应变片式压力传感器.pptx

BF-AB
BF-AA
BF-FB
BF-BB-A
BF-BB
BF-GB-C
BF-GB-A
BF-GB
BF-HA-E
BF-HA-B
BF-HA
BF-FG-C BF-FG-A BF-FG
BF-EB-A BF-EB
BF-14KA BF-10KA
BF-6KA
优点 ：
（1）尺寸准确，线条均匀，适应不同的测量要求， （2）可制成多种复杂形状尺寸准确的敏感栅 （3）与被测试件接触面积大，粘结性能好。
RR 1R2(R3R4)R4R3(R 1R2) (R 1R2)(R3R4)
I L U R L ( R 1 R 2 )R 3 ( R 4 ) R 1 R R 4 1 R 2 R ( R 2 R 3 3 R 4 ) R 3 R 4 ( R 1 R 2 )
IL=0直流电桥平衡条件,平衡条件：
△R/R↑即ε↑→δ↑
（2.1.30）
电桥灵敏度
Ku

Uo R R

1U 4
ε=0、△T≠0→Uo ≠ 0， △RT1 对Uo有影响 ε ≠ 0、△T≠0→Uo ≠ 0， 且△RT1 对Uo有影响
减小非线性误差采用的措施为：
（1）采用半桥差动电路 R1＋⊿R1
R2－⊿R2
U0
F
R1
R3
R4
U
R2
单臂电桥，即R1桥臂变化ΔR，
U
实际输出电压
U 0U 4R R 2 RU 4 R R 11 2 R R 1
（2.1.28）
UO与△R/R呈非线性关系，即UO与ε 呈非线性关系。
理想的线性关系
U0'

南
窗
以
寄
傲
，
审
容
膝
之
易
安
。
66、节制使快乐增加并使享受加强。 ——德 谟克利 特 67、今天应做的事没有做，明天再早也 是耽误 了。——裴斯 泰洛齐 68、决定一个人的一生，以及整个命运 的，只 是一瞬 之间。 ——歌 德 69、懒人无法享受休息之乐。——拉布 克 70、浪费时间是一桩大罪过。——卢梭
文 家 。汉 族 ，东 晋 浔阳 柴桑 人 （今 江西 九江 ） 。曾 做过 几 年小 官， 后辞 官 回家 ，从 此 隐居 ，田 园生 活 是陶 渊明 诗 的主 要题 材， 相 关作 品有 《饮 酒 》 、 《 归 园 田 居 》 、 《 桃花 源 记 》 、 《 五 柳先 生 传 》 、 《 归 去来 兮 辞 》 等 。
压阻应变片式压力传感器
6
、
露
凝
无
游
氛
，
天
高
风
景
澈
。
7、翩翩新 来燕，双双入我庐 ，先巢故尚在，相 将还旧居。
8
、
吁
嗟
身
后
名
，
于
我
若
浮
烟
。
9、 陶渊 明（ 约 365年 —427年 ），字 元亮， （又 一说名 潜，字 渊明 ）号五 柳先生 ，私 谥“靖 节”， 东晋 末期南 朝宋初 期诗 人、文 学家、 辞赋 家、散

3)按信号变换特征:
能量转换型和能量控制型.
能量转换型:直接由被测对象输入能量使其工作. 例如:热电偶温度计,压电式加速度计. 能量控制型:从外部供给能量并由被测量控制外部 供给能量的变化.例如:电阻应变片.
按照传感器的用途来分类
例如位移传感器、压力传感器、振动传 感器、温度传感器等。 根据传感器输出是模拟信号还是数字信号 模拟传感器、数字传感器。 根据转换过程可逆与否 双向传感器、单向传感器等。
例：设 K=2 ，要求非线性误差 δ<1% ，试求允许测量的 最大应变值εmax。
1 K m a x 0 .01 2
2 0 . 01 2 0 . 01 0 . 01 10000 max K 2
结论：如果被测应变大于10000με，采用等臂电桥时的 非线性误差大于1%。
R R R R 1 4 2 3 U E g R R R R 1 2 3 4
设R1为应变片的阻值，工作时R1有一增量ΔR，当为拉 伸应变时， ΔR 为正；压缩应变时， ΔR 为负。在上式 中以R1+ΔR代替R1，则:
R R R R R 1 4 2 3 U E g R R R R R 1 2 3 4

上式表明：
①当ΔRi<<R时，输出电压与应变呈线性关系。 ②若相邻两桥臂的应变极性一致，即同为拉应变或压 应变时，输出电压为两者之差；若相邻两桥臂的极性 不同时，输出电压为两者之和。 ③若相对两桥臂应变的极性一致时，输出电压为两者 之和；相对桥臂的应变极性相反时，输出电压为两者 之差。
利用上述特点可进行温度补偿和提高测量的灵敏度。
则电桥的相对非线性误差为:
E E 1 1 2 1 3 K K 1 K K K 1 1 21 3 4 42 4 8 K K K E 2 4 8 K 4

通常采用线路补偿和应变片的自补偿法，对应变片 的温度误差进行补偿。
Rt R(1 t )
Rt R R R t R t
t t t0
Rt
──为温度为t时的应变片电阻值
R ──为温度为t0时的应变片电阻值

──为应变片的电阻温度系数
l l 线膨胀系数： l t
第四节
应变式压力传感器
一、金属应变片压力传感器 1. 金属应变片原理 2. 金属应变片的结构和主要参数 3. 金属电阻应变片电桥电路 4. 金属电阻应变片的温度误差及补偿方法 5. 应变式压力传感器 二、压阻式压力传感器 1. 传感器原理 2. 硅压阻式传感器
一、金属应变片压力传感器
金属应变片又称为金属电阻应变片，它是能将 机械构件上应变的变化转变为电阻变化的传感 元件，它与相应的测量电路可组成测力、测压、 称重、测位移、测加速度等测量系统，目前它 是国内外应用数量较多的一种传感元件。
1、 金属应变片的工作原理
导体或半导体材料在外界力的作用下产生机械变形时，其 电阻值会相应地发生变化，这种现象称为应变效应。 下图所示的金属电阻丝，在其未受力时，假设其初始电阻 值为：
R=
l
A
ρ为 电阻丝的电阻率； l 为 电阻丝的长度； A为电阻丝的截面积。
当电阻丝受到轴向的拉力F作用时，将伸长Δl，横截面积 相应减小ΔA，电阻率因材料晶格发生变形等因素影响而 改变了Δρ，从而引起的电阻值相对变化量为:
体积膨胀系数： V
V V t
(1)线路补偿法
见右图，测量应变时，检测应 变片R1贴在弹性元件的表面上， F 补偿应变片RB贴在与弹性元件 材料完全相同的补偿块上，但 补偿块不承受外作用力，仅检 测片承受应变。R1和RB是相同 的应变片，当弹性元件不承受 应变时， R1和RB处于同一环 境温度下。 R3=R4

托里拆利用1米长一端封闭的玻璃柱做的实验注满水银后倒立在水银槽内水银的高度为760mm如果是水应该是10336m202149传感器与检测技术教程表压绝对压力和负压真空度的关系大气压力线绝对压力零线绝对压力202149传感器与检测技术教程32应变式压力计straingauge电阻应变效应当电阻丝在外力作用下发生机械变形时其电阻值将发生变化这种现象称为电阻应变效设有一根长度为l截面积为s电阻率传感器与检测技术教程一电阻应变效应当它受到轴向力f而被拉伸或压缩时其均发生变化如图所示因而导体的电阻随之发生变化
25
5 应变片粘贴
传感器与检测技术教程
(1) 准备：
① 试件——在粘贴部位的表面，用砂布在与轴 向成45°的方向交叉打磨至Ra为6.3μm→清洗 净打磨面→划线，确定贴片坐标线→均匀涂一 薄层粘结剂作底；
② 应变计——外表和阻值检查→刻划轴向标记 →清洗。
(2) 涂胶：
在准备好的试件表面和应变计基底上均匀涂一薄 层粘结剂。
21
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22
3 金属箔式应变片
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它是利用照相制版或光刻技术将厚约0.003～ 0.01mm的金属箔片制成所需图形的敏感栅，也 称为应变花。如图。
23
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优点： ① 可制成多种复杂形状尺寸准确的敏感栅，其栅
长l可做到0.2mm，以适应不同的测量要求； ② 与被测件粘贴结面积大； ③ 散热条件好，允许电流大，提高了输出灵敏度； ④ 横向效应小。 ⑤ 蠕变和机械滞后小，疲劳寿命长
R K
R
K R
R
30
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K 为金属应变片的灵敏系数。注意，K 是在试 件受一维应力作用，应变片的轴向与主应力方向一 致，且试件材料的泊松比为 0.285 的钢材时测得的。

详细描述
在桥梁和建筑物中安装应变片传感器，实时监测结构的应变变化，包括载荷、温 度、湿度等影响因素。通过数据分析，可以评估结构的健康状况，及时发现潜在 的安全隐患，并采取相应的维护措施。
机械设备的状态监测
总结词
利用应变片传感器监测机械设备的应力、应变和振动等参数，评估其运行状态和预测故障。
详细描述
下的测量。
总结词
成本低、易于加工
详细描述
陶瓷应变片的成本较低，易于加工和制造 ，可以制作出各种形状和规格的应变片。
总结词
电气性能优良
详细描述
陶瓷应变片的电气性能优良，具有高灵敏 度和低输出阻抗的特点，能够实现快速响 应和精确测量。
光纤应变片
总结词
非接触式测量、抗电磁干扰
详细描述
光纤应变片采用光纤材料，利用光的干涉和折射原理测量 应变，具有非接触式测量和抗电磁干扰的特点。
优化结构设计
通过改进和优化应变片传感器的结构 设计，提高其测量精度和稳定性，减 少环境因素和机械噪声对测量结果的 影响。
误差补偿和校准技术
采用先进的误差补偿和校准技术，对 应变片传感器的输出信号进行修正和 处理，提高测量结果的准确性和可靠 性。
降低成本与推广应用
批量生产与自动化制造
通过实现应变片传感器的批量生产和自 动化制造，降低生产成本，提高生产效 率，进一步推广应用。
04
详细描述
半导体应变片的温度系数较小，能够 在较宽的温度范围内保持稳定的性能 。
06
详细描述
半导体应变片易于与集成电路集成，可以实现 微型化和集成化，适用于各种小型化和便携式 的测量系统。
陶瓷应变片
总结词
耐高温、化学稳定性好
详细描述

要满足电桥平衡条件,

U0
=0, 则有
Z1 Z4 = Z2 Z3
取Z1= Z2 = Z3 = Z4， 可得
1
R1 jwR1C1
R4
1
R2 jwR2C2
R3
21
整理得
R3 R1

jwR3C1

R4 R2

jwR4C2
其实部、 虚部分别相等, 并整理可得交流电桥的平衡条件为:
R2 R4 R1 R3 及 R2 C1 R1 C2
相邻相减，相对相加。
4
一、 直流电桥
1.
电桥如图 2-29 所示, U为电源, R1、R2、R3 及R4为桥臂电阻, RL为负载电阻。
5
图2-29 直流电桥
6
退出
U0
U ( R1 R1 R2

R3 ) R3 R4
当电桥平衡时, Uo=0, 则有
R1R4 = R2R3
或
R1 R3 R2 R4
R
106 m
则ΔR=1.64×103 ×R=1.64×103 ×120Ω=0.1968Ω
U0

Ui 4

R R

3 4
1.64 103
1.23103 V
=1.23(mV) 25
2-2 如果将120Ω的应变片贴在柱形弹性试件上，该试件 的截面积S=0.5×10-4m2，材料弹性模量E=2×1011 N/m2。 若由5×104N的拉力引起应变片电阻变化为1.2Ω，求该 应变片的灵敏系数K。
8
U0
U ( R1 R1 R1 R1 R2

R3 R3 R4
)
U

n 产生机械滞后的原因，主要是金属丝、粘结剂和 基底在承受机械应变后都留有残余变形。
n 零漂：已粘贴的应变片，在温度保持恒定、试件 上没有应变的情况下，应变片的指示应变会随时 间的增长而逐渐变化，此变化就是应变片的零点 漂移。
n 蠕变：已粘贴的应变片，在温度保持恒定时，承 受某一恒定机械应变长时间的作用，应变片的指 示应变会随时间而变化。
n 当温度在-200℃--0℃范围内时，铂热电阻和温度 的关系为
当温度在0℃--850℃范围内时，铂热电阻和温度 的关系为
n 式中 t —摄氏温标下的温度值；
Rt—t℃时的阻值； R0—0℃时的阻值；
A— 常数，
B— 常数，
C— 常数，
n 2 铜热电阻传感特性 n 铜热电阻的温度系数比铂热电阻大，价格低，而
n 温度改变引起电阻变化的主要因素有二：其一是应 变片电阻丝的温度系数；其二是电阻丝材料与试件 材料的线膨胀系数不同。
n 5 应变极限
n 指当温度一定时，指示应变和真实应变的相对差值 不超过一定数值时的最大真实应变数值。一般规定 此差值为10％，即指示应变数值为真实应变的90％ 时的真实应变值称为应变片的极限。
但是在输出结果中还存在始终等于同相输入Ui+
的另一项，这使得输出电压与差分输入电压呈
非线性关系。
n 图2-34为改进的差动放大电路。利用虚短和虚 断的概念，得到Uo的表达式为
n 令Z2＝Z1，Z3=Zf
n 2.1.3 电阻应变片的主要特性
n 1 灵敏系数
n 灵敏系数为应变片的电阻相对变化与试件主应力 方向的应变之比。
n 电阻应变片的灵敏系数与单纯的电阻丝的灵敏系 数是不相同的,原因：
(1) 试件的形变是通过剪力传到敏感栅上的。

（3-8）
第3章 应变式传感器
灵敏系数K受两个因素影响：一个是应变片受力后材料几何 尺寸的变化， 即1+2μ；另一个是应变片受力后材料的电阻率发 生的变化， 即（dρ/ρ）/ε。对金属材料来说，电阻丝灵敏度系数 表达式中1+2μ的值要比(dρ/ρ)/ε大得多，而半导体材料的(dρ/ρ)/ε 项的值比1+2μ大得多。大量实验证明，在电阻丝拉伸极限内， 电阻的相对变化与应变成正比，即K为常数。
对变化ΔR/R。理论和实验表明，在一定应变范围内ΔR/R与εt的
R R

Kt
式中， εt为应变片的轴向应变。
（3-16）
定义K=(ΔR/R)/εt为应变片的灵敏系数。它表示安装在被测试 件上的应变在其轴向受到单向应力时，引起的电阻相对变化
(ΔR/R)与其单向应力引起的试件表面轴向应变(εt) 之比。
第3章 应变式传感器
敏感栅是应变片的核心部分，它粘贴在绝缘的基片上，其 上再粘贴起保护作用的覆盖层，两端焊接引出导线。金属电阻 应变片的敏感栅有丝式和箔式两种形式，如图3-3所示。丝式金 属电阻应变片的敏感栅由直径0.01～0.05mm的电阻丝平行排列 而成。箔式金属电阻应变片是利用光刻、腐蚀等工艺制成的一 种很薄的金属箔栅， 其厚度一般为0.003~0.01mm，可制成各种 形状的敏感栅（即应变花），其优点是表面积和截面积之比大， 散热性能好，允许通过的电流较大，可制成各种所需的形状， 便于批量生产。覆盖层与基片将敏感栅紧密地粘贴在中间，对 敏感栅起几何形状固定和绝缘、保护作用，基片要将被测体的 应 变 准 确 地 传 递 到 敏 感 栅 上 ， 因 此 它 很 薄 ， 一 般 为 0.03 ～ 0.06mm, 使它与被测体及敏感栅能牢固地粘合在一起，此外它 还应有良好的绝缘性能、抗潮性能和耐热性能。基片和覆盖层 的材料有胶膜、纸、玻璃纤维布等。

传感器简图：
灵敏度与误差分析：

误差来源
电阻应变片引起的误差 用应变片测量时，由于环境温度所引起的电阻变化与试 件应变所造成的电阻变化几乎有相同的数量级，从而产 生很大的测量误差。 造成应变片温度误差的原因主要有 两个：
（1）应变片的电阻丝(敏感栅)具有一定温度系数；
（2）电阻丝材料与测试材料的线膨胀系数不同。

本设计的称重传感器就是利用应变片阻值的变化量来确定弹性 元件的微小应变，从而利用力，受力面积及应变之间的关系来确定 力的大小，进而求得产生作用力的物体的质量。应变片阻值的变化 可以通过后续的处理电路求得。
设计初衷：

随着技术的进步,由称重传感器制作的电子衡器已广泛地应用到 各行各业,实现了对物料的快速、准确的称量，特别是随着微处理机 的出现，工业生产过程自动化程度化的不断提高，称重传感器已成 为过程控制中的一种必需的装置，从以前不能称重的大型罐、料斗 等重量计测以及吊车秤、汽车秤等计测控制。
(1 2)

由材料电阻率变化引起的
( ) 1


对于金属材料 ( ) 1 项的值比 (1 2) 小很多，可以忽略， 所以 K 1 2 大量实验证明， 在电阻丝拉伸比例极限内，电阻 的相对变化与应变对于金属丝材料成正比，即为常数。通常金属丝 的=1.7-3,6。可写成
电阻应变片式 压力传感器1 (1)
光电传感器
超声波液位传感器

与此相比我们的传感器具有结构简单，定位精度 较高，不需调试，灵敏度较高，耗电少，体积小 等诸多优点。
较之不足的就是定位精度稳定性与市场成熟的传 感器还有差距

设计初衷：

随着技术的进步,由称重传感器制作的电子衡器已广泛地应用到 各行各业,实现了对物料的快速、准确的称量，特别是随着微处理机 的出现，工业生产过程自动化程度化的不断提高，称重传感器已成 为过程控制中的一种必需的装置，从以前不能称重的大型罐、料斗 等重量计测以及吊车秤、汽车秤等计测控制。