chap4 應(yīng)變式傳感器

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1、 第第 4 4 章章 應(yīng)應(yīng) 變變 式式 傳傳 感感 器器1第四章第四章 電阻應(yīng)變式傳感器電阻應(yīng)變式傳感器 第第 4 4 章章 應(yīng)應(yīng) 變變 式式 傳傳 感感 器器2問題：問題：哪個(gè)是敏感元件？哪個(gè)是敏感元件？哪個(gè)是傳感元件？哪個(gè)是傳感元件？傳感元件的工作原理是什么？傳感元件的工作原理是什么？傳感元件和彈性體的關(guān)系是什么？傳感元件和彈性體的關(guān)系是什么？傳感元件測量的是什么參數(shù)？傳感元件測量的是什么參數(shù)？動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性？動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性？信號(hào)調(diào)理電路如何設(shè)計(jì)？信號(hào)調(diào)理電路如何設(shè)計(jì)？第第 4 4 章章 應(yīng)應(yīng) 變變 式式 傳傳 感感 器器3本章主要內(nèi)容本章主要內(nèi)容電阻應(yīng)變片工作原理電阻應(yīng)變片工作原理電阻應(yīng)變片

2、的種類、材料和性能參數(shù)指標(biāo)電阻應(yīng)變片的種類、材料和性能參數(shù)指標(biāo)動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性溫度誤差及其補(bǔ)償方法溫度誤差及其補(bǔ)償方法電橋原理電橋原理幾種應(yīng)變式傳感器的工作原理幾種應(yīng)變式傳感器的工作原理 第第 4 4 章章 應(yīng)應(yīng) 變變 式式 傳傳 感感 器器4金屬導(dǎo)體的電阻值隨其機(jī)械變形而發(fā)生金屬導(dǎo)體的電阻值隨其機(jī)械變形而發(fā)生變化的現(xiàn)象變化的現(xiàn)象電阻應(yīng)變效應(yīng)。電阻應(yīng)變效應(yīng)。FFl2rl+dl2(r-dr):電阻系數(shù)電阻系數(shù)l:金屬導(dǎo)線長度金屬導(dǎo)線長度S:金屬導(dǎo)線截面積金屬導(dǎo)線截面積4.1 電阻應(yīng)變效應(yīng)電阻應(yīng)變效應(yīng) 第第 4 4 章章 應(yīng)應(yīng) 變變 式式 傳傳 感感 器器5 第第 4 4 章章 應(yīng)應(yīng) 變變

3、 式式 傳傳 感感 器器6 第第 4 4 章章 應(yīng)應(yīng) 變變 式式 傳傳 感感 器器7K0的大小與絲的材料有關(guān)，與應(yīng)變數(shù)值有的大小與絲的材料有關(guān)，與應(yīng)變數(shù)值有關(guān)。關(guān)。1d選材目的：選材目的：為常數(shù)。為常數(shù)。即：即：xAd 第第 4 4 章章 應(yīng)應(yīng) 變變 式式 傳傳 感感 器器8常用材料常用材料:1)康銅（康銅（5060%Cu,40%Ni),K=2.2;2)鎳鉻（鎳鉻（80%Ni,20%Cr),K=2.4;應(yīng)變片的標(biāo)稱靈敏系數(shù)為：應(yīng)變片的標(biāo)稱靈敏系數(shù)為：/RdRK 測量條件：鋼試件，單向應(yīng)力狀態(tài)。測量條件：鋼試件，單向應(yīng)力狀態(tài)。0KK 橫向效應(yīng)引起橫向效應(yīng)引起 第第 4 4 章章 應(yīng)應(yīng) 變變 式式

4、 傳傳 感感 器器9應(yīng)變片的外形應(yīng)變片的外形取絲繞結(jié)構(gòu)分析取絲繞結(jié)構(gòu)分析 第第 4 4 章章 應(yīng)應(yīng) 變變 式式 傳傳 感感 器器104.2 電阻應(yīng)變電阻應(yīng)變片片L L和和b b分別稱為應(yīng)變片的基長和寬度分別稱為應(yīng)變片的基長和寬度 第第 4 4 章章 應(yīng)應(yīng) 變變 式式 傳傳 感感 器器11一、基本結(jié)構(gòu)組成一、基本結(jié)構(gòu)組成敏感柵敏感柵：柵狀柵狀,要求靈敏系數(shù)大、溫度系要求靈敏系數(shù)大、溫度系數(shù)小，如：康銅、鎳鉻合金等。數(shù)小，如：康銅、鎳鉻合金等?；缀蜕w層（保護(hù)層）：紙質(zhì)或膠質(zhì)。基底和蓋層（保護(hù)層）：紙質(zhì)或膠質(zhì)。要求機(jī)械強(qiáng)度高、絕緣性好、抗潮、耐要求機(jī)械強(qiáng)度高、絕緣性好、抗潮、耐熱。厚度熱。厚度0.

5、030.06mm.粘結(jié)劑粘結(jié)劑：粘結(jié)力強(qiáng)、機(jī)械性能可靠。如：粘結(jié)力強(qiáng)、機(jī)械性能可靠。如：硝化纖維素、聚脂樹脂、氰基丙稀酸等。硝化纖維素、聚脂樹脂、氰基丙稀酸等。引線：低阻鍍錫銅線。引線：低阻鍍錫銅線。第第 4 4 章章 應(yīng)應(yīng) 變變 式式 傳傳 感感 器器12二、應(yīng)變片的類型二、應(yīng)變片的類型金屬絲式應(yīng)變片：金屬絲式應(yīng)變片：制作簡單、性能穩(wěn)定。制作簡單、性能穩(wěn)定。金屬箔式應(yīng)變片：金屬箔式應(yīng)變片：利用照相制版或光刻技術(shù)，將利用照相制版或光刻技術(shù)，將厚約為厚約為0.0030.01mm的金屬箔片制成敏感柵。的金屬箔片制成敏感柵。金屬薄膜應(yīng)變片：金屬薄膜應(yīng)變片：金屬薄膜應(yīng)變片是是采用真空金屬薄膜應(yīng)變片是是

6、采用真空蒸發(fā)或真空沉積等方法，在薄的絕緣基片上形成厚蒸發(fā)或真空沉積等方法，在薄的絕緣基片上形成厚度在度在0.1m以下的金屬電阻材料薄膜的敏感柵。以下的金屬電阻材料薄膜的敏感柵。半導(dǎo)體應(yīng)變片：半導(dǎo)體應(yīng)變片：采用半導(dǎo)體材料制作。采用半導(dǎo)體材料制作。第第 4 4 章章 應(yīng)應(yīng) 變變 式式 傳傳 感感 器器13金屬箔式應(yīng)變片金屬箔式應(yīng)變片尺寸小、圖形準(zhǔn)確尺寸小、圖形準(zhǔn)確橫向靈敏度小橫向靈敏度小容許電流大容許電流大疲勞壽命長疲勞壽命長生產(chǎn)效率高生產(chǎn)效率高 第第 4 4 章章 應(yīng)應(yīng) 變變 式式 傳傳 感感 器器14半導(dǎo)體應(yīng)變片半導(dǎo)體應(yīng)變片原理：原理：壓阻效應(yīng)；壓阻效應(yīng)；優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：體積小、靈敏度高（比金屬體

7、積小、靈敏度高（比金屬應(yīng)變片大幾十倍），機(jī)械滯后??；應(yīng)變片大幾十倍），機(jī)械滯后??；缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：溫度系數(shù)大、非線性差、靈敏溫度系數(shù)大、非線性差、靈敏度分散性大。度分散性大。第第 4 4 章章 應(yīng)應(yīng) 變變 式式 傳傳 感感 器器15應(yīng)變片的應(yīng)變片的粘貼粘貼準(zhǔn)備工作：對彈性元件的準(zhǔn)備工作：對彈性元件的表面進(jìn)行處理表面進(jìn)行處理粘貼應(yīng)變片粘貼應(yīng)變片連線組橋連線組橋復(fù)查復(fù)查固化固化F 第第 4 4 章章 應(yīng)應(yīng) 變變 式式 傳傳 感感 器器16橫向效應(yīng)分析：橫向效應(yīng)分析：xlKLnlRR0)(設(shè)絲總長為設(shè)絲總長為L,對對n段直線部分：段直線部分：平面應(yīng)變場任意方向的線應(yīng)變?yōu)椋浩矫鎽?yīng)變場任意方向的線應(yīng)變?yōu)椋簂

8、 x直線直線段段圓弧圓弧段段對圓弧部分：對圓弧部分：第第 4 4 章章 應(yīng)應(yīng) 變變 式式 傳傳 感感 器器172sin22cos22xyyxyx x y 2cos22yxyxdlll)(drl r ryx22yxrll 第第 4 4 章章 應(yīng)應(yīng) 變變 式式 傳傳 感感 器器18 rRRRRRRrrrr 圓弧部分相對總電阻的變化為：圓弧部分相對總電阻的變化為：210yxKrLn總的電阻變化為：總的電阻變化為：rlRRRrrKLrnRR01 第第 4 4 章章 應(yīng)應(yīng) 變變 式式 傳傳 感感 器器19rlRRR2100yxxKrLnKLnlRRyxKrLnKrLnLnl002121令：令：021Kr

9、LnLnlKx021KrLnKy 第第 4 4 章章 應(yīng)應(yīng) 變變 式式 傳傳 感感 器器20yyxxKKRR定義橫向效應(yīng)系數(shù)定義橫向效應(yīng)系數(shù)C：xyKKC/)(yxxCKRR在單向應(yīng)力狀態(tài)下在單向應(yīng)力狀態(tài)下：xyxxCKRR)1()1(CKKx應(yīng)變片的靈敏系數(shù)應(yīng)變片的靈敏系數(shù)：第第 4 4 章章 應(yīng)應(yīng) 變變 式式 傳傳 感感 器器21 減小橫向效應(yīng)減小橫向效應(yīng) 減小減小Ky短接式短接式箔式箔式?jīng)Q定橫向效應(yīng)大小的因素：決定橫向效應(yīng)大小的因素：橫向部分絲的電阻占總電阻的比例；橫向部分絲的電阻占總電阻的比例；橫向部分絲的總長度。橫向部分絲的總長度。第第 4 4 章章 應(yīng)應(yīng) 變變 式式 傳傳 感感 器

10、器22討論討論1：應(yīng)變片測量的是哪個(gè)物理量，：應(yīng)變片測量的是哪個(gè)物理量，線應(yīng)變的表達(dá)式是什么？線應(yīng)變的表達(dá)式是什么？答答:線應(yīng)變線應(yīng)變答答:長度有限長度有限,阻值太小。阻值太小。討論討論2：測量應(yīng)變?yōu)槭裁床挥靡桓苯穑簻y量應(yīng)變?yōu)槭裁床挥靡桓苯饘俳z，而要繞成柵狀？屬絲，而要繞成柵狀？lldl)(lim0應(yīng)變是一個(gè)點(diǎn)的應(yīng)變，應(yīng)變片測量應(yīng)變是一個(gè)點(diǎn)的應(yīng)變，應(yīng)變片測量到的是柵長內(nèi)的平均應(yīng)變。到的是柵長內(nèi)的平均應(yīng)變。第第 4 4 章章 應(yīng)應(yīng) 變變 式式 傳傳 感感 器器23討論討論3：在應(yīng)變片實(shí)際使用過程中，：在應(yīng)變片實(shí)際使用過程中，利用標(biāo)稱靈敏系數(shù)計(jì)算應(yīng)變，存在利用標(biāo)稱靈敏系數(shù)計(jì)算應(yīng)變，存在哪些原理

11、誤差？哪些原理誤差？1）材料不同引起的誤差）材料不同引起的誤差:不同的材料，其不同的材料，其 不同。即使應(yīng)力狀態(tài)不同。即使應(yīng)力狀態(tài)相同，應(yīng)變場可能不同相同，應(yīng)變場可能不同;2）應(yīng)力狀態(tài)不同引起的誤差）應(yīng)力狀態(tài)不同引起的誤差:)1(CKKx 第第 4 4 章章 應(yīng)應(yīng) 變變 式式 傳傳 感感 器器242）應(yīng)力狀態(tài)不同引起的誤差）應(yīng)力狀態(tài)不同引起的誤差:標(biāo)定標(biāo)定-單向應(yīng)力狀態(tài)；單向應(yīng)力狀態(tài)；其它應(yīng)力狀態(tài)下：其它應(yīng)力狀態(tài)下：第第 4 4 章章 應(yīng)應(yīng) 變變 式式 傳傳 感感 器器25按標(biāo)定靈敏系數(shù)計(jì)算的應(yīng)變值：按標(biāo)定靈敏系數(shù)計(jì)算的應(yīng)變值：誤差誤差特殊：特殊：當(dāng)當(dāng)有有 第第 4 4 章章 應(yīng)應(yīng) 變變 式式

12、 傳傳 感感 器器26討論討論4：應(yīng)變片作為敏感元件與彈性體：應(yīng)變片作為敏感元件與彈性體結(jié)合構(gòu)成傳感器時(shí)，是否要對材料或應(yīng)結(jié)合構(gòu)成傳感器時(shí)，是否要對材料或應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行修正？力狀態(tài)進(jìn)行修正？答：不用。因?yàn)閼?yīng)變片粘貼處的應(yīng)力答：不用。因?yàn)閼?yīng)變片粘貼處的應(yīng)力狀態(tài)是不變的，經(jīng)過校準(zhǔn)以后狀態(tài)是不變的，經(jīng)過校準(zhǔn)以后,只要傳感只要傳感器有良好的重復(fù)性即可。器有良好的重復(fù)性即可。注：應(yīng)變片既可以作為敏感元件測量注：應(yīng)變片既可以作為敏感元件測量應(yīng)變，也可以作為傳感元件測量其它量。應(yīng)變，也可以作為傳感元件測量其它量。第第 4 4 章章 應(yīng)應(yīng) 變變 式式 傳傳 感感 器器274.3 應(yīng)變片的主要參數(shù)應(yīng)變片的主要參數(shù)

13、1.應(yīng)變片的靈敏系數(shù)應(yīng)變片的靈敏系數(shù)k原因：原因：1）基底傳遞衰減；）基底傳遞衰減；2）存在橫向效應(yīng)。）存在橫向效應(yīng)。2.橫向效應(yīng)系數(shù)橫向效應(yīng)系數(shù)FxFx 第第 4 4 章章 應(yīng)應(yīng) 變變 式式 傳傳 感感 器器28橫向效應(yīng)總是起著抵消縱向應(yīng)變的橫向效應(yīng)總是起著抵消縱向應(yīng)變的作用。作用。rr、lCC橫向效應(yīng)小橫向效應(yīng)小采用短接式、直角式橫柵減小橫向采用短接式、直角式橫柵減小橫向效應(yīng)效應(yīng)結(jié)論：結(jié)論：第第 4 4 章章 應(yīng)應(yīng) 變變 式式 傳傳 感感 器器293.應(yīng)變極限應(yīng)變極限在一定溫度下，應(yīng)變片的指示應(yīng)變下降到真實(shí)在一定溫度下，應(yīng)變片的指示應(yīng)變下降到真實(shí)應(yīng)變的應(yīng)變的90%時(shí)的真實(shí)應(yīng)變。時(shí)的真實(shí)應(yīng)變

14、。影響因素：粘接層的厚度、敏感柵材料影響因素：粘接層的厚度、敏感柵材料的彈性變形范圍。的彈性變形范圍。真實(shí)真實(shí)指示指示 第第 4 4 章章 應(yīng)應(yīng) 變變 式式 傳傳 感感 器器304.機(jī)械滯后機(jī)械滯后原因：基底和粘結(jié)劑的殘余變形。原因：基底和粘結(jié)劑的殘余變形。減小方法：使用前進(jìn)行減小方法：使用前進(jìn)行多次循環(huán)加、卸載荷。多次循環(huán)加、卸載荷。指示指示 zm 第第 4 4 章章 應(yīng)應(yīng) 變變 式式 傳傳 感感 器器315.零漂和蠕變零漂和蠕變零漂零漂：指示指示隨時(shí)間隨時(shí)間的漂移（的漂移（未加載未加載、溫度恒定）。溫度恒定）。原因：原因：敏感柵通電流后敏感柵通電流后的溫度效應(yīng)的溫度效應(yīng)應(yīng)變片的內(nèi)應(yīng)力應(yīng)變片

15、的內(nèi)應(yīng)力固化不充分固化不充分蠕變?nèi)渥儯涸谀骋缓愣囟认?，在某一恒定溫度下，對試件對試件加一恒定?yīng)變加一恒定應(yīng)變，這時(shí)，這時(shí)指示應(yīng)變隨時(shí)間變化的特性。指示應(yīng)變隨時(shí)間變化的特性。500指示指示t0 第第 4 4 章章 應(yīng)應(yīng) 變變 式式 傳傳 感感 器器326.應(yīng)變片的阻值和允許電流應(yīng)變片的阻值和允許電流標(biāo)準(zhǔn)化的阻值：標(biāo)準(zhǔn)化的阻值：60 、120 、350 、600 、1000等等允許電流：允許電流：靜態(tài)測量時(shí)：典型取值靜態(tài)測量時(shí)：典型取值25mA；動(dòng)態(tài)測量時(shí)：比靜態(tài)電流大一些。動(dòng)態(tài)測量時(shí)：比靜態(tài)電流大一些。第第 4 4 章章 應(yīng)應(yīng) 變變 式式 傳傳 感感 器器334.4 電阻應(yīng)變片的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性電

16、阻應(yīng)變片的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性一、應(yīng)變波的傳播過程一、應(yīng)變波的傳播過程機(jī)械應(yīng)變以相同于聲波速度的應(yīng)變波形式在材料中傳播。應(yīng)變波在構(gòu)件材料中傳播速度：應(yīng)變波在構(gòu)件材料中傳播速度：Ev 彈性模量彈性模量構(gòu)件材料密度構(gòu)件材料密度應(yīng)變波從基底和粘接劑傳到敏感柵：應(yīng)變波從基底和粘接劑傳到敏感柵：所需時(shí)間為所需時(shí)間為10-8s量級，可以忽略。量級，可以忽略。第第 4 4 章章 應(yīng)應(yīng) 變變 式式 傳傳 感感 器器34二、應(yīng)變片可測頻率的估算二、應(yīng)變片可測頻率的估算1、正弦應(yīng)變波：、正弦應(yīng)變波：Lx1x20 x0sin2x應(yīng)變波在應(yīng)變片敏感柵長度內(nèi)傳播：應(yīng)變波在應(yīng)變片敏感柵長度內(nèi)傳播：應(yīng)變片測量的為柵長內(nèi)線應(yīng)變的平均

17、值。應(yīng)變片測量的為柵長內(nèi)線應(yīng)變的平均值。第第 4 4 章章 應(yīng)應(yīng) 變變 式式 傳傳 感感 器器35設(shè)某測試點(diǎn)的應(yīng)變振動(dòng)方程：設(shè)某測試點(diǎn)的應(yīng)變振動(dòng)方程：距離、速度、波長、頻率的關(guān)系：距離、速度、波長、頻率的關(guān)系：代入振動(dòng)方程，得到波動(dòng)方程：代入振動(dòng)方程，得到波動(dòng)方程：txvf 第第 4 4 章章 應(yīng)應(yīng) 變變 式式 傳傳 感感 器器36 第第 4 4 章章 應(yīng)應(yīng) 變變 式式 傳傳 感感 器器37當(dāng)：當(dāng)：:為應(yīng)變波波幅測量誤差e 第第 4 4 章章 應(yīng)應(yīng) 變變 式式 傳傳 感感 器器38概念：柵長越短，頻響越高。概念：柵長越短，頻響越高。設(shè)設(shè)L=n時(shí)，時(shí)，滿足測試精度要求。滿足測試精度要求。當(dāng)：當(dāng)：

18、第第 4 4 章章 應(yīng)應(yīng) 變變 式式 傳傳 感感 器器392.階躍應(yīng)變波階躍應(yīng)變波90%100%tk10%tk0.8Lts(a)(b)(c)L 第第 4 4 章章 應(yīng)應(yīng) 變變 式式 傳傳 感感 器器404.5 應(yīng)變測量電橋電路應(yīng)變測量電橋電路一、電阻電橋原理一、電阻電橋原理:1、單臂電橋、單臂電橋211RRUIsr432RRUIsrR1R2R3R4USCUsrI1I2ABCD 第第 4 4 章章 應(yīng)應(yīng) 變變 式式 傳傳 感感 器器410scU初始平衡時(shí)：第第 4 4 章章 應(yīng)應(yīng) 變變 式式 傳傳 感感 器器42 第第 4 4 章章 應(yīng)應(yīng) 變變 式式 傳傳 感感 器器43電橋電壓靈敏度2)1(n

19、nUksrU 第第 4 4 章章 應(yīng)應(yīng) 變變 式式 傳傳 感感 器器44單臂電橋的工作特性。單臂電橋的工作特性。第第 4 4 章章 應(yīng)應(yīng) 變變 式式 傳傳 感感 器器45 第第 4 4 章章 應(yīng)應(yīng) 變變 式式 傳傳 感感 器器46R1+R1R2-R2R3R4UscUsr相鄰橋臂，電阻一個(gè)增加、一個(gè)減少相鄰橋臂，電阻一個(gè)增加、一個(gè)減少.2、差動(dòng)電橋：差動(dòng)電橋：RRRRRR2121，若：第第 4 4 章章 應(yīng)應(yīng) 變變 式式 傳傳 感感 器器47R1+R1R2+R2USCUsrR3+R3R4+R43、全橋：全橋：四臂都是應(yīng)變片，且相鄰電阻變化相反四臂都是應(yīng)變片，且相鄰電阻變化相反 第第 4 4 章章

20、 應(yīng)應(yīng) 變變 式式 傳傳 感感 器器48R1+R1R2+R2USCUsrR3+R3R4+R4 第第 4 4 章章 應(yīng)應(yīng) 變變 式式 傳傳 感感 器器49有關(guān)差動(dòng)電橋的說明：有關(guān)差動(dòng)電橋的說明：輸出靈敏度提高。輸出靈敏度提高。增大輸入電壓可提高靈敏度，但受傳增大輸入電壓可提高靈敏度，但受傳感元件功耗限制。感元件功耗限制。采用差動(dòng)電橋可以減小非線性誤差，采用差動(dòng)電橋可以減小非線性誤差，減小程度與電橋結(jié)構(gòu)形式有關(guān)。減小程度與電橋結(jié)構(gòu)形式有關(guān)。(*)具有溫度誤差補(bǔ)償作用。具有溫度誤差補(bǔ)償作用。(*)第第 4 4 章章 應(yīng)應(yīng) 變變 式式 傳傳 感感 器器50典型組橋方式典型組橋方式組橋方式組橋方式 輸出

21、電壓輸出電壓USC溫度補(bǔ)償方法溫度補(bǔ)償方法單臂測量單臂測量一相鄰橋臂接溫度一相鄰橋臂接溫度補(bǔ)償片補(bǔ)償片半橋測量半橋測量自動(dòng)補(bǔ)償自動(dòng)補(bǔ)償對臂測量對臂測量另外兩個(gè)橋臂接兩另外兩個(gè)橋臂接兩個(gè)溫度補(bǔ)償片個(gè)溫度補(bǔ)償片全橋測量全橋測量自動(dòng)補(bǔ)償自動(dòng)補(bǔ)償KUsr41)(4121KUsr)(4141KUsr)(414321KUsr 第第 4 4 章章 應(yīng)應(yīng) 變變 式式 傳傳 感感 器器51二、直流電橋的非線性誤差及二、直流電橋的非線性誤差及其補(bǔ)償其補(bǔ)償對于單臂電橋：對于單臂電橋：有：有：第第 4 4 章章 應(yīng)應(yīng) 變變 式式 傳傳 感感 器器52非線性項(xiàng)非線性項(xiàng)取擬和直線特性：取擬和直線特性：結(jié)論：滿量程輸入時(shí)，

22、非線性偏差最大。結(jié)論：滿量程輸入時(shí)，非線性偏差最大。擬合直線和實(shí)際工作特性之間的偏差為擬合直線和實(shí)際工作特性之間的偏差為非線性誤差。非線性誤差。第第 4 4 章章 應(yīng)應(yīng) 變變 式式 傳傳 感感 器器53.)()()(SFSCSFSCSFSCfUUUe非線性誤差：非線性誤差：第第 4 4 章章 應(yīng)應(yīng) 變變 式式 傳傳 感感 器器54按二項(xiàng)式展開：略去高階小量，非線性偏差簡化為：略去高階小量，非線性偏差簡化為：實(shí)際輸出電壓：實(shí)際輸出電壓：第第 4 4 章章 應(yīng)應(yīng) 變變 式式 傳傳 感感 器器55舉例：舉例：對于電阻應(yīng)變片：設(shè)對于電阻應(yīng)變片：設(shè)maxmax 20002000，K K2 2，則：，則：

23、對于半導(dǎo)體應(yīng)變片：設(shè)對于半導(dǎo)體應(yīng)變片：設(shè)maxmax 10001000，K K125125，則：，則：第第 4 4 章章 應(yīng)應(yīng) 變變 式式 傳傳 感感 器器56減小非線性誤差的措施：減小非線性誤差的措施：采用差動(dòng)半橋采用差動(dòng)半橋USCR1R2R3R4USR兩電阻變化異號(hào)。兩電阻變化異號(hào)。第第 4 4 章章 應(yīng)應(yīng) 變變 式式 傳傳 感感 器器57RRRRRRRRUsr212121141212121141KUsr 第第 4 4 章章 應(yīng)應(yīng) 變變 式式 傳傳 感感 器器58結(jié)論：結(jié)論：理想為線性，一般情況下非線理想為線性，一般情況下非線性性誤差比單臂電橋的小。誤差比單臂電橋的小。212121141K

24、UUsrsc擬和直線特性：擬和直線特性：如果如果:21 第第 4 4 章章 應(yīng)應(yīng) 變變 式式 傳傳 感感 器器59對于全橋?qū)τ谌珮?432143212141KKUUsrSC特殊情況：特殊情況：結(jié)論：理想情況下為線性。結(jié)論：理想情況下為線性。第第 4 4 章章 應(yīng)應(yīng) 變變 式式 傳傳 感感 器器60采用恒流源采用恒流源USCR1R2R3R4II1I2 第第 4 4 章章 應(yīng)應(yīng) 變變 式式 傳傳 感感 器器61當(dāng)當(dāng)4臂產(chǎn)生應(yīng)變時(shí)：臂產(chǎn)生應(yīng)變時(shí)：USCR1R2R3R4II1I2 第第 4 4 章章 應(yīng)應(yīng) 變變 式式 傳傳 感感 器器62432143214141KIRKUsc結(jié)論：非線性誤差為恒壓源的

25、一半。結(jié)論：非線性誤差為恒壓源的一半。第第 4 4 章章 應(yīng)應(yīng) 變變 式式 傳傳 感感 器器63采用雙恒流源采用雙恒流源I0I01423ABDADABBDscRRIuu043210RKI理論上沒有非線性理論上沒有非線性問題：高精度的特性一致的恒流源比問題：高精度的特性一致的恒流源比較難實(shí)現(xiàn)。較難實(shí)現(xiàn)。第第 4 4 章章 應(yīng)應(yīng) 變變 式式 傳傳 感感 器器64交流電橋交流電橋電橋的平衡調(diào)節(jié)電橋的平衡調(diào)節(jié) 第第 4 4 章章 應(yīng)應(yīng) 變變 式式 傳傳 感感 器器65例題：有一應(yīng)變式測力傳感器，彈性元件例題：有一應(yīng)變式測力傳感器，彈性元件為實(shí)心圓柱，直徑為實(shí)心圓柱，直徑D40mm，沿圓柱的軸，沿圓柱的

26、軸向和周向各粘貼兩片應(yīng)變片，應(yīng)變片的靈向和周向各粘貼兩片應(yīng)變片，應(yīng)變片的靈敏系數(shù)敏系數(shù)K1.9，標(biāo)稱阻值，標(biāo)稱阻值R100，構(gòu)成，構(gòu)成全橋。設(shè)力全橋。設(shè)力F10,000N,材料的彈性模量材料的彈性模量E200GPa，泊松比，泊松比 0.3，采用電壓源供，采用電壓源供電，若應(yīng)變片工作電流為電，若應(yīng)變片工作電流為15mA，求電橋輸，求電橋輸出電壓。出電壓。第第 4 4 章章 應(yīng)應(yīng) 變變 式式 傳傳 感感 器器66三、電阻應(yīng)變儀電阻應(yīng)變儀電阻應(yīng)變儀靜態(tài)電阻應(yīng)變儀靜態(tài)電阻應(yīng)變儀動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀 第第 4 4 章章 應(yīng)應(yīng) 變變 式式 傳傳 感感 器器67 第第 4 4 章章 應(yīng)應(yīng) 變變 式式

27、 傳傳 感感 器器68一個(gè)測量通道能接成一個(gè)測量電橋，其工作一個(gè)測量通道能接成一個(gè)測量電橋，其工作原理如圖。原理如圖。有幾個(gè)測量通道，其實(shí)就是能接幾個(gè)測量電橋。有幾個(gè)測量通道，其實(shí)就是能接幾個(gè)測量電橋。測量通道切換 第第 4 4 章章 應(yīng)應(yīng) 變變 式式 傳傳 感感 器器691.橋臂切換法橋臂切換法工作原理橋臂切換法工作原理 第第 4 4 章章 應(yīng)應(yīng) 變變 式式 傳傳 感感 器器70換種畫法換種畫法 第第 4 4 章章 應(yīng)應(yīng) 變變 式式 傳傳 感感 器器71應(yīng)變儀半橋切換工作原理應(yīng)變儀半橋切換工作原理應(yīng)變儀應(yīng)變儀內(nèi)部測內(nèi)部測量通道量通道切換原切換原理理 第第 4 4 章章 應(yīng)應(yīng) 變變 式式 傳傳

28、 感感 器器72 應(yīng)變儀全橋切換原理應(yīng)變儀全橋切換原理 第第 4 4 章章 應(yīng)應(yīng) 變變 式式 傳傳 感感 器器732.公共補(bǔ)償接線法 這種接線方法是單臂半橋接線法這種接線方法是單臂半橋接線法擴(kuò)展，適合于多點(diǎn)測量。擴(kuò)展，適合于多點(diǎn)測量。條件條件多通道應(yīng)變儀多通道應(yīng)變儀被測點(diǎn)比較靠近，在同一個(gè)溫度場中。被測點(diǎn)比較靠近，在同一個(gè)溫度場中。例：一根等強(qiáng)度梁，其上粘貼有多片應(yīng)變片。例：一根等強(qiáng)度梁，其上粘貼有多片應(yīng)變片。等強(qiáng)度梁在等強(qiáng)度梁在P力作用下，要求測量等強(qiáng)度梁上力作用下，要求測量等強(qiáng)度梁上各點(diǎn)的應(yīng)變。各點(diǎn)的應(yīng)變。第第 4 4 章章 應(yīng)應(yīng) 變變 式式 傳傳 感感 器器74 公共接線圖公共接線圖 第

29、第 4 4 章章 應(yīng)應(yīng) 變變 式式 傳傳 感感 器器75公共接線在應(yīng)變儀上的連接原理公共接線在應(yīng)變儀上的連接原理 第第 4 4 章章 應(yīng)應(yīng) 變變 式式 傳傳 感感 器器764.6 溫度誤差及其補(bǔ)償溫度誤差及其補(bǔ)償一、產(chǎn)生原因：一、產(chǎn)生原因：敏感柵的金屬電阻本身隨溫度發(fā)生變化：敏感柵的金屬電阻本身隨溫度發(fā)生變化：Rt=R0（1+t)R t=R0tRt：溫度為：溫度為t時(shí)的電阻值；時(shí)的電阻值；R0：溫度為：溫度為t0時(shí)的電阻值；時(shí)的電阻值；：電阻溫度系數(shù)：電阻溫度系數(shù)C06/10)1250(第第 4 4 章章 應(yīng)應(yīng) 變變 式式 傳傳 感感 器器77試件材料與應(yīng)變材料的線膨脹系數(shù)試件材料與應(yīng)變材料的

30、線膨脹系數(shù)不同引起應(yīng)變片附加形變：不同引起應(yīng)變片附加形變：l0lslg試件試件應(yīng)變片應(yīng)變片應(yīng)變片形變：應(yīng)變片形變：ls=sl0t s:應(yīng)變片線膨應(yīng)變片線膨脹系數(shù)。脹系數(shù)。試件形變：試件形變：lg=gl0t g:試件線膨脹系數(shù)。試件線膨脹系數(shù)。第第 4 4 章章 應(yīng)應(yīng) 變變 式式 傳傳 感感 器器78總的電阻變化：總的電阻變化：R t=R t +R t =R 0 t+R0K(g-s)tR t/R 0=t+K(g-s)t 附加形變：附加形變：l=lg-ls=(g-s)l0t附加應(yīng)變：附加應(yīng)變：=l/l0=(g-s)t附加電阻變化：附加電阻變化：R t=R 0 K=R 0 K(g-s)t折算成應(yīng)變：

31、折算成應(yīng)變：tKtKRRsgtt0 第第 4 4 章章 應(yīng)應(yīng) 變變 式式 傳傳 感感 器器79二、溫度補(bǔ)償方法二、溫度補(bǔ)償方法工作應(yīng)變片貼在試件上，補(bǔ)償片貼在補(bǔ)償件工作應(yīng)變片貼在試件上，補(bǔ)償片貼在補(bǔ)償件上，補(bǔ)償件的材料與試件相同，但是不受力，上，補(bǔ)償件的材料與試件相同，但是不受力，并接入電橋相鄰臂。并接入電橋相鄰臂。設(shè)：R1=R2=R3=R4=R R1t=R2t1、橋路補(bǔ)償法：、橋路補(bǔ)償法：FFR1R2 第第 4 4 章章 應(yīng)應(yīng) 變變 式式 傳傳 感感 器器80tRRRR1UsR1R2 R3R4USCtRRR2受力后受力后:第第 4 4 章章 應(yīng)應(yīng) 變變 式式 傳傳 感感 器器81特點(diǎn)：可以大

32、大減小溫度誤差，但不能完特點(diǎn)：可以大大減小溫度誤差，但不能完全消除溫度誤差。全消除溫度誤差。第第 4 4 章章 應(yīng)應(yīng) 變變 式式 傳傳 感感 器器82工作片、補(bǔ)償片貼在同一構(gòu)件上，但工作片、補(bǔ)償片貼在同一構(gòu)件上，但兩者感受的應(yīng)變符號(hào)相反。兩者感受的應(yīng)變符號(hào)相反。工作片、補(bǔ)償片貼在同一構(gòu)件上，工作片、補(bǔ)償片貼在同一構(gòu)件上，但補(bǔ)償片不受力作用。但補(bǔ)償片不受力作用。PR2R1R1R2 第第 4 4 章章 應(yīng)應(yīng) 變變 式式 傳傳 感感 器器832、應(yīng)變片自補(bǔ)償法、應(yīng)變片自補(bǔ)償法基本思想基本思想：應(yīng)變片當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí)，產(chǎn)生的應(yīng)變片當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí)，產(chǎn)生的附加應(yīng)變?yōu)榱慊蛉舾刹糠种g相互抵消。附加應(yīng)變?yōu)榱?/p>

33、或若干部分之間相互抵消。要使：要使：R t=0 則：則：+K（g-s）=0求得：求得：=-K（g-s）特點(diǎn)：制作簡單、成本低；特點(diǎn)：制作簡單、成本低；缺點(diǎn)缺點(diǎn):只能在某種材料的試件上才能得到補(bǔ)償效果。只能在某種材料的試件上才能得到補(bǔ)償效果。隨溫度變化為非線性時(shí)，引起輸出非線性隨溫度變化為非線性時(shí)，引起輸出非線性。適用于某一種構(gòu)件材料的適用于某一種構(gòu)件材料的自補(bǔ)償應(yīng)變片：自補(bǔ)償應(yīng)變片：第第 4 4 章章 應(yīng)應(yīng) 變變 式式 傳傳 感感 器器84雙金屬敏感柵自補(bǔ)償片雙金屬敏感柵自補(bǔ)償片（組合式自補(bǔ)償應(yīng)變片）（組合式自補(bǔ)償應(yīng)變片）兩種不同溫度系數(shù)（一正一負(fù)）的金屬兩種不同溫度系數(shù)（一正一負(fù)）的金屬絲串

34、聯(lián)繞制成敏感柵。絲串聯(lián)繞制成敏感柵。21RRR總電阻：焊點(diǎn)焊點(diǎn)R1R2注意：注意：R為一個(gè)橋臂電阻。為一個(gè)橋臂電阻。第第 4 4 章章 應(yīng)應(yīng) 變變 式式 傳傳 感感 器器85特點(diǎn)：補(bǔ)償精度高、靈敏度不受損失特點(diǎn)：補(bǔ)償精度高、靈敏度不受損失。第第 4 4 章章 應(yīng)應(yīng) 變變 式式 傳傳 感感 器器86雙金屬半橋片雙金屬半橋片敏感柵由同符號(hào)電阻溫度系數(shù)的敏感柵由同符號(hào)電阻溫度系數(shù)的兩種兩種合金絲合金絲串接而成。串接而成。敏感柵的兩部分電阻敏感柵的兩部分電阻R1和和R2分別接入電橋的分別接入電橋的相鄰兩臂上。相鄰兩臂上。R1R2abc特點(diǎn)：特點(diǎn)：21RR 2121鉑或鉑合金鉑或鉑合金 第第 4 4 章

35、章 應(yīng)應(yīng) 變變 式式 傳傳 感感 器器87優(yōu)點(diǎn)：適合于不同線膨脹系數(shù)的試件，優(yōu)點(diǎn)：適合于不同線膨脹系數(shù)的試件，調(diào)整調(diào)整R R B B，可使熱補(bǔ)償效果達(dá)到最佳。，可使熱補(bǔ)償效果達(dá)到最佳。缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：由于補(bǔ)償柵和工作柵感受相同應(yīng)變，所以補(bǔ)由于補(bǔ)償柵和工作柵感受相同應(yīng)變，所以補(bǔ)償同時(shí)抵消有效應(yīng)變，使輸出靈敏度降低；償同時(shí)抵消有效應(yīng)變，使輸出靈敏度降低；對對R R 2 2要求高要求高,通常為通常為PtPt電阻。電阻。R1R2 R3R4USCRB UsBttRRRRR2211使得：第第 4 4 章章 應(yīng)應(yīng) 變變 式式 傳傳 感感 器器883、靈敏度的熱敏電阻補(bǔ)償法、靈敏度的熱敏電阻補(bǔ)償法溫度升高使應(yīng)變片

36、靈敏度降低溫度升高使應(yīng)變片靈敏度降低輸出輸出UscT并聯(lián)熱敏電阻并聯(lián)熱敏電阻Rt阻值下降阻值下降輸出輸出Usc適當(dāng)選擇電阻適當(dāng)選擇電阻R R5 5可起到補(bǔ)償作用?？善鸬窖a(bǔ)償作用。R1R2 UsrUscR3R4R5 Rt 第第 4 4 章章 應(yīng)應(yīng) 變變 式式 傳傳 感感 器器894.7 應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器=彈性敏感元件彈性敏感元件+應(yīng)變片應(yīng)變片電阻應(yīng)變式傳感器的特點(diǎn)電阻應(yīng)變式傳感器的特點(diǎn):結(jié)構(gòu)簡單、尺寸小、結(jié)構(gòu)簡單、尺寸小、重量輕；重量輕；使用方便、變換電路簡單；使用方便、變換電路簡單；精度高、測量范圍大、穩(wěn)定性好；精度高、測量范圍大、穩(wěn)定性好；測力：零點(diǎn)幾測力：零

37、點(diǎn)幾N到幾百到幾百kN，0.05%F.S 測壓：幾十測壓：幾十Pa至至1011Pa，0.1%F.S價(jià)格便宜、品種多樣；價(jià)格便宜、品種多樣；應(yīng)用廣泛。應(yīng)用廣泛。第第 4 4 章章 應(yīng)應(yīng) 變變 式式 傳傳 感感 器器90傳感器的彈性敏感元件傳感器的彈性敏感元件常用彈性敏感元件：常用彈性敏感元件：彈性梁、柱、筒彈性梁、柱、筒 膜片膜片 膜盒膜盒 框架框架 波紋管波紋管 圓環(huán)圓環(huán) 第第 4 4 章章 應(yīng)應(yīng) 變變 式式 傳傳 感感 器器91常用彈性元件材料常用彈性元件材料強(qiáng)度高：強(qiáng)度高：具有較高的抗壓具有較高的抗壓(或抗拉或抗拉)強(qiáng)度強(qiáng)度,以便在大載以便在大載荷下有足夠的安全性能；荷下有足夠的安全性能；

38、溫度系數(shù)小且穩(wěn)定；溫度系數(shù)小且穩(wěn)定；彈性滯后、彈性后效??；彈性滯后、彈性后效??；良好的機(jī)械加工和熱處理良好的機(jī)械加工和熱處理性能；性能；耐腐蝕性能好。耐腐蝕性能好。鉻鋼鉻鋼合金鋼合金鋼鉻錳彈簧鋼鉻錳彈簧鋼鈹青銅鈹青銅鋁合金鋁合金 第第 4 4 章章 應(yīng)應(yīng) 變變 式式 傳傳 感感 器器92柱式力彈性敏感元件柱式力彈性敏感元件:特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、可承受很大載荷特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、可承受很大載荷多種截面形狀：實(shí)心截面、空心截面多種截面形狀：實(shí)心截面、空心截面軸向產(chǎn)生的應(yīng)力、應(yīng)變（軸向產(chǎn)生的應(yīng)力、應(yīng)變（=0）橫向產(chǎn)生的應(yīng)變（橫向產(chǎn)生的應(yīng)變（=900）第第 4 4 章章 應(yīng)應(yīng) 變變 式式 傳傳 感感 器器93

39、lbhl0R1R3F梁式力彈性敏感元件梁式力彈性敏感元件1.等截面梁等截面梁 第第 4 4 章章 應(yīng)應(yīng) 變變 式式 傳傳 感感 器器942、等強(qiáng)度梁、等強(qiáng)度梁lhFb 第第 4 4 章章 應(yīng)應(yīng) 變變 式式 傳傳 感感 器器953、雙端固定梁式、雙端固定梁式 第第 4 4 章章 應(yīng)應(yīng) 變變 式式 傳傳 感感 器器96 第第 4 4 章章 應(yīng)應(yīng) 變變 式式 傳傳 感感 器器974、環(huán)、環(huán) 第第 4 4 章章 應(yīng)應(yīng) 變變 式式 傳傳 感感 器器98壓力彈性敏感元件壓力彈性敏感元件特點(diǎn)：空心，如：特點(diǎn)：空心，如：彈簧管彈簧管波紋膜片和膜盒波紋膜片和膜盒平膜片平膜片薄壁圓筒薄壁圓筒 第第 4 4 章章

40、應(yīng)應(yīng) 變變 式式 傳傳 感感 器器99 第第 4 4 章章 應(yīng)應(yīng) 變變 式式 傳傳 感感 器器100圓形平膜片圓形平膜片22223183xREhpr2222183xREhptR1R2R3R4r00.58r0(a)(b)prtx 第第 4 4 章章 應(yīng)應(yīng) 變變 式式 傳傳 感感 器器101薄壁圓筒薄壁圓筒 第第 4 4 章章 應(yīng)應(yīng) 變變 式式 傳傳 感感 器器1024.7.1 應(yīng)變式力傳感器應(yīng)變式力傳感器測力傳感器的性能要求：測力傳感器的性能要求：1）線性好；）線性好；2）遲滯??；）遲滯??；3）重復(fù)性好；）重復(fù)性好；4）零漂??；）零漂??；5）蠕變??；）蠕變?。?）測量結(jié)果與力）測量結(jié)果與力的作用

41、位置無關(guān)；的作用位置無關(guān)；7）用于動(dòng)態(tài)測量）用于動(dòng)態(tài)測量時(shí)，頻帶寬。時(shí)，頻帶寬。第第 4 4 章章 應(yīng)應(yīng) 變變 式式 傳傳 感感 器器103測力傳感器應(yīng)標(biāo)明參數(shù)：測力傳感器應(yīng)標(biāo)明參數(shù)：1）量程；）量程；2）精度（線性、重復(fù)性、滯后等）；）精度（線性、重復(fù)性、滯后等）；3）工作頻率；）工作頻率；4）外形尺寸；）外形尺寸；5）使用環(huán)境（溫度、濕度、介質(zhì)、）使用環(huán)境（溫度、濕度、介質(zhì)、安裝處振動(dòng)等）；安裝處振動(dòng)等）；6）安裝方式）安裝方式.第第 4 4 章章 應(yīng)應(yīng) 變變 式式 傳傳 感感 器器104特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、適合大載荷測量特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、適合大載荷測量多種截面形狀：實(shí)心截面、空心截面多種截面形

42、狀：實(shí)心截面、空心截面1、柱式力傳感器、柱式力傳感器 第第 4 4 章章 應(yīng)應(yīng) 變變 式式 傳傳 感感 器器105彈性工作段彈性工作段 第第 4 4 章章 應(yīng)應(yīng) 變變 式式 傳傳 感感 器器106相對兩片串聯(lián)，并置于對臂，消除偏心干擾。相對兩片串聯(lián)，并置于對臂，消除偏心干擾。F 第第 4 4 章章 應(yīng)應(yīng) 變變 式式 傳傳 感感 器器107軸向產(chǎn)生的應(yīng)力、應(yīng)變軸向產(chǎn)生的應(yīng)力、應(yīng)變橫向產(chǎn)生的應(yīng)變橫向產(chǎn)生的應(yīng)變基本原理：基本原理：第第 4 4 章章 應(yīng)應(yīng) 變變 式式 傳傳 感感 器器108舉例：傳感器的尺寸設(shè)計(jì)：舉例：傳感器的尺寸設(shè)計(jì)：額定許用應(yīng)變：額定許用應(yīng)變：1000要求：設(shè)計(jì)要求：設(shè)計(jì)1000

43、kgf空心柱式力傳感器?？招闹搅鞲衅?。彈性元件的材料：彈性元件的材料：40CrNiMoMPab1100MPap800GPaE21029.0a、橫截面的計(jì)算、橫截面的計(jì)算 第第 4 4 章章 應(yīng)應(yīng) 變變 式式 傳傳 感感 器器109 EPPA269467.0101000102108.91000cm選外徑選外徑 d1的原則：的原則：1)不能過小，否則會(huì)失穩(wěn)不能過小，否則會(huì)失穩(wěn),且由于力的且由于力的偏心產(chǎn)生較大誤差；偏心產(chǎn)生較大誤差；2)不能過大，否則會(huì)由于壁太薄產(chǎn)生不能過大，否則會(huì)由于壁太薄產(chǎn)生失穩(wěn)。失穩(wěn)。第第 4 4 章章 應(yīng)應(yīng) 變變 式式 傳傳 感感 器器110取取d1=15mm,mmAd

44、d9.124212,取取d2=13mmb、柱高、柱高h(yuǎn)的計(jì)算的計(jì)算h選擇的原則：選擇的原則：1)不能過大，否則會(huì)產(chǎn)生失穩(wěn)；不能過大，否則會(huì)產(chǎn)生失穩(wěn)；2)不能過小，否則應(yīng)變沿軸線分布不不能過小，否則應(yīng)變沿軸線分布不均勻。均勻。mdh03.021 第第 4 4 章章 應(yīng)應(yīng) 變變 式式 傳傳 感感 器器111c、傳感器輸出計(jì)算、傳感器輸出計(jì)算滿量程下的軸向應(yīng)變?yōu)椋簼M量程下的軸向應(yīng)變?yōu)椋簜鞲衅鞯淖x數(shù)應(yīng)變?yōu)閭鞲衅鞯淖x數(shù)應(yīng)變?yōu)?按全橋計(jì)算）按全橋計(jì)算）：1061EAP273712i恒壓供橋時(shí)，橋壓為：恒壓供橋時(shí)，橋壓為：gARPu2P-敏感柵上的功率密度（敏感柵上的功率密度（W/mm2);Ag-敏感柵面積

45、（敏感柵面積（mm2);第第 4 4 章章 應(yīng)應(yīng) 變變 式式 傳傳 感感 器器112gARPu223/107mmWP?。喝。?53mmAg 350RVu1.125310735023取取u=10V,K=2，則：，則：mVuKuii69.1341 第第 4 4 章章 應(yīng)應(yīng) 變變 式式 傳傳 感感 器器113 第第 4 4 章章 應(yīng)應(yīng) 變變 式式 傳傳 感感 器器114減小橫向力的措施減小橫向力的措施采用空心圓柱型彈性采用空心圓柱型彈性元件；元件；在載荷作用的端部附在載荷作用的端部附加承彎膜片；加承彎膜片；采用扁平式采用扁平式彈性元件彈性元件：第第 4 4 章章 應(yīng)應(yīng) 變變 式式 傳傳 感感 器器1

46、15汽車衡汽車衡整體稱重整體稱重 地秤稱軸重地秤稱軸重 汽車衡稱重系統(tǒng)-地秤的結(jié)構(gòu) 第第 4 4 章章 應(yīng)應(yīng) 變變 式式 傳傳 感感 器器1172、懸臂梁式力傳感器、懸臂梁式力傳感器它適于測量它適于測量500Kg500Kg以下的載荷，最以下的載荷，最小為測幾十克重小為測幾十克重的力，這種傳感的力，這種傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、器具有結(jié)構(gòu)簡單、加工容易、應(yīng)變加工容易、應(yīng)變片易粘貼、靈敏片易粘貼、靈敏度高等特點(diǎn)。度高等特點(diǎn)。第第 4 4 章章 應(yīng)應(yīng) 變變 式式 傳傳 感感 器器11826EbhFlx 第第 4 4 章章 應(yīng)應(yīng) 變變 式式 傳傳 感感 器器119EbhPLM26iLEbhP242問題：傳感

47、器的輸出隨載荷的位置而改變。問題：傳感器的輸出隨載荷的位置而改變。LPhb 第第 4 4 章章 應(yīng)應(yīng) 變變 式式 傳傳 感感 器器120MP問題：為什么開孔？問題：為什么開孔？第第 4 4 章章 應(yīng)應(yīng) 變變 式式 傳傳 感感 器器121EWMPL 21EWMPL 12EWMPL 1443214ukui電橋輸出為：電橋輸出為：EWMPL 23 第第 4 4 章章 應(yīng)應(yīng) 變變 式式 傳傳 感感 器器122EWMPLEWMPLEWMPLEWMPLukui12124EWLLPuk122結(jié)論：電橋輸出與載荷位置無關(guān)！結(jié)論：電橋輸出與載荷位置無關(guān)！適合量程：小量程。適合量程：小量程。應(yīng)用實(shí)例：電子秤 人體

48、秤 第第 4 4 章章 應(yīng)應(yīng) 變變 式式 傳傳 感感 器器1253、圓環(huán)式力傳感器、圓環(huán)式力傳感器特點(diǎn)：測量中等和特點(diǎn)：測量中等和較小力值。較小力值。在在2 0區(qū)域內(nèi)截面的內(nèi)力為：區(qū)域內(nèi)截面的內(nèi)力為：PPsin2)(PN軸力軸力:剪力剪力:cos2)(PQ彎矩彎矩:sinsin2Pr)(00M 第第 4 4 章章 應(yīng)應(yīng) 變變 式式 傳傳 感感 器器12600000cossin2Pr)90(Msinsin2Pr)(00M在在090處：處：在在0090處：處：1sin2Pr)90(000M PP此處應(yīng)變并此處應(yīng)變并非最大。為非最大。為什么在此布什么在此布片？片？第第 4 4 章章 應(yīng)應(yīng) 變變 式式

49、 傳傳 感感 器器127圓環(huán)力傳感器動(dòng)畫演示：圓環(huán)力傳感器動(dòng)畫演示：吊鉤秤 便攜式便攜式 第第 4 4 章章 應(yīng)應(yīng) 變變 式式 傳傳 感感 器器129某應(yīng)變式力傳感器分解圖：某應(yīng)變式力傳感器分解圖：第第 4 4 章章 應(yīng)應(yīng) 變變 式式 傳傳 感感 器器1304.7.2 壓力傳感器壓力傳感器1、正壓力與壓強(qiáng)、正壓力與壓強(qiáng)SFP正壓力：物體與物體在垂直于接觸表面正壓力：物體與物體在垂直于接觸表面方向的相互作用力，單位：方向的相互作用力，單位：N。對于對于流體流體(氣、液氣、液),工程上習(xí)慣稱為壓力。工程上習(xí)慣稱為壓力。壓強(qiáng)：單位面積上作用的正壓力。壓強(qiáng)：單位面積上作用的正壓力。單位：單位：N/m2

50、或或Pa。第第 4 4 章章 應(yīng)應(yīng) 變變 式式 傳傳 感感 器器131適用于測量液體或氣體的壓力適用于測量液體或氣體的壓力.其特性參數(shù)其特性參數(shù)受圓板的周邊的固定情況影響大。受圓板的周邊的固定情況影響大。2、膜片式壓力傳感器膜片式壓力傳感器膜片結(jié)構(gòu)形式膜片結(jié)構(gòu)形式 第第 4 4 章章 應(yīng)應(yīng) 變變 式式 傳傳 感感 器器13232441923212)1(316ERpR為膜片自由變形部分的半徑；為膜片自由變形部分的半徑；為膜片的厚度；為膜片的厚度；為膜片中心的垂直位移；為膜片中心的垂直位移；特點(diǎn)：壓力與位移為非線性關(guān)系。特點(diǎn)：壓力與位移為非線性關(guān)系。波紋膜片：（正弦波、三角波等）波紋膜片：（正弦波

51、、三角波等）為膜片材料的泊松比。為膜片材料的泊松比。第第 4 4 章章 應(yīng)應(yīng) 變變 式式 傳傳 感感 器器1333244cbaERpa,b,c取決于波紋形狀、峰峰值和條紋數(shù)；取決于波紋形狀、峰峰值和條紋數(shù)；特點(diǎn)：壓力與位移為非線性關(guān)系，但非特點(diǎn)：壓力與位移為非線性關(guān)系，但非線性程度比平膜片小。線性程度比平膜片小。第第 4 4 章章 應(yīng)應(yīng) 變變 式式 傳傳 感感 器器134平膜片應(yīng)變分析平膜片應(yīng)變分析膜片在均勻壓力膜片在均勻壓力P的作用下，徑向應(yīng)力的作用下，徑向應(yīng)力 r和切向應(yīng)力和切向應(yīng)力 t為：為：3183222rRhPr31183222rRhPt 第第 4 4 章章 應(yīng)應(yīng) 變變 式式 傳傳

52、感感 器器135式中，式中，R為膜片半徑，為膜片半徑，r為位置參量，為位置參量，h為膜片厚度，為膜片厚度，為材料泊松比。為材料泊松比。利用胡克定律求徑向應(yīng)變和切向應(yīng)變?yōu)椋豪煤硕汕髲较驊?yīng)變和切向應(yīng)變?yōu)椋篍為材料的彈性模量。為材料的彈性模量。由此得到的應(yīng)變分布曲線為：由此得到的應(yīng)變分布曲線為：22223183rREhPr2222183rREhPt 第第 4 4 章章 應(yīng)應(yīng) 變變 式式 傳傳 感感 器器136應(yīng)變分布特點(diǎn)：應(yīng)變分布特點(diǎn)：1）最大正應(yīng)變：正應(yīng)變最大在圓心，）最大正應(yīng)變：正應(yīng)變最大在圓心，方向沿徑向或切向；方向沿徑向或切向；第第 4 4 章章 應(yīng)應(yīng) 變變 式式 傳傳 感感 器器13

53、72)負(fù)應(yīng)變最大在平膜片的固定處，負(fù)應(yīng)變最大在平膜片的固定處，方向沿直徑方向。方向沿直徑方向。第第 4 4 章章 應(yīng)應(yīng) 變變 式式 傳傳 感感 器器138膜片式壓力傳感器的一種敏感元件結(jié)構(gòu)膜片式壓力傳感器的一種敏感元件結(jié)構(gòu)一共一共4個(gè)個(gè)部分；構(gòu)部分；構(gòu)成電橋。成電橋。第第 4 4 章章 應(yīng)應(yīng) 變變 式式 傳傳 感感 器器139平膜片傳感器實(shí)物照片平膜片傳感器實(shí)物照片膜膜片片外殼外殼插座插座 第第 4 4 章章 應(yīng)應(yīng) 變變 式式 傳傳 感感 器器140 第第 4 4 章章 應(yīng)應(yīng) 變變 式式 傳傳 感感 器器1412、筒式壓力傳感器、筒式壓力傳感器設(shè)圓筒的內(nèi)半徑為設(shè)圓筒的內(nèi)半徑為a1;圓筒的外半徑

54、為圓筒的外半徑為a2;112aa令：令：圓筒外表面的周向和軸向應(yīng)力分別為：圓筒外表面的周向和軸向應(yīng)力分別為：122Pt12Pz1）圓筒內(nèi)作用壓力）圓筒內(nèi)作用壓力PR1R2Pa1a2 z t 第第 4 4 章章 應(yīng)應(yīng) 變變 式式 傳傳 感感 器器142圓筒外表面的周向和軸向應(yīng)變分別為：圓筒外表面的周向和軸向應(yīng)變分別為：PEEztt)1(212PEEtzz)1(2112特點(diǎn)特點(diǎn)：兩個(gè)方向的應(yīng)變皆大于零；周向：兩個(gè)方向的應(yīng)變皆大于零；周向應(yīng)變大于軸向應(yīng)變。應(yīng)變大于軸向應(yīng)變。第第 4 4 章章 應(yīng)應(yīng) 變變 式式 傳傳 感感 器器143布片方案布片方案：兩個(gè)周向應(yīng)變片和兩個(gè)溫度：兩個(gè)周向應(yīng)變片和兩個(gè)溫度

55、補(bǔ)償片，恒壓電橋輸出為：補(bǔ)償片，恒壓電橋輸出為：KuKuuooi214132圓筒內(nèi)表面的周向和軸向圓筒內(nèi)表面的周向和軸向應(yīng)力分別為：應(yīng)力分別為：2)2)圓筒外作用壓力圓筒外作用壓力 第第 4 4 章章 應(yīng)應(yīng) 變變 式式 傳傳 感感 器器144Pt1222Pz122內(nèi)表面的周向應(yīng)變?yōu)閮?nèi)表面的周向應(yīng)變?yōu)樨?fù)負(fù)，大小為：，大小為：PEEztt)1(5.0212232恒壓電橋輸出為：恒壓電橋輸出為：tooiKuKuu21)(4132 第第 4 4 章章 應(yīng)應(yīng) 變變 式式 傳傳 感感 器器1454.7.3 應(yīng)變式位移傳感器應(yīng)變式位移傳感器梁式彈性元件位移傳感梁式彈性元件位移傳感器器 第第 4 4 章章 應(yīng)

56、應(yīng) 變變 式式 傳傳 感感 器器146組合應(yīng)變式位移傳感器組合應(yīng)變式位移傳感器關(guān)系：被測位移彈簧變形梁位移關(guān)系：被測位移彈簧變形梁位移 第第 4 4 章章 應(yīng)應(yīng) 變變 式式 傳傳 感感 器器1474.7.4 扭矩傳感器扭矩傳感器0901802703124 第第 4 4 章章 應(yīng)應(yīng) 變變 式式 傳傳 感感 器器148扭力扳手-反映力和力臂的乘積大小 可用于汽車、摩托車、飛機(jī)、內(nèi)燃機(jī)、機(jī)械可用于汽車、摩托車、飛機(jī)、內(nèi)燃機(jī)、機(jī)械制造和家用電器等領(lǐng)域，準(zhǔn)確控制緊固螺紋的制造和家用電器等領(lǐng)域，準(zhǔn)確控制緊固螺紋的裝配扭矩。量程裝配扭矩。量程2500N.m，耗電量，耗電量10mA，有公制有公制/英制單位轉(zhuǎn)換

57、、峰值保持、自動(dòng)斷電英制單位轉(zhuǎn)換、峰值保持、自動(dòng)斷電等功能。等功能。第第 4 4 章章 應(yīng)應(yīng) 變變 式式 傳傳 感感 器器1504.7.5 加速度傳感器加速度傳感器設(shè)被測對象的設(shè)被測對象的運(yùn)動(dòng)規(guī)律為：運(yùn)動(dòng)規(guī)律為：tyysin0對質(zhì)量塊進(jìn)行受力對質(zhì)量塊進(jìn)行受力分析：分析：彈簧的作用力為：彈簧的作用力為：KxF 第第 4 4 章章 應(yīng)應(yīng) 變變 式式 傳傳 感感 器器151阻尼力為：dtdxcP 慣性力為：慣性力為：22)(dtxydmR質(zhì)量塊受力平衡分析：質(zhì)量塊受力平衡分析：0FPR注注：此處的：此處的x為去除掉重為去除掉重力力mg引起的彈簧變形后引起的彈簧變形后的彈簧變形量。的彈簧變形量。PFR

58、 第第 4 4 章章 應(yīng)應(yīng) 變變 式式 傳傳 感感 器器152即：0)(22Kxdtdxcdtxydm或：或：tyxmKdtdxmcdtxdsin2022令：令：mK20固有頻率固有頻率02mc阻尼比阻尼比上式改寫為：上式改寫為：tyxdtdxdtxdsin22020022 第第 4 4 章章 應(yīng)應(yīng) 變變 式式 傳傳 感感 器器153tyxdtdxdtxdsin22020022解為：解為：00sintxx202220200041yxtyxdtdxdtxdsin121202002220 第第 4 4 章章 應(yīng)應(yīng) 變變 式式 傳傳 感感 器器154tyysin0tatyyasinsin002 20

59、2220200041yx2022200220041yx 第第 4 4 章章 應(yīng)應(yīng) 變變 式式 傳傳 感感 器器155200ya 2022200220041yx202220020041ax結(jié)論：結(jié)論：在適當(dāng)?shù)墓ぷ黝l率范圍內(nèi)，利在適當(dāng)?shù)墓ぷ黝l率范圍內(nèi)，利用變形用變形x0測量加速度測量加速度a0。第第 4 4 章章 應(yīng)應(yīng) 變變 式式 傳傳 感感 器器156當(dāng)：當(dāng)：0時(shí)，時(shí)，2000 xa 一般情況：一般情況：時(shí)，在5.07.002000 xa 202220020041ax輸出相位角為：輸出相位角為：200012arctg 第第 4 4 章章 應(yīng)應(yīng) 變變 式式 傳傳 感感 器器157AKB0=20.8

60、0.60.5 1 2 3 4 5 543210加速度傳感器幅頻特性加速度傳感器幅頻特性 第第 4 4 章章 應(yīng)應(yīng) 變變 式式 傳傳 感感 器器158 第第 4 4 章章 應(yīng)應(yīng) 變變 式式 傳傳 感感 器器159剛度為：剛度為：3306LhEbK 固有頻率為：固有頻率為：330206mLhEb懸臂梁加速度傳感器懸臂梁加速度傳感器 第第 4 4 章章 應(yīng)應(yīng) 變變 式式 傳傳 感感 器器160注意：注意：質(zhì)量質(zhì)量m m應(yīng)該包括梁的等效質(zhì)量。應(yīng)該包括梁的等效質(zhì)量。設(shè)質(zhì)量塊受到的作用力為設(shè)質(zhì)量塊受到的作用力為P，撓度為：，撓度為：EIPLx230梁表面最大應(yīng)變?yōu)椋毫罕砻孀畲髴?yīng)變?yōu)椋篍WPL兩式相除：兩式

61、相除：hLx20hLx20則加速度為：則加速度為：33022006mLhEbhLxamLhEb620 第第 4 4 章章 應(yīng)應(yīng) 變變 式式 傳傳 感感 器器161mlEA20mFmlEAEAFlxa200mEAa特點(diǎn)：固有頻率高。特點(diǎn)：固有頻率高。柱式加速度傳感器柱式加速度傳感器 第第 4 4 章章 應(yīng)應(yīng) 變變 式式 傳傳 感感 器器1622146352143 它是一種慣性式傳它是一種慣性式傳感器。質(zhì)量塊感器。質(zhì)量塊m m沿加速沿加速度度a a相反的方向運(yùn)動(dòng)相反的方向運(yùn)動(dòng)（即相對于基座運(yùn)動(dòng)），（即相對于基座運(yùn)動(dòng)），使梁發(fā)生形應(yīng)變，應(yīng)變使梁發(fā)生形應(yīng)變，應(yīng)變片的電阻發(fā)生變化，產(chǎn)片的電阻發(fā)生變化，產(chǎn)生輸出信號(hào)，輸出信號(hào)生輸出信號(hào)，輸出信號(hào)的大小與加速度成正比的大小與加速度成正比?？偨Y(jié)：總結(jié)：第第 4 4 章章 應(yīng)應(yīng) 變變 式式 傳傳 感感 器器163本章要點(diǎn)本章要點(diǎn)應(yīng)變片的工作原理應(yīng)變片的工作原理測量電路（電橋）分析測量電路（電橋）分析非線性誤差和溫度誤差及其補(bǔ)償非線性誤差和溫度誤差及其補(bǔ)償（橋路補(bǔ)償方法）（橋路補(bǔ)償方法）常用應(yīng)變式傳感器的分析計(jì)算常用應(yīng)變式傳感器的分析計(jì)算 第第 4 4 章章 應(yīng)應(yīng) 變變 式式 傳傳 感感 器器164應(yīng)變片在懸臂梁上的粘貼及變形