电桥应变片.ppt
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1、电桥应变片现在学习的是第1页,共45页 电位器式传感器通过滑动触点把位移转换为电阻丝的长度变化,从而改变电阻值大小,进而再将这种变化值转换成电压或电流的变化值。图2-1 电位器的结构类型 (a)直线位移型;(b)角位移型;(3)非线性型 电位器式传感器分为直线位移型、角位移型和非线性型等,如图2-1所示。不管是哪种类型的传感器,都由线圈、骨架和滑动电刷等组成。线圈绕于骨架上,电刷可在绕线上滑动,当滑动电刷在绕线上的位置改变时,即实现了将位移变化转换为电阻变化。2.2 电位器式传感器电位器式传感器2.2.1电位器的结构类型电位器的结构类型图2-1 电位器的结构类型(a)直线位移型;(b)角位移型
2、;(3)非线性型现在学习的是第2页,共45页现在学习的是第3页,共45页2.2.2 电位器式传感器的测量电路电位器式传感器的测量电路电位器式传感器的测量电路通常采用电阻分压电路,如图2-2所示。其中放大器是为了消除负载电阻的干扰影响。对于线性电位器,电刷的相对行程X与电阻的相对变化成比例,即:maxmaxRRxxx若放大器的增益K=1,则:ininxoutUxxURRUmaxmaxX maxXUinUout图2-2 电阻分压电路K现在学习的是第4页,共45页2.2.3 新型电位器介绍新型电位器介绍(1)合成膜电位器 合成膜电位器的电阻体是用具有某一电阻值的悬浮液喷涂在绝缘骨架上形成电阻膜而制成
3、的。这种电位器的优点是分辨率较高、输入一输出信号的线性度好。(2)金属膜电位器 金属膜电位器由合金、金属或金属氧化物等材料通过真空溅射或电镀方法,在陶瓷基底上沉积一层薄膜而制成。金属膜电位器具有高分辨率,接触电阻很小,耐热性好。(3)导电塑料电位器 导电塑料电位器又称有机实心电位器,这种电位器的电阻体是由塑料粉及导电材料的粉料经塑压而成。导电塑料电位器的耐磨性很好,能承受较大的功率。(4)导电玻璃釉电位器 导电玻璃釉电位器又称金属陶瓷电位器,它是以合金、金属氧化物或难溶化合物等为导电材料,以玻璃釉粉为粘合剂,经混合烧结在陶瓷或玻璃整体上制成的。现在学习的是第5页,共45页2.3 应变式传感器应
4、变式传感器 导体或半导体材料在外力作用下产生机械变形时,其电阻值也相应发生变化的物理现象称为电阻应变效应。设金属丝在外力作用下沿轴线伸长,伸长量设为l,并因此截面积变化A,电阻率的变化为,这时电阻相对变化可表示为:2.3.1 电阻应变效应电阻应变效应AAllRR经过整理,变换可得:0)21()21(KllllllRR式中:K0为电阻丝的应变灵敏度系数,它表示单位应变所引起的电阻值的相对变化。现在学习的是第6页,共45页2.3.2 电阻应变片的结构电阻应变片的结构 电阻应变片的结构如图2-3所示,一般由敏感栅(金属丝或箔)、基底、覆盖层、黏合剂、引出线等组成。敏感栅是转换元件,它把感受到的应变转
5、换为电阻的变化;基底用来将弹性体的表面应变准确地传送到敏感栅上,并使敏感栅与弹性体之间相互绝缘;覆盖层用来保护敏感栅;黏合剂把敏感栅与基底粘贴在一起;引出线作为连接测量导线之用。常用电阻应变片有两大类:金属电阻应变片和半导体应变片。图2-3 电阻应变片 金属电阻应变片有丝式、箔式及薄膜式等结构形式。丝式应变片如图2-4(a)所示,它是将金属丝短接后粘接剂粘贴在基底上而成。基底可分为纸基、胶基和纸浸胶基等。电阻丝两端焊有引出线,使用时只要将应变片贴于弹性体上就可构成应变式传感器。现在学习的是第7页,共45页 箔式应变片如图2-4(b)、(c)、(d)所示,它的敏感栅是通过光刻、腐蚀等工艺制成。箔
6、栅厚度一般在0.0030.01mm之间。与丝式应变片相比其表面积大,散热性好,允许通过较大的电流。由于它的厚度薄,因此具有较好的可挠性,灵敏度系数较高。箔式应变片还可以根据需要制成任意形状,适合批量生产。图2-4 金属电阻应变片结构1基底;2敏感栅;3引线(a)金属丝短接式;(b)金属箔式;(c)用于扭矩测量;(d)用于流体压力测量现在学习的是第8页,共45页现在学习的是第9页,共45页2.3.3 电阻应变片的粘贴技术电阻应变片的粘贴技术 应变片在使用时通常是用粘接剂粘贴在在弹牲体上的,粘贴技术对传感器的质量起着重要的作用。应变片的粘接剂必须适合应变片基底材料和被测材料,另外还要根据应变片的工
7、作条件、工作温度和湿度、有无腐蚀、加温加压固化的可能性、粘贴时间长短等因素来进行选择。常用的粘接剂有硝化纤维素粘合剂、酚醛树脂胶、环氧树脂胶、502胶水等。应变片在粘贴时,必须遵循正确的粘贴工艺,保证粘贴质量,这些都与最终的测量精度有关。应变片的粘贴步骤如下。现在学习的是第10页,共45页现在学习的是第11页,共45页现在学习的是第12页,共45页现在学习的是第13页,共45页现在学习的是第14页,共45页现在学习的是第15页,共45页现在学习的是第16页,共45页现在学习的是第17页,共45页现在学习的是第18页,共45页现在学习的是第19页,共45页现在学习的是第20页,共45页现在学习的
8、是第21页,共45页现在学习的是第22页,共45页2.3.4 电阻应变片的特性及参数电阻应变片的特性及参数(1)灵敏度系数)灵敏度系数K K为金属应变片的灵敏系数,与金属单丝的灵敏系数为金属应变片的灵敏系数,与金属单丝的灵敏系数K有有一定差别,主要由实验测得。大量实验结果表明,应变片的灵敏系一定差别,主要由实验测得。大量实验结果表明,应变片的灵敏系数数K恒小于金属丝线材的灵敏系数恒小于金属丝线材的灵敏系数K。究其原因主要是胶体的传递变。究其原因主要是胶体的传递变形失真及横向效应两个方面。形失真及横向效应两个方面。xRRK(2)电阻值)电阻值 应变片电阻值是指应变片没有粘贴、也不受力时,在室温下
9、测定的应变片电阻值是指应变片没有粘贴、也不受力时,在室温下测定的电阻值。目前应变片的电阻值电阻值。目前应变片的电阻值(标称值标称值)也有一个系列,如也有一个系列,如60、120、350、600、1000等,其中以等,其中以120最为常用。实际使用的应变片的最为常用。实际使用的应变片的阻值相对于标称值可能存在一些偏差,因此使用前要进行测量分选。阻值相对于标称值可能存在一些偏差,因此使用前要进行测量分选。现在学习的是第23页,共45页(3)最大工作电流)最大工作电流 最大工作电流是指允许通过应变片而不影响其工作特性的最大电流值。当应变片接入测量电路后,在敏感栅中要流过一定的电流,此电流使得应变片温
10、度上升,从而影响测量精度,甚至烧毁应变片。通常在静态测量时,允许电流一般规定为25mA,动态测量时可达75100mA;箔式应变片可更大些。(4)横向效应)横向效应 应变片受力时,不仅构件的轴向应变使敏感栅电阻发生变化,而且其垂直于应变片轴向的横向应变r,也将使敏感栅半圆弧部分的电阻发生变化。应变片的这种既受轴向应变影响又受横向应变影响而引起电阻变化的现象称为横向效应。通过公式推导以及大量的实验数据证明:敏感栅越窄(r愈小)、基长越长(L愈大)的应变片其横向效应引起的误差越小。现在学习的是第24页,共45页(5)迟滞)迟滞 应变片粘贴在被测试件上以后,在一定温度下,应变片电阻相对变化i(RR)与
11、试件机械应变m(LL,实际应变)之间加载和卸载的特性曲线并不重合,这种现象称为应变片的迟滞。加载和卸载特性曲线之间的最大差值称为最大迟滞误差。(6)零飘与蠕变)零飘与蠕变 对于粘贴好的应变片,当温度恒定、不承受应变时,其电阻值随时间的变化而变化的特性,称为应变片的零点漂移,简称零漂。如果在一定温度下,使应变片承受恒定的机械应变,其电阻值随时间的变化而变化的特性称为蠕变。实验证明,选用弹性模量较大的粘结剂和基底材料,适当减小胶层和基底的厚度,并使之充分固化,有利于蠕变性能的改善。现在学习的是第25页,共45页(7)应变极限)应变极限 应变片电阻的相对变化与所承受的轴向应变成正比这一关系只在一定的
12、范围内成立,当试件输入的真实应变超过某一限值时,应变片的输出特性将出现非线性。在恒温条件下,使非线性误差达到10时的真实应变值,称为应变极限。应变极限是衡量应变计测量范围和过载能力的指标。(8)温度误差)温度误差 在采用应变片进行应变测量时,希望它的阻值变化只与应变有关,而不受其他因素的影响。但是在应变片的实际应用中,温度变化会导致应变片电阻变化,将会给测量带来误差。温度变化导致电阻变化的主要原因有两个,一是在温度变化时,敏感栅的电阻丝阻值随温度变化而变化;另一个是试件材料和敏感栅材料线膨胀系数不一致时,环境温度变化会使敏感栅产生附加变形,其电阻值也会改变。现在学习的是第26页,共45页2.3
13、.5 电阻应变片的测量转换电路电阻应变片的测量转换电路 电阻应变片的电阻变化范围很小,如果直接用欧姆表(万用表电阻挡)测量其电阻的变化将十分困难,且误差很大。通常采用电桥电路,将应变片微小的电阻变化转化为易测量的电压或电流信号。通过电桥电路输出的信号既可用指示仪表(如电压表)直接测量,也可以通过放大器放大作进一步的信号处理。由于电桥测量电路简单,具有较高的精确度和灵敏度,能预调平衡,易消除温度及环境的影响,因此在测量系统中被广泛采用。按照所采用的激励电源不同,电桥可分为直流电桥和交流电桥。直流电桥主要的优点是所需的高稳定度直流电源较易获得;电桥输出是直流量,可以用直流仪表测量,精度较高;对传感
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