及在粘结剂 接近软化温度下进行测量等。
(6)应变极限 温度不变时使试件的应变逐渐加大,应变片的指
示应变与真实应变的相对误差(非线性误差)小于规 定值(一般为10%)情况下所能达到的最大应变值为 该应变片的应变极限。

(7)绝缘电阻 定义:应变片引线和安装应变片的试件之间的电
阻值,此值常作为应变片粘结层固化程度和是否受潮 的标志。绝缘电阻下降会带来零漂和测量误差 。
(8)最大工作电流 定义:允许通过应变片而不影响其工作特性的最
大电流值,称为最大工作电流。

(9)动态响应特性 电阻应变片在测量频率较高的动态应变时,应考
虑其动态特性。

电阻应变计的选用与粘贴
电阻应变计的选用
选用应变计时,首先应根据使用的目的、要求、 对象及环境条件等,对应变计的类型进行选择; 然后根据使用温度、时间、最大应变量及精度要 求,选用合适的敏感栅、基底材料的应变计;接 着根据测量线路或仪器选择合适应变计的标准阻 值;最后还应根据试件表面可贴应变片的面积大 小选择合适尺寸的应变计。

电阻应变计的选用与粘贴
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电阻应变计的选用与粘贴
电阻应变计的粘贴
电阻应变片工作时,是用粘贴剂粘贴到被测试 件或传感器的弹性元件上的。粘贴剂形成的胶 层必须准确迅速地将被测应变传递到敏感栅上 去,所以粘贴剂以及粘贴技术对于测量结果有 着直接的影响。

应变片粘贴工艺
(1)应变片检查
①外观检查
②电阻值检查 (2)修整应变片 ①对没有标出中心线标记的应变片,应在其基底上标
出中心线; ②如有需要应对应变片的长度和宽度进行修整,但修 整后的应变片不可小于规定的最小长度和宽度; ③对基底较光滑的胶基应变片,可用细沙将基底轻轻 的稍许打磨,并用溶剂洗净。

(3)试件表面处理
将要贴应变片的试件表面部分使之平整光洁,无 油漆、锈斑、氧化层、油污和灰尘等。
(4)划粘贴应变片的定位线 (5)贴应变片
在处理好的粘贴位置上和应变片基底上,各涂抹 一层薄薄的粘合剂,稍待一段时间。 (6)粘合剂的固化处理
对粘贴好的应变片,依粘合剂固化要求进行固化 处理。

(7)应变片粘贴质量的检查 ①外观检查:用放大镜观察粘合层是否有气泡。 ②电阻值检查 ③绝缘电阻检查:绝缘电阻一般大于200M?
(8)引出线的固定保护 (9)应变片的防潮处理
应变片粘贴固化好后要进行防潮处理,以免潮湿
引起绝缘电阻和粘合强度降低,影响测试精度。

4.1.4 电阻应变片的温度误差及补偿
1. 温度误差及其产生原因 (1) 温度变化引起应变片敏感栅电阻变化而产生附加应变
电阻与温度关系可用下式表达
? R t? R 0 ( 1 ? a ? t)? R 0? R 0? t
? ? R ta?R t?R 0?R 0? t
式中,Rt为温度为t时的电阻值;R0为温度为t0时的电 阻值;?t为温度的变化值;?Rta为温度变化?t时的电
阻变化;?为敏感栅材料的电阻温度系数。

将温度变化?t时的电阻变化折合成应变,则

?ta??RtK a/R0

???t
K

(2) 试件材料与敏感栅材料的线膨胀系数不同,使应

变片产生附加应变

如粘贴在试件上一段长度为l0的应变丝,当温度 变化Δt时,应变丝受热膨胀至lt1,而应变丝l0下的试 件伸长为lt2。
? ? lt1? l0 ( 1 ?丝 ? t)? l0? l0丝 ? t

? ? lt1?lt1?l0?l0 丝 ? t

? ? lt2? l0 ( 1 ?试 ? t)? l0? l0试 ? t

? ? lt2?lt2?l0?l0 试 ? t
式中,l0为温度为t0时的应变丝长度;lt1为温度t时的应
变丝长度;lt2为温度t时应变丝下试件的长度;?丝、?试
为应变丝和试件材料的线膨胀系数;?lt1、?lt2为温度变 化?t时应变丝和试件膨胀量。
如β丝≠β试,则Δlt1≠Δlt2,由于应变丝与试件是粘 结在一起的,若β丝<β试,则应变丝被迫从Δlt1拉长至
?? Δlt2,使应变丝产生附加变形Δltβ。
? ? ? l t ?? ? l t 2 ? ? l t 1 ? l 0丝 ? 试 ? t

折算为应变

? ? ?t?

??lt? l0

??丝??试?t

引起的电阻变化为
? ?? ? ? ? R t ?? R 0 K t ?? R 0 K 丝 ? 试 ? t
因此由于温度变化?t而引起的总电阻变化为
? ?? ? ? ? ? ? R t? ? R t? ? R t? R 0 ? t ? R 0 K 试 ? 丝 ? t
总附加虚假应变量为
?t ?? R tK /R 0?a K ? t???试 ??丝 ?? t
可见:由于温度变化而引起附加电阻变化或造成了虚 假应变,从而给测量带来误差。

2. 温度补偿方法 有桥路补偿和应变片自补偿两大类。
(1) 桥路补偿法(补偿片法) 应变片通常是作为平衡电桥的一个臂测量应变的,
图中R1为工作片,R2为补偿片。工作片R1粘贴在试 件上需要测量应变的地方,补偿片R2粘贴在一块不受 力的与试件相同材料上。
采用原理:电桥的相邻相减原则。
优点:简单、方便,在常温下补偿效果较好。

缺点:在温度变化梯度较大的情形下,很难做到 工作片与补偿片处于温度完全一致的情况。

? 桥路补偿法必须满足以下4个条件
(1)在应变片工作过程中,保证R3=R4; (2)R1和R2两个应变片应具有相同的电阻温度系数
α,线膨胀系数β,应变片灵敏度系数K和初始电
阻值R0; (3)粘贴补偿片的补偿块材料和粘贴工作片的被测
试件材料一样,两者的线膨胀系数相同; (4)两应变片应处于同一温度场。

(2) 应变片自补偿法

粘贴在被测部位上的是一种特殊应变片,当温度

变化时,产生的附加应变为零或相互抵消,这种特殊

应变片称为温度自补偿应变片。

①选择式自补偿应变片

实现温度补偿的条件为

?t ??K ?t???试??丝 ??t?0



?? ? K ??试 ? ?丝 ?

②双金属敏感栅自补偿应变片

这种应变片也称组合式自补偿应变片。这是利用

两种电阻丝材料的电阻温度系数不同(一个为正,一

个为负)的特性,将二者串联绕制成敏感栅。

③ 热敏电阻补偿法

图 热敏电阻补偿法

如图所示,热敏电阻Rt处在与应变片相同的温度 条件下,当应变片的灵敏度随温度升高而下降时,热

敏电阻Rt的阻值也下降,使电桥的输入电压随温度升 高而增加,从而提高电桥的输出,补偿因应变片引起

的输出下降。

4.1.5 电阻应变片的测量电路
由于将应变等机械量转换为电阻的变化, 此变化的数量是很微弱的,因此须采用高精 度的测量电路——电桥测量电路。

?
1.电桥分类:
●按桥压分: ?直流电桥; ?恒流源电桥; ?恒压源电桥 ?交流电桥
●按输出方式分:
?功率电桥(按低阻抗负载) ?电压电桥(按高阻抗负载)

2.常用的几个术语 ▲全桥: ▲半桥:

对臂

邻臂

3.电桥平衡条件
▲直流电桥平衡条件:
R1 ? R2 R4 R3 或
R 1?R3?R2?R4?0
相对桥臂电阻之积相等。

▲交流电桥平衡条件

Z1?Z3?Z2?Z4



Z1 ? Z 3 Z2 Z4

▲交流电桥平衡条件
相对桥臂阻抗之积相等→可分解为:
?相对桥臂电阻之积相等 相对应的电容、电阻之积相等

4.电桥输出公式 直流电桥、交流电桥均适合:
U sc ?1 4?? ? ?? R R 1?? R R 3?? R R 2?? R R 4? ? ??U sr

电桥输出公式的使用前提条件:
1)先决条件是:电桥起始是平衡的; 2)无论各电阻如何变化,一定要在平衡点附近; 3)? R i 仅发生微小变化;
R
4)假定各桥臂电阻起始是相等的。 由于 ?R ? K? ,电桥输出公式又可写成:
R
U sc?1 4?K???1??3??2??4??U sr
上式为电桥加减特性表达式。

电桥输出公式讨论:
①单臂工作 只有一只电阻R产生ΔR变化时, 电桥输出电压
? U sc?1 4?? R R?U sr?1 4?K? ?U sr

②双臂工作
▲设R1产生正ΔR的变化,R2产生负ΔR的变化,
且变化的绝对值相等;
即 ?1 ? ?,?2 ??? ,?3 ? 0 ,?4 ? 0,
电桥输出 U sc?1 2?? R R?U sr?1 2?K???U sr
▲若R1,R2产生ΔR的绝对值相等,符号相
同时,即 ?1 ? ?,?2 ? ? ,则Usc=0,电桥无输
出,两工作臂的作用互相抵消。

③四臂工作
设R1、R3产生正Δ R的变化,R2、R4产生负Δ R的 变化,且Δ R绝对值相等,即R1、R3产生正应变, R2、R4产生负应变,且应变的绝对值相等,则电 桥的输出
Usc?? R R?Usr?K???Usr
为单臂工作的4倍。

电桥加减特性
说明:虽为直流电桥形式,但对交流电 桥形式也完全适用。

★重要结论:
当相邻桥臂为异号或相对桥臂为同号的电阻变 化时,电桥的输出可相加;当相邻桥臂为同号或相对 桥臂为异号的电阻变化时,电桥的输出应相减。
★电桥输出的八字原则:
相邻相减,相对相加。

5. 交、直流电桥的异同点
(以输出为正电压的单臂电桥为例)
★相同点:输出电压的幅值都与被测的应变成正比; ★不同点:

直流电桥

交流电桥

输出的是正或负的直 流电压,与应变同频 率变化。 从输出电压的正或负 ,可以判断是拉应变 还是压应变。
只要电阻调平衡。

输出的是正弦调幅波 ;
可通过输出与参考桥 压的相位相同或是相 反来判断拉、压应变 的关系;
既有电阻调平衡,又 有电容调平衡。

★交流电桥的调幅作用

●以等臂电桥单臂工作为例。

供桥电源电压为



(载波信号)

(零应变输出)

▲当试件受拉伸产生静应变时,电桥输出为
us c?1 4?K???Umsi? nt
输出波形与电源电压相同,但幅度为电 源电压幅值的 1倍? K。? ?
4
(静态正应变输出)

▲当试件受压产生静的负应变时
usc?1 4?K????Umsi? nt
输出电压波形仍与电源电压相同,但幅度降为电源 电压的 ?倍1 ?,K ?与? 受拉相比波形在相位上差了180? 。
4
(静态负应变输出)

当试件受动态应力产生简谐变化应变时,设简谐应
变为?N,则 ?N??msi? nt式中 ? N 、? m 为简谐应变的
瞬时值和最大值;?为简谐应变的角频率。输出电压 :
usc?1 4?K??msi? n t?U m?si?n t
? ? ? ? ? 8 1 ?K ?m ?U m c?o ? ? s ?t? 8 1 ?K ?m ?c?o ? ? s ?t
(正弦应变输出)
输出波形是在载波上,叠加了一个低频的工作 正弦波,载波的波幅由常数Um变为:
1 4?K??m?sin ??Um

当动、静态应变同时存在时,电桥的输出相 当于静态应变和动态应变两种情况的叠加,即
? ? ? ? u s? c1 4 ?K ??U m ?sit? n 8 1 ?K ?m ?U m ?c?o ? ? s ?t
?8 1?K??m?Um?co ??s?? ?t
(复杂应变输出)

结论:
交流电桥输出的调幅波是由振幅相等
而频率分别为(ω-Ω)和(ω +Ω)的两个波
叠加。
实际应变的变化频率多为非正弦的,
其中有不可忽视的高次谐波频率nΩ,则此 时电桥的输出频率宽度为ω±nΩ。
★为使电桥调制后不失真,载波频率
ω应比应变信号频率nΩ大10倍左右。

测量放大器的基本电路 双端输入高输入阻抗的两极差动放大器

B

Vin? +

_

R

R

A1

Rf

RF

R

A

C

R

R

_ RG

Vout

+

A3

D 直流电源

Vin?

_

+

A2

R

Rf

RF

? 放大倍数

A? Vout Vin??Vin?

?RF Rf

???1?2RR G???

可选用的集成放大器:AD522,AD620,AD693等 使用时注意电源的接法:信号地和电源地共地。

+IN 1

RG -IN

2 3

NULL U?

4 5

NULL 6

OUTPUT 7

14 13

RC DATA GUARD

12 SENSE

11 REF

10 NULL

9 GND

8 U?

AD522与直流电桥的连接

?V A

B

D

C
信号地

V- V+

-IN 1 5 14

9

12 8

RG

6 11

24

+IN 3 10K

负U载out

应变片式电阻传感器的应用举例

应变式传感器
应变效应的应用十分广泛。它可以测量应变应力、 弯矩、扭矩、加速度、位移等物理量。电阻应变片的应 用可分为两大类:
第一类是将应变片粘贴于某些弹性体上,并将其接 到测量转换电路,这样就构成测量各种物理量的专用应 变式传感器。应变式传感器中,敏感元件一般为各种弹 性体,传感元件就是应变片,测量转换电路一般为桥路 ;
第二类是将应变片贴于被测试件上,然后将其接到 应变仪上就可直接从应变仪上读取被测试件的应变量。

柱力式传感器

圆柱式力传感器的弹性元件分为实心和空心两种。

在轴向布置一个或几个应变片,在圆 F 截面积S F 面积S

周方向布置同样数目的应变片,后者 取符号相反的横向应变,从而构成了 差动对。由于应变片沿圆周方向分布, 所以非轴向载荷分量被补偿,在与轴

-ε2 +ε1
F

+ε2 -ε1

线任意夹角的α方向,其应变为 :

a)

b)

????2 1??1?????1???co2?s?

柱式力传感器

ε1——沿轴向的应变;μ——弹性元件的泊松比。

当α=0时

当α=90?时

E:弹性元件 的杨氏模量

??=?1=SFE

??=?2=- ??1=- ?SFE

15

图 膜片上应力分布

图2-33 梁式力传感器

各种悬臂梁

各种悬臂梁

F

固定点

F

固定点

电缆

应变片在悬臂梁上的粘贴及变形

应变式荷重传感器的外形及应变片的粘贴位置
F

R

4

R

R

2

1

荷重传感器原理演示
荷重传感器上的应变片在重力作用下产生变形。轴 向变短,径向变长。

电子秤

远距离 显示
磅秤

超市打印秤

材料应变的测量
斜拉桥上的斜拉绳应变测试

案例:机器人握力测量

应变式加速度传感器
应变式加速度传感器结构示意图 1—等强度梁 2—质量块 3—壳体 4—电阻应变片
在低频(10~60Hz)振动测量中得到广泛的应用, 但不适用于频率较高的振动和冲击。

应变式数显扭矩扳手
可用于汽车、摩托车、飞机、内燃机、机械制造 和家用电器等领域,准确控制紧固螺纹的装配扭矩。 量程2~500N.m,耗电量≤10mA,有公制/英制单位转 换、峰值保持、自动断电等功能。

图2-35 扭矩传感器

讨论,设计一个地音入侵探测器 适合于金库、仓库、古建筑的防范,挖墙、打 洞、爆破等破坏行为均可及时发现。

示例:直接应变测量系统的建立(应变片+直流电桥+数字电压表)
? 欲对一受力F的等强度梁的应变 进行测量。若力
F变化的频率为20kHz,采用应变片的阻值为120欧,灵敏度 系数K=2.05。试选用合适的数字电压表,能满足被测应变量 程达4000X10-6,分辨力达1X10-6
[解]:第一步 直接作用式应变传感器的构成:
根据力F的变化频率f<20kHz,选用合适基长的应变片(P36, 表2-2)2片粘贴在等强度梁上、下对称位置处,并配备标准 电阻R3、R4作桥臂,固定值为R3=R4=120?,与应变片桥臂 R1.R2构成差动半桥电路。

第二步:传感器工作状态的粗判
在未加电之前测量桥路两对角。即测量电源端和输出端电 阻值,也就是输入电阻和输出电阻,若该值接近桥臂电阻 值120?,则建立的传感器及电路正常。

F R1
R2

R1
R3 E

R2 Uo
R4

第三步 电桥供电电源的选择:
电桥供电电压E=3V,且为单端供电方式,即有一段(C点)接地。 用此方式供电,输出端B、D电位均在E/2=1.5V。当有应变 Δε≠0时,B、D\输出端为双端浮地输出(不为地电位)。
第四步 选配符合要求的电压表,除满足频响≥20kHz要求
外,还要达到分辨力与量程的要求。

+E

??

应变片

?R

差动半桥电路

?U 数字电压表

已知应变片的灵敏度系数 K??R/ R0 ?2.05
?
R0为应变片的初始电阻,R1=R2=R0=120?

电源供电差动半桥输出电压为

USC?1 2K?USR?2.05?3 2??

当 ????m in?1?10?6 时,差动半桥的输出为

U m in? ? U m in? 2 .0 5 ? 3 2 ? 1 ? 1 0 ? 6 V = 3 ? 1 0 ? 6 V

则可得所需数字电压表的灵敏度

SN

?

1 3?10?6

即要选最低分度值为1uV的数字电压表。当
??? ?m ax?400?10?6
差动半桥的输出 U m a x? ? U m a x? 2 .0 5 ? 3 2 ? 4 0 0 0 ? 1 0 ? 6 ? 1 2 0 0 0 ? 1 0 ? 6 V
可得数字电压表的量程为≥12000uV即可。因为应变电桥 为双端浮地输出,具有共模电压E/2=1.5V,故数字电压表 应是双端浮地输入端。

技术参数 量程
零位输出 满量程输出 桥路阻抗 过载能力 供电电压
工作温度 补偿温度范围 固有频率 静态精度 应用场合

CYG05

HB2119

0-5,10,20,30,40,50, 20,35,60,100,150,250,600,

60MPa

2500kpa

≤10mV 100mV±50%
150%~200% 2~12mADC 6~15VDC -10~60℃ 0~60℃ 400~800kHz
高压动态压力测量

≤从1mV >50mV 5k?±20% 2倍以上基准量程 0.5~1.5mADC 5~10VDC 0~70℃ 0~70℃
0.1%F.S,0.25%F.S 高精度、低压力测量

作业
1、什么是应变效应?事说明金属应变片与半导体应变片的相 同和不同之处。 2、应变片产生温度误差的原因及减小或补偿温度误差的方法 是什么? 3、有一电阻阻值为R=120Ω,灵敏系数k=2.0,其电阻温度系数 α=2.0×10-6/ 0C,线膨胀系数β1=12×10-6/0C的的电阻应变片 贴于线膨胀系数为β2=14.2×10-6/0C的工件上,若工件在外力 作用下产生应变量为200με,试问:
1)当温度改变40℃时,如果未采取温度补偿措施,电阻 变化量为多少?
2)由于温度影响会产生多大的相对误差?

4、应变筒式测压传感器的弹性敏感元件如图1.1所示, 请在图中标注工作应变片及温度补偿应变片的粘贴 位置,并说明其粘贴方向,画出测量电桥的桥路图。

5.以一等强度梁作为弹性元件,以四片应变片作为 变换元件R1=R2=R3=R4=120Ω,设计一测量载荷重 量的传感器(简称为荷重传感器),其供桥电压为 10V。画出荷重传感器结构原理图。其应变片应如 何粘贴组成全桥比较合理?并画出其桥路连接图。



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