传感器原理及应用第3章 电阻应变式传感器

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1、3.1弹性敏感元件3.2电阻应变计3.3应变式力传感器3.4应用3电阻应变式传感器返回主目录概述各种电子秤广泛应用于－概述高精度电子汽车衡动态电子秤电子天平概述机械秤包装机吊秤第一节弹性敏感元件一、概念变形:物体因外力作用改变原来的尺寸、形状.弹性形变:外力去掉后完全恢复原来的尺寸、形状的变形。弹性元件:具有弹性形变特点的元件.当弹性敏感元件受拉(压)力时，元件除了产生变形外，其内部横截面之间还存在相互的作用力，内力(N),单位:牛顿.应力:单位横截面积S(单位为mm2)上所受的力，记为σ.图3-1应变示意图应变:单位长度产

2、生的变形称为相对变形.记为:弹性模量在材料弹性范围内σ／ε.为常数.记为E:拉压虎克定律为或1.刚度:弹性元件在外力作用下变形大小的量度.用K来表示，(F为外力;x为变形)弹性特性曲线上某点A处的刚度二、弹性敏感元件的特性图3-2弹性特性图3-3弹性滞后现象XF2．灵敏度弹性敏感元件在单位力作用下产生变形的大小.又称为弹性元件的柔度.是刚度的倒数，用S表示.3.弹性滞后弹性滞后现象:弹性元件在加、卸载的正反行程中变形曲线不重合的现象.主要原因是：弹性敏感元件在工作过程中分子间存在内磨擦。4．弹性后效弹性后效:当载荷从某一数值

3、变化到另一数值时，弹性变形不是立即完成相应的变形，而是经一定的时间间隔逐渐完成变形的现象.当作用在弹性敏感元件上的力由零增加至F0时，弹性敏感元件的变形首先由零迅速增加至Xl，然后在载荷未改变的情况下继续变形到Xo为止。力由F0减至零，弹性敏感元件的变形也是先由X0而减至X2,然后继续减小变形，到变形等于零为止。弹性后效现象的存在将引起测量误差。原因：弹性敏感元件中的分子间存在内磨擦。5．固有振动频率固有振动频率fo，影响传感器的动态特性。工作频率应避开弹性敏感元件的固有振动频率，希望fo较高。三、对弹性敏感元件材料的要求(

4、1)弹性滞后和弹性后效要小；(2)弹性模量的温度系数要小：(3)膨胀系数要小且稳定：(4)有良好的机械加工和热处理性能：(5)要求耐腐蚀，有良好的导电性或高的绝缘性。四、常用的弹性敏感元件材料国外一般使用合金结构钢，例如中碳铬镍钼钢，中碳铬锰硅钢，弹簧钢等，不锈钢。我国通常使用合金钢，碳钢，铜合金和铌基合金,石英玻璃及陶瓷材料。五、弹性敏感元件的分类输入到弹性敏感元件上的信号通常为力(力矩)或压力，输出是位移(挠度)或应变，按变换形式分有“力—应变”、“力-位移”、“压力-位移”、“力矩—角度”等类型。六、变换力的弹性敏感元

5、件输入量为力F，输出量是应变、位移的敏感元件.在力的作用下，位移很小，用它的应变作为输出量.元件：实心柱、空心圆柱、矩形柱、等截面圆环、扭转轴、等截面悬臂梁、等强度悬臂梁。图3-5变换力的弹性敏感元件a）实心柱b）空心圆柱c）矩形柱d、e)等截面圆环f）等截面悬梁臂g）等强度悬梁臂h）扭转轴1、实心柱敏感元件又称实心等截面轴、柱式弹性敏感元件.设轴的横截面积为S，轴材料的弹性模量为E，材料的泊松比为μ。当等截轴承受轴向拉力、压力时，轴向的应变为εxεx=F/S*E与轴向垂直方向上的应变为εy特点：加工精度高，灵敏度小，适用于

6、截面较大的场力。2．环状弹性元件做成等截面圆环，灵敏度高，用于测量较小的力，加工困难，各个部位的变形及应力不相等。3．悬臂梁一端固定，一端自由的弹性敏感元件.特点：结构简单、加工方便。输出：应变、挠度。灵敏度比等截面轴及圆环高，用于较小力的测量。等截面悬臂梁、变截面等强度悬臂梁.A.等截面悬臂梁任一指定点A，上下表面的应变大小、相等，符号相反.设梁的截面厚度为δ，宽度为b，总长为L.在距离固定端L处的ε为最大应变产生在梁的根部,在等截面梁的不同部位产生的应变是不相等的.B.等强度悬臂梁当梁的自由端有力F作用时，沿梁的整个长度

7、上的应变处处相等，灵敏度与梁长度方向的坐标无关。4.扭转轴在扭矩T的作用下，扭转轴的表面产生拉伸、压缩应变七、变换压力的弹性敏感元件将气体和液体等的压力转换为位移或应变的弹性敏感元件。类型有：弹簧管、波纹管、等截面薄板、膜盒、薄壁圆筒、薄壁半球。图3-6变换压力的弹性元件a）弹簧管b）波纹管c)等截面板d）膜盒e）薄壁圆筒f）薄壁半球第二节电阻应变计将被测试件的应变量转换成电阻变化量的敏感元件。基于电阻应变效应制成。压力、荷重、位移、速度、加速度、扭矩等，都可以利用电阻应变计转换为电信号.电阻应变式传感器：利用电阻应变片将应

8、变转换为电阻变化传感器.在弹性元件上粘贴电阻应变敏感元件构成。用于测量力、力矩、压力、加速度、重量等.当被测物理量作用在弹性元件上时,弹性元件的变形引起应变敏感元件的阻值变化,通过转换电路将其转变成电量输出,电量变化的大小反映了被测物理量的大小。一、基本工作原理电阻应变效应：导体或半导体材