传感器力和压力的检测

• 图3-11 电阻应变式纱线张力测试装置
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• 2、筒式压力传感器 • 当被测压力与应变管的内腔相通时，应变管部分产生应 变， 在薄壁筒上贴2片应变计做工作片，实心部分贴2片应变 计做温度补偿应变片。没有压力作用时，这4片应变片构成 的全桥处于平衡；当外部压力作用于应变管内腔时，圆管发 生形变，使全桥失去平衡。这种压力传感器测量范围在 106Pa～107Pa或更高的压力。其结构简单，制作方便，使 用面宽，在测量火炮、炮弹、火箭的动态压力方面得到了广 泛应用。
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活动1: 理解应变效应
取一根细电阻丝，两端接上一台3 1/2位数 字式欧姆表（分辨率为1/2000），记下其初 始阻值（ ）。当我们用力将该电阻丝 拉长时，会发现其阻值略有增加为（ ）。测量应力、应变、力的传感器就是利用 类似的原理制作的。
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实验证明，电阻应变片的电阻应变 εR=∆R/R与电阻应变片的纵向应变εx的关系 在很大范围内是线性的，即
•图3-14组合式压力式传感器
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•5、力和扭矩传感器 • 下图所示列出了几种力和扭矩传感器的弹性敏感元 件。拉伸应力作用下的细长杆和压缩应力作用下的短粗 圆柱体如图所示。测量时都可以在轴向布置一个或几个 应变片，在圆周方向上布置同样数目的应变片。后者拾 取符号相反的横向应变，从而构成差动式。 • 弯曲梁和扭转轴上的 应变片也均可购成差分式 ，如图c、d 所示。 另外 用环状弹性敏感元件测拉( 压)力也是较普遍的， 如 右图所示。
•(3-16)
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3．常见的弹性敏感元件的类型
（1）弹簧管
常见的压力弹簧管有单圈弹簧管（又称包端管、波登管或 C型管）、多圈（螺旋）弹簧管和S型弹簧管。
弹簧管的结构通常是一种弯成圆弧形的空心扁管，其横 截面为椭圆形或扁圆形，其开口端与接口焊接在一起，其自由 端封闭。当被测压力的介质进入弹簧管内腔时，其自由端产生 位移，此位移通过传动放大机构带动指针，从而指示出压力。
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•二、电阻应变片的结构、材料
• 电阻应变片的典 型结构如图3-1所示， 由敏感栅、基底、覆 盖层和引线等部分组 成。
•图3-1 电阻应变片的结构简图
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• 无论哪种形式的金属应变片，对敏感栅的 金属材料都有以下基本要求：
•1.灵敏系数要大，且在所测应变范围内保持 不变； •2. ρ要大而稳定，以便于缩短敏感栅长度； •3.抗氧化、耐腐蚀性好，具有良好的焊接性 能； •4.电阻温度系数要小； •5. 机械强度高，具有优良的机械加工性能。
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• 4、组合式压力传感 • 组合式压力传感器用于测量小压力，结构图如图3-14 所示，由波纹膜片、膜盒、波纹管等弹性敏感元件构成。 电阻应变计粘贴在梁的跟部感受应变。当元件感受压力后 ，推动推杆使梁变形，从而使电阻应变片随之变形，并改 变阻值。悬臂梁的刚性较大，用于组合式压力传感器，可 以提高测量的稳定性，减小机械滞后。
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• 6、应变式加速度传感器 • 应变式加速度传感器如图3-16所示。它由端部固定并带 有惯性质量块m的悬臂梁及贴在梁跟部的应变片、基座及 外壳等组成。应变式加速度传感器是一种惯性式传感器。 测量时，根据所测振动体的方向，将传感器粘贴在被测部 位。当被测点的加速度沿图中所示箭头方向时，悬臂梁自 由端受惯性力F=ma的作用，质量块m向加速度a相反的方 向相对于基座运动，使梁发生弯曲变形，应变片电阻发生 变化，产生输出信号，输出信号大小与加速度成正比。
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❖ （三） 非线性误差及其补偿方法
• 图3-4 差动电桥 • (a)半桥; (b) 全桥
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•1、如图3－4（a)半桥电桥输出电压为
•（3-8 ）
• (3-9) •2、如图3-4(b)所示 ，全桥差动电路
•(3-10)
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（四） 电阻应变片的温度补偿方法
1 .补偿块补偿法
•图3-5 补偿块补偿法
•图3-16 应变式加速度传感器
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•活动4： 认识几种应变式传感器
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任务二：了解应变片的应用
•活动1：模拟电子称实验电路
• 电子称是将转换成电信号的称重传感器。电子台秤不 仅能快速、准确地称出商品的重量，用数码显示出来，而且 具有计算器的功能，使用起来更加方便。下面的实验为模拟 电子称实验。 •一、实验目的 •1、了解电阻应变式传感器的基本结构。 •2、掌握电阻应变式传感器的使用方法。 •3、掌握电阻应变式传感器测量电路的调试方法。
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l──电阻丝长度，m；
• A──电阻丝截面积，m2。
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当沿金属丝的长度方向施加均匀力时， 上式中ρ、r、l 都将发生变化，导致电阻值 发生变化。即得到以下结论：金属丝受外力 作用而伸长时，长度增加，而截面积减少， 电阻值会增大；当金属丝受外力作用而压缩 时，长度减小，而截面增加，电阻值会减小 。阻值变化通常较小。
（一） 直流电桥平衡条件
•当RL→∞时，电桥输出电压为
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（二） 电压灵敏度
• R1为电阻应变片，R2、R3、R4为电桥固 定电阻，这就构成了单臂电桥。
•(3-5)
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•(3-6)
•n=1时，为最大值
•(3-7)
• 当电源电压E和电阻相对变化量一定时，电桥的输出电压也是 定值，与各桥臂电阻阻值大小无关。
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任务一：认识应变片及弹性敏感元件
电阻应变片（也称应变计或应变片）是电阻应变 式传感器的核心元件，它是一种电阻传感器，主要由 弹性敏感元件或试件、电阻应变片和测量转换电路组 成。它是把应变转换为电阻变化，再用相应的测量电 路将电阻转换成电压输出的传感器。利用电阻应变式 传感器可以直接测量力，也可以间接测量位移、形变
波纹膜片是一种压有环状同心波纹的圆形薄膜，其波纹 的数目、形状、尺寸及分布视膜片用途与测量范围而定。
膜盒是将两个金属膜片对合，并将其外缘焊接而成的测 压弹性敏感元件。膜盒按内腔与大气是否连通分为开口、闭 口两类，并可根据不同需要，以不同方式将多个膜盒串联在 一起，组成膜盒组。
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（3）波纹管
波纹管是一种具有轴对称、圆筒形、等间距环状 波纹、能沿轴向伸缩的测压弹性敏感元件。它在轴 向力、横向力和弯矩作用下都能产生相应的位移， 因此在许多技术领域中都能得到应用。
•图3-5(a) 电桥输出电压Uo与桥臂参数的关系为 •(3-11)
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•(3-12)
• 工程上，一般按R1=RB=R3=R4选取桥臂电阻。 • 当温度升高或降低∆t =t-to时，两个应变片因温 •度相同而引起的电阻变化量相等，电桥仍处于平衡 •状态，即
•(3-13)
• 若此时被测试件有应变的作用，则工作应变片电阻R1有新的 增量∆R1，而补偿片不承受应变，故不产生新的增量，此时电桥 输出电压为
、 加速度等参数。常用的电阻应变片有电阻丝应变片和 半导体应变片两种。
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一、应变效应
电阻应变片的工作原理是基于应变效应，即
导体或半导体材料在外界力的作用下产生机械形
变时，其电阻值相应发生变化，这种现象称为
“应变效应”。 由电工学可知，金属丝电阻R可用下式表示 ：
•（3－1）
•式中 ρ──电阻率，Ω·m；
传感器力和压力的检测
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项目三、力与压力的检测
•[项目描述]
• 力普遍存在于日常生活中。在科学研究和工农业生产中，力更是起着 重要的作用。
• 在生产过程中，压力检测与调节控制系统的应用非常广泛，例如锅炉 蒸汽和水的压力监控；炼油厂减压蒸馏需要的低于大气的真空压力检测;在 航空发动机试验研究中，为了研究发动机性能，必须测量过渡态的压力变 化；电力系统中油路压力的测量和控制等。对压力监控是保证工艺要求、 生产设备和人身安全，实现经济运行所必须的。
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活动2： 认识几个弹性敏感元件
•图3-7 金 属波纹管
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活动3： 认识减压阀
•图3-10 减压阀结构图
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六、电阻应变式传感器的应用
• 1、电阻应变式纱线张力测量 • 在纱线加工过程中，随着纱线张力变化，悬臂梁 相应地产生与张力成比例的应变，而使电阻应变片产 生相应的变形，并输出相应的ΔR/R，因而破坏了电桥 平衡，由此输出放大的电压信号。此电压信号再经动 态电阻应变仪放大、检波、滤波后，输出一个放大的 并与应变成比例的电压信号，最终由函数记录仪在感 光纸上描绘成脉冲图形。
螺旋弹簧管能产生特别大的位移，故多用于压力记录式仪 表，而S形弹簧管其端部能产生直线位移，所以多用于较高压 力的测量。
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（2）膜片及膜盒
膜片是一种沿外缘固定的片形测压弹性敏感元件，按剖面 形状分为平膜片和波纹膜片。
平膜片是具有一定厚度的扁平面圆形薄片，多用于测量 变动压力，在远传压力表和差压变送器上常见到这种位移很 小的膜片。
•（3－2） •式中 ∆ R/ R ── 电阻应变片的电阻应变； •K ── 电阻丝的灵敏度。
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式（3-2）中的εR代表了被测件在应变片 的应变。严格来讲，由于试件与应变片之间 存在蠕变等影响，所以应变片与试件这两者 的应变是有差异的，但差异并不很大，工程 上允许忽略，但却存在一大弱点，就是灵敏 度低,一般为 2.0～3.6。
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2．桥路自补偿法
当测量桥路处于双臂半桥和全桥工作方式 时，电桥相邻两臂受温度影响，同时产生大小 相等，符号相同的电阻增量而互相抵消，从而 达到桥路温度自补偿的目的。
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五、弹性敏感元件的 基本特性
• 物体因外力作用而改变原来的尺寸或形状 称为变形，如果在外力去掉后能完全恢复其原 来的尺寸和形状，那么这种变形称为弹性变形 ，具有这种特性的物体称为弹性元件。在传感 器中用于测量的弹性元件称为弹性敏感元件。
• 检测力的传感器主要有电阻应变式传感器、压电式传感器、电容式传 感器、压阻式传感器、电感式传感器等，本项目主要介绍电阻应变式和压 电式测力传感器。
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•[技能要点] • 学会识别一般的电阻应变式传感器、压电式传 感器，了解电阻应变式传感器和压电式传感器的基 本结构和材料，通过实验掌握电阻应变式传感器的 使用方法，掌握电阻应变式传感器测量电路的调试 方法。