2.第二講應變式傳感器

1、,第二講 應變式傳感器,一、電阻應變片二、轉換電路三、應變式傳感器,河南工業(yè)職業(yè)技術學院電氣工程系,第二講 應變式傳感器,應變式傳感器是根據應變原理，通過應變片和彈性元件將機械構件的應變或應力轉換為電阻的微小變化再進行電量測量的裝置。其基本構成如下框圖所示。,圖2-2-1 應變式傳感器原理框圖,應變式傳感器廣泛應用于應變、荷重、壓力和加速度等機械量的測量。,一、電阻應變片,1、應變效應與電阻應變片的工

2、作原理 導體在外界力的作用下產生機械變形時，其電阻值亦將隨之發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為應變效應。,,對于半導體材料，在某一晶向受應力σ作用時，其電阻率將產生較大變化，而幾何尺寸變化很小，這種現(xiàn)象稱為壓阻效應。相應的，半導體應變電阻也常稱為壓阻元件。半導體材料壓阻效應的表達式為,式（2-2-2）,2、電阻應變片的類型與結構,1）類型：金屬電阻應變片：絲式、箔式和薄膜式半導體應變片：體型、薄膜型和擴散型,2）結構 金屬電阻應

3、變片的類型和結構如下圖所示，它由敏感柵粘貼在基底上，上面覆蓋保護層構成?；子屑埢湍z基兩種。 應變片的縱向尺寸為工作長度，反映被測應變，其橫向應變將造成測量誤差。,圖2-2-2 金屬電阻應變片的類型和結構,3、應變片主要技術指標,,4、應變片主要技術指標（續(xù)）,4）其它表示應變計性能的參數(shù)（工作溫度、滯后、 蠕變、零漂以及疲勞壽命、橫向靈敏度等）。,2）電阻值：應變計的原始電阻值。,3）靈敏系數(shù)：表示應變計變換性能的重要

4、參數(shù)。,,1）幾何參數(shù)：表距 和絲柵寬度b，制造廠常用 b× 表示。,5、金屬電阻應變片的材料 對電阻絲材料應有如下要求： ① 靈敏系數(shù)大， 且在相當大的應變范圍內保持常數(shù)； ②ρ值大，即在同樣長度、同樣橫截面積的電阻絲中具有較大的電阻值； ③ 電阻溫度系數(shù)小，否則因環(huán)境溫度變化也會改變其阻值； ④ 與銅線的焊接性能好， 與其它金屬的接觸電勢??；

5、 ⑤ 機械強度高， 具有優(yōu)良的機械加工性能。,6、應變片的使用（1）應變片的選擇 主要考慮尺寸、初始電阻、絕緣電阻及允許工作電流。（2）應變片粘貼 應變片的粘合劑的種類很多，要根據基片材料、工作溫度、潮濕程度、穩(wěn)定性，是否加溫加壓以及粘貼時間等多種因素合理選擇粘合劑。應變片的粘貼工藝包括：1）試件的表面處理。清潔2）確定貼片位置。在試件應變最大的部位。3）粘貼。清洗試件表面和應變片的底面, 涂敷粘合劑，將應變片貼在確定

6、的位置處。貼片后，在應變片上蓋上一張玻璃紙并加壓，排出多余的膠水和氣泡。4）固化。5）粘貼質量檢查。6）引線的焊接與防護。,二、轉換電路,電阻式傳感器可以用直流電橋或交流電橋作為轉換電路。,圖2-2-3 常用電橋電路a）單臂 b）雙臂 c）全橋 d)交流電橋,1、直流電橋的輸出電壓,在略去分母△R一次項和分子△R二次項并整理后，全橋的輸出電壓表示為：,圖2-2-4 最簡單的直流電橋電路,式（2-2-3）,(1)半橋單臂

7、工作方式 如圖2-2-3a）所示，R1為變量，其余各臂為固定電阻，則輸出電壓變?yōu)?(2)半橋雙臂工作方式 如圖2-3b）所示，R1、R2均為變量，R3、R4為固定電阻，則輸出電壓變?yōu)?,,2、直流電橋的工作方式,式（2-2-5）,可見相鄰橋臂間為相減關系，相對橋臂間為相加關系。因此構成差動電橋的條件為：相鄰橋臂傳感器應變方向應相反，相對橋臂傳感器應變方向應相同。如果橋臂傳感器應變量相等，則此電橋稱為對稱電橋。,為了減小和克服非線性誤

8、差，常采用差動電橋如圖2-2-3所示， 在試件上安裝兩個工作應變片，一個受拉應變，一個受壓應變， 接入電橋相鄰橋臂，稱為半橋差動電路， 如圖2-2-3b) 所示。 ΔR1=ΔR2，R1=R2，R3=R4， 為半橋雙臂電橋，其輸出電壓為:,(3)差動工作方式：,1）差動電橋無非線性誤差，而且電橋電壓靈敏度是單臂工作時的兩倍，同時還具有溫度補償作用。,2）全橋差動電路不僅沒有非線性誤差，而且電壓靈敏度為單片工作時的4倍，同時仍具有溫度補償

9、作用。,3、直流電橋的溫度補償,3）可以用熱敏電阻進行溫度補償。,調節(jié)RP，最終可以使R1?/R2?=R4/R3（ R1?、R2?是R1、R2并聯(lián)RP后的等效電阻），電橋趨于平衡，Uo被預調到零位，這一過程稱為調零。圖中的R5是用于減小調節(jié)范圍的限流電阻。,4、直流電橋的平衡調節(jié),電橋平衡條件：R1/R2=R4/R3,圖2-2-5 直流電橋的調零,5、電阻應變儀,下圖所示的靜態(tài)應變儀測量范圍：±19999με；分辨率： 1

10、με；電橋電壓：直流2.5V； 應變片：120Ω或其他阻值； 測量點數(shù)：8/16點；,圖2-2-3d) 交流電橋的一般形式，Ui 為交流電壓源， 由于供橋電源為交流電源，引線分布電容使得橋臂應變片呈現(xiàn)復阻抗特性，即相當于應變片各并聯(lián)了一個電容。,四、交流電橋,根據直流電橋分析可知，由于應變電橋輸出電壓很小，一般都要加放大器，而直流放大器易于產生零漂，因此應變電橋多采用交流電橋。交流電橋的應用更為廣泛。直流電橋只用于較大應變的

11、測量，交流電橋可用于各種應變的測量。,對這種交流電容電橋, 除要滿足電阻平衡條件外, 還必須滿足電容平衡條件。為此在橋路上除設有電阻平衡調節(jié)外還設有電容平衡調節(jié)。電橋平衡調節(jié)電路如圖 2-2-3d) 所示。,如圖2-2-6所示，交流電橋的輸出電壓是一個調幅信號，其載波是電橋的激勵電源，幅度受橋臂變化信號調制，當調制信號極性改變時，調幅信號相位反轉180°。,圖2-2-6 交流電橋的調幅特性,1、交流電橋的輸出電壓,2、二極管

12、相敏檢波電路,T1的一次側輸入調幅波ui，T2的一次側輸入參考電壓ur，ur可直接取自載波，它與ui頻率相同，相位相同或相反，比ui幅度大3～5倍。變壓器的極性標定如圖所示。,具體分析：,A.當調制信號為正時，ui與載波相位相同，故ur與ui相位也相同。,1)在ui的正半周時，ur給二極管VD3、VD4正向偏置使之導通，給VD1、VD2反向偏置使之截止。信號路徑如→所示。,電流上正下負,2)在ui的負半周時，ur使VD1、VD2導通，

13、VD3、VD4 截止。信號路徑如→所示。,電流仍為上正下負,B.當調制信號為負時，ui與載波相位相反，故ur與ui相位也相反。,1)在ui的正半周時，ur為負，VD1、VD2導通，VD3、VD4截止。信號路徑如→所示。,電流上負下正,2)在ui的負半周時，ur為正，VD3、VD4導通，VD1、VD2截止。信號路徑如→所示。,電流仍為上負下正,相敏檢波的特點： 1）相敏檢波輸出信號的極性與調制信號極性相同，即能識別方向；

14、 2）相敏檢波輸出信號的幅值與調制信號的幅值相同，即能表示被測值； 3）相敏檢波輸出信號的頻率等于載波頻率的二倍。因此，只要在相敏檢波后加入適當?shù)牡屯V波器，便可得到調制波信號。如果測量裝置頻率響應較低，如磁電式電流表，也可不需加濾波器。,應變式電阻傳感器是目前測量力、力矩、 壓力、加速度、重量等參數(shù)應用最廣泛的傳感器。,五、應變式傳感器,電阻應變式傳感器是利用電阻應變片將應變轉換為電阻變化的傳感器, 傳感器由在彈性元件上

15、粘貼電阻應變敏感元件構成。 當被測物理量作用在彈性元件上時, 彈性元件的變形引起應變敏感元件的阻值變化, 通過轉換電路將其轉變成電量輸出, 電量變化的大小反映了被測物理量的大小。,1、應變式力傳感器,應變式力傳感器主要作為各種電子秤(約占90％)和材料試驗機的測力元件，或用于發(fā)動機的推力測試等。根據彈性元件的不同形狀，可以制成柱式、環(huán)式和梁式等荷重和力的傳感器。,應變式力傳感器,F,F,F,F,應變式荷重傳感器的外形及應變片的粘貼位置,

16、GX-1型懸臂梁稱重傳感器，結構外形如圖所示。,汽車衡,汽車衡稱重系統(tǒng), 應變式壓力傳感器主要用來測量流動介質的動態(tài)或靜態(tài)壓力。如動力管道設備的進出口氣體或液體的壓力、發(fā)動機內部的壓力變化, 槍管及炮管內部的壓力、內燃機管道壓力等。應變片壓力傳感器大多采用膜片式或筒式彈性元件。應變式壓力傳感器的測量范圍在10­4～107Pa之間。,2、應變式壓力傳感器,圖 2-2-8 所示為膜片式壓力傳感器, 應變片貼在膜片內壁,

17、 在壓力p作用下, 膜片產生徑向應變εr和切向應變ετ。,A）應變變化圖 B）應變片粘貼圖2-2-8 膜片式壓力傳感器,筒式壓力傳感器見右圖，通常用于測量較大的壓力。它的一端為盲孔，另一端為法蘭與被測系統(tǒng)聯(lián)接。應變片貼于筒的外表面，工作片貼于空心部分，補償片貼在實心部分。,筒式壓力傳感器,壓阻式壓力傳感器是基于半導體材料(單晶硅)的壓阻效應原理制成的傳感器，就是利用集成電路工藝直接在硅平膜片上按一定晶向制成擴散壓敏電阻，當