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第二章_应变片式传感器(讲).ppt

第二章_应变片式传感器(讲)

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2019-06-20 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《第二章_应变片式传感器(讲)ppt》,可适用于综合领域

第二章应变传感器本章学习要求:掌握金属应变片传感器的机构原理及特性对电阻应变片测量电桥的分析,掌握电桥的结构、形式、特点及相关的计算。特性分析及应用安徽工程大学电阻应变式传感器应变片电阻应变片工作原理是基于金属导体的应变效应即金属导体在外力作用下发生机械变形时其电阻值随着所受机械变形(伸长或缩短)的变化而发生变化象。电阻应变式传感器)工作原理(电阻应变效应)上述任何一个参数变换均会引起电阻变化,求导数电阻应变式传感器电阻应变式传感器有:金属丝体积不变:电阻应变式传感器有:对金属材料导电率不变:金属丝应变片:应变计电阻应变式传感器金属应变计电阻应变式传感器半导体应变计简化为:优点:灵敏度大体积小缺点:温度稳定性和可重复性不如金属应变片。)应变片的主要参数)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)。电阻应变式传感器)几何参数:表距L和丝栅宽度b制造厂常用b×L表示。)电阻值:应变计的原始电阻值。)灵敏系数:表示应变计变换性能的重要参数。直流电桥平衡条件E为电源电压R、R、R及R为桥臂电阻RL为负载电阻当RL→∞时电桥输出电压为当电桥平衡时Uo=则有或RR=RR)应变片测量电路电阻应变式传感器为电桥平衡条件电压灵敏度应变片工作时其电阻值变化很小电桥相应输出电压也很小一般需要加入放大器进行放大。由于放大器的输入阻抗比桥路输出阻抗高很多所以此时仍视电桥为开路情况。当受应变时若应变片电阻变化为ΔR其它桥臂固定不变电桥输出电压Uo≠则电桥不平衡输出电压为电阻应变式传感器电阻应变式传感器设桥臂比n=RR由于ΔR<<R分母中ΔRR可忽略并考虑到平衡条件RR=RR则上式可写为电桥电压灵敏度定义为从上式分析发现:①电桥电压灵敏度正比于电桥供电电压供电电压越高电桥电压灵敏度越高但供电电压的提高受到应变片允许功耗的限制所以要作适当选择②电桥电压灵敏度是桥臂电阻比值n的函数恰当地选择桥臂比n的值保证电桥具有较高的电压灵敏度。当E值确定后n取何值时才能使KU最高。电阻应变式传感器由dKUdn=求KU的最大值得求得n=时KU为最大值。这就是说在供桥电压确定后当R=R=R=R时电桥电压灵敏度最高此时有从上述可知当电源电压E和电阻相对变化量ΔRR一定时电桥的输出电压及其灵敏度也是定值且与各桥臂电阻阻值大小无关。电阻应变式传感器非线性误差及其补偿方法式是略去分母中的ΔRR项电桥输出电压与电阻相对变化成正比的理想情况下得到的实际情况则应按下式计算即电阻应变式传感器如果是四等臂电桥R=R=R=R即n=则对于一般应变片来说所受应变ε通常在μ以下若取KU=则ΔRR=KUε=代入式计算得非线性误差为若KU=ε=μ时ΔRR=则得到非线性误差为故当非线性误差不能满足测量要求时必须予以消除。电阻应变式传感器为了减小和克服非线性误差常采用差动电桥如图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(a)所示。该电桥输出电压为图差动电桥电阻应变式传感器若ΔR=ΔRR=RR=R则得由式可知Uo与ΔRR成线性关系差动电桥无非线性误差而且电桥电压灵敏度KU=E是单臂工作时的两倍同时还具有温度补偿作用。电阻应变式传感器若将电桥四臂接入四片应变片如图(b)所示即两个受拉应变两个受压应变将两个应变符号相同的接入相对桥臂上构成全桥差动电路。若ΔR=ΔR=ΔR=ΔR且R=R=R=R则此时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倍同时仍具有温度补偿作用。电阻应变式传感器电阻应变式传感器电阻应变片的选择、粘贴技术目测电阻应变片有无折痕断丝等缺陷有缺陷的应变片不能粘贴。用数字万用表测量应变片电阻值大小。同一电桥中各应变片之间阻值相差不得大于欧姆试件表面处理:贴片处置用细纱纸打磨干净用酒精棉球反复擦洗贴处直到棉球无黑迹为止。应变片粘贴:在应变片基底上挤一小滴胶水轻轻涂抹均匀立即放在应变贴片位置。电阻应变式传感器焊线:用电烙铁将应变片的引线焊接到导引线上。用兆欧表检查应变片与试件之间的绝缘组织应大于M欧。应变片保护:用硅橡胶覆于应变片上防止受潮。应变片的温度误差及补偿应变片的温度误差由于测量现场环境温度的改变而给测量带来的附加误差称为应变片的温度误差。产生应变片温度误差的主要因素有下述两个方面。)电阻温度系数的影响敏感栅的电阻丝阻值随温度变化的关系可用下式表示:Rt=R(αΔt)电阻应变式传感器式中:Rt温度为t时的电阻值R温度为t时的电阻值α温度为t时金属丝的电阻温度系数Δt温度变化值Δt=tt。当温度变化Δt时电阻丝电阻的变化值为:ΔRα=RtR=RαΔt电阻应变式传感器)试件材料和电阻丝材料的线膨胀系数的影响当试件与电阻丝材料的线膨胀系数相同时不论环境温度如何变化电阻丝的变形仍和自由状态一样不会产生附加变形。当试件与电阻丝材料的线膨胀系数不同时由于环境温度的变化电阻丝会产生附加变形从而产生附加电阻变化。设电阻丝和试件在温度为℃时的长度均为l,它们的线膨胀系数分别为βs和βg若两者不粘贴则它们的长度分别为ls=l(βsΔt)lg=l(βgΔt)电阻应变式传感器当两者粘贴在一起时电阻丝产生的附加变形Δl、附加应变εβ和附加电阻变化ΔRβ分别为电阻应变式传感器由上式可得由于温度变化而引起的应变片总电阻相对变化量为由上式可知因环境温度变化而引起的附加电阻的相对变化量除了与环境温度有关外还与应变片自身的性能参数(K,α,βs)以及被测试件线膨胀系数βg有关。电阻应变式传感器电阻应变片的温度补偿方法电阻应变片的温度补偿方法通常有线路补偿和应变片自补偿两大类。)线路补偿法电桥补偿是最常用且效果较好的线路补偿。图(a)是电桥补偿法的原理图。电桥输出电压Uo与桥臂参数的关系为:Uo=A(RRRBR)电阻应变式传感器式中,A为由桥臂电阻和电源电压决定的常数。由上式可知当R和R为常数时R和RB对电桥输出电压Uo的作用方向相反。利用这一基本关系可实现对温度的补偿。测量应变时工作应变片R粘贴在被测试件表面上补偿应变片RB粘贴在与被测试件材料完全相同的补偿块上且仅工作应变片承受应变,如图(b)所示。当被测试件不承受应变时R和RB又处于同一环境温度为t的温度场中调整电桥参数使之达到平衡此时有工程上一般按R=RB=R=R选取桥臂电阻。电阻应变式传感器当温度升高或降低Δt=tt时两个应变片因温度而引起的电阻变化量相等电桥仍处于平衡状态即若此时被测试件有应变ε的作用则工作应变片电阻R又有新的增量ΔR=RKε而补偿片因不承受应变故不产生新的增量此时电桥输出电压为由上式可知电桥的输出电压Uo仅与被测试件的应变ε有关而与环境温度无关。电阻应变式传感器应当指出若要实现完全补偿上述分析过程必须满足以下个条件:①在应变片工作过程中保证R=R。②R和RB两个应变片应具有相同的电阻温度系数α、线膨胀系数β、应变灵敏度系数K和初始电阻值R。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必须一样两者线膨胀系数相同。④两应变片应处于同一温度场。电阻应变式传感器)应变片的自补偿法这种温度补偿法是利用自身具有温度补偿作用的应变片(称之为温度自补偿应变片)来补偿的。根据温度自补偿应变片的工作原理可由式得出要实现温度自补偿必须有上式表明当被测试件的线膨胀系数βg已知时如果合理选择敏感栅材料即其电阻温度系数α、灵敏系数K以及线膨胀系数βs则不论温度如何变化均有ΔRtR=从而达到温度自补偿的目的。单丝自补偿法组合式补偿法。电阻应变式传感器电阻应变式传感器的应用:测力电阻应变式传感器标准产品案例:桥梁固有频率测量电阻应变式传感器案例:电子称原理将物品重量通过悬臂梁转化结构变形再通过应变片转化为电量输出。电阻应变式传感器案例:冲床生产记数和生产过程监测电阻应变式传感器案例:机器人握力测量电阻应变式传感器电阻应变式传感器案例:振动式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。如果将电阻应变片贴在弹性试件上若弹性模量若有力的拉力引起应变片电阻变化为片的灵敏度系数?试件受力横截面积例题分析:试求该应变解:由题意得应变片电阻相对变化量根据材料力学理论可知:应变故应变应变片灵敏度系数:电阻应变式传感器

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