应变式压力传感器及其应用电路设计

假定应变片在试件上的粘贴方式如图 5所示 。试
件单方向受力 ,工作片 Rg1由于应变引起的阻值变化 为 ΔRg1 ,记 作 ΔRg , 相 应 地 , 补 偿 片 Rg2 的 阻 值 变 化 ΔRg2 = - μΔRg ,μ为试件材料泊松比 。
图 5 应变片布置位置
为了消除非线性误差 , 修正导线电阻引起的误 差 ,提高测量精度 ,重新推导应变计算公式如下 :
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《计量与测试技术 》2007年第 34卷第 12期
应变式压力传感器及其应用电路设计
S tra in Type P ressu re S enso r and D esign of Its A pp lica tion C ircu it
李 艳 李新娥 裴东兴
(中北大学动态测试与智能仪器教育部重点实验室 ,山西 太原 030051)
33
连接 ,取 3 根导线长度相等 ,易保证 : Rw1 = Rw2 = Rw3 , 记作 Rw 。又 Rg1 = Rg2记作 Rg ,所以 Rg1 + Rw1 = Rg2 +
Rw2 。通过调整
R
t2
,保证
R3 R4
= Rw1 Rw 2
+ Rg1 + Rg2
= 1,达到调零的
目的 ,同时使得电桥电压灵敏度最高 。
摘 要 :电阻应变式传感器在实际工程中应用较广 。本文重点介绍了电阻应变片 ,应变式压力传感器的工作原理以及相关应用电路 。 关键词 :应变式压力传感器 ;电阻应变片 ;测量电桥
1 引言
在工程应变测量技术中 ,应变测量仪的设计与开 发一直是一个热门话题 。电阻应变片测量方法是获
取应变试验数据的一种基本传统手法 ,电阻应变式传 感器是应用最广泛的传感器之一 。将电阻应变片粘
[4 ]孟立凡 ,郑宾. 传感器原理与技术. 北京 :兵器工业出版社 , 2000. [ 5 ]孙杰. 智能桥式传感器仪表电路的设计 [ J ]. 仪表技术与传感 器 , 2002.
作者简介 :李艳 ,女 ,研究生 。工作单位 :中北大学动态测试与智能仪器 教育部重点实验室 。通讯地址 : 030051 山西省太原市中北大学电子工 程系智能一教研室 。
dV = dL + dA = ( 1 - 2μ)ε。将式 ( 5)代入 ( 4) ,且当 ΔR
VLA
= R 时 ,可得
ΔR = [ ( 1 + 2μ) + c ( 1 - 2μ) ]ε = Kε
(6)
R
式中 , k = ( 1 + 2μ) + c ( 1 - 2μ)为金属丝材料的应
变灵敏系数 。
上式表明 ,金属材料电阻的相对变化与其线应变 成正比 。这就是金属材料的应变电阻效应 。
作者简介 :陈雪松 ,男 ,工程师 。工作单位 :中国测试技术研究院 。通讯 地址 : 610021 成都市玉双路 10号 。
曾波 ,党正强 ,中国测试技术研究院 (成都 610021) 。 收稿时间 : 2007 - 11 - 27
(上接第 33页 )
[ 3 ]樊尚春. 传感器技术及应用 [M ]. 北京 :北京航空航天大学出版 社 , 2004.
利用电桥的加减特性来消除由温度变化引起的 电阻变化 。在电桥的 AB 臂接入感受机械应变的电阻 片 ,即工作片 ;电阻片电阻变化中包含两个部分 ,一部 分是由于应变引起的电阻变化 ΔRε ,另一部分是由于 温度变化引起的电阻变化 ΔRt ,如图 3 所示 。设电阻 片的起始电阻为 R ,当它感受应变并伴随有温度变化
U ′= R ×kε·E = R U
R + R0
R + R0
从上式可看出 , U ′<U,因而重量减少 。
《计量与测试技术 》2007年第 34卷第 12期
接入到原来的测量电路 ,此时
U ′=U
+
R
R0
′+
R0
×U0
从上式可看出 , U ′>U ,因而重量增加 。
3 预防措施
预防电子汽车衡作弊 ,可从一下几方面入手 :
与试件应变量成线性关系 ,即ΔRg = K·ε,式中 K为应
Rg
变片的灵敏度系数 。因此试件的应变
ε = 1 ·ΔRg
K Rg
4UO
=K·
U IN
( 1 +μ) - 2UO (μ - 1)
U IN
· 1 + Rw
Rg
( 10 )
应变计算公式 (10)不含线性误差 ,导线电阻引起
的误差也得到了修正 ,精度较高 。
时间 ,包括辅助工时在内 ,不超过十五分钟 。同时 ,由 于铜套圈接触面积较大 ,耐磨性好 ,每次修后的使用 期限大大增加 。再次修理时 ,只须换一只合适的套圈 即可 ,更加节省了修理时间 。套圈涂漆后 ,外观整旧 如新 ,深受使用者欢迎 。为此 ,我已普遍采用此法 ,使 修理工作有了明显的提高 。
3 电阻应变片的基本结构 电阻应变片主要由四部分组成 。如图 2 所示 ,电
阻丝是应变片敏感元件 ; 基片 、覆盖片起定位和保护 电阻丝的作用 ,并使电阻丝和被测试件之间绝缘 ; 引 出线用以连接测量导线 。
图 1 金属丝拉伸后的电阻变化
当金属丝受到轴向力 F 而被拉伸 (或压缩 )产生
形变 ,其电阻值会随之变化 ,通过对 ( 1)式两边取对数
-μΔRg1
- R4 R3 + R4
U IN
(8) 将 Rw1 = Rw2 = Rw , Rg1 = Rg2 = Rg ,ΔRg1 =ΔRg2代入 上式 ,并解得
4UO
ΔRg = -
RG
U IN
( 1 +μ) + 2UO (μ - 1)
1 + Rw Rg
(9)
U IN
在一定范围内 ,应变片阻值相对变化量 ΔRg /Rg
李艳等 :应变式压力传感器及其应用电路设计
时 ,它的电阻 R 由变为 R +ΔRε +ΔRt。
图 3 温度补偿电路
在电桥的 BC 臂接入一个同样的电阻片 ,其起始
阻值也为 R ,将此电阻片贴在与构件同样的材料上 ,但
它不感受应变 。要求第 2枚电阻片与工作片处于同样 的环境温度中 ,它因温度变化引起的电阻变化 ΔRt 与 工作片因温度变化引起的电阻变化 ΔRt 相同 ,称为温 度补偿片 。
作者简介 :赵志刚 ,男 ,技师。工作单位 :陕西宝鸡石油机械有限责任公司。 通讯地址 : 721002 陕西省宝鸡石油机械有限责任公司质检中心计量室。 收稿时间 : 2007 - 07 - 30
只有彻底了解了电子汽车衡作弊的原理 ,从管理和技 术上进行预防 ,才能从根本上杜绝此类作弊事件的发生。
参考文献 [ 1 ]唐文炳. 电子衡器使用与维修手册. 北京 : 中国计量出版社 ,
1995. 41 [ 2 ]殷卫宁. 电子计价秤维修大全. 北京 :电子工业出版社 , 1994. 41 [ 3 ]黄智伟 1 无线通信集成电路 1 北京 : 北京航空航天出版社 ,
李新娥 ,裴东兴 ,中北大学 (太原 030051) 。 收稿时间 : 2007 - 08 - 24
(上接第 34页 ) 最显著的优点是 , 可以很容易的得到精密的轴孔配 合 ,使径向摆动减小到最低限度 ,这就为平面平行性 的修理创造了十分有利的条件 , 大大提高了修理效 率 。实践证明 ,径向间隙过大的千分尺 ,即使再花费 数小时 ,甚至一天的时间 ,平面平行性也很难修好 。 加焊套圈后 ,一般磨损的测量面 ,手工研磨要约半个 小时就能修好 ,平面性可达一条干涉带 ( 01003mm )平 行性两条干涉带 ,平行性变化几近于零 ,而焊套圈的
试件未受力 ,电阻片电阻变化之前 ,电桥输出电 压为零 。当工作应变片的电阻 Rg1变为 Rg1 +ΔRg1 ,补 偿应变片的电阻 Rg2变为 Rg2 +ΔRg2 = Rg - μΔRg 时 ,电 桥的输出电压变为
UO = UBD
=
Rw1
Rw2 + Rg2 -μΔRg1 + Rg1 +ΔRg1 + Rw2 + Rg2
图 4 桥式测量电路原理图
其中 , U IN为供桥电压 ; R3 , R4 为固定桥臂电阻 ; Rg1 为工作应变片 ; Rg2为补偿应变片 ; Rw1 , Rw2 , Rw3为导线 电阻 ; R t1为并联电阻 ; R t2为调零电位器 ; Uo 为桥路输 出电压 。
参考图 4,应变片与测量电路间采用三芯屏蔽线
2005. 71 [ 4 ]陈永甫 1实用无线电遥控电路 1北京 :人民邮电出版社 , 2007. 71 [ 5 ]王雪文 1 传感器原理及应用 1 北京 : 北京航空航天出版社 ,
2004. 31 [ 6 ]全国非自动衡器计量技术委员会 1非自动秤通用检定规程 1
图4
正常情况下 ,继电开关 K与 1接通 , R0 不起作用 , U = kε·E,当作弊装置接收到信号后 K与 2 接触 , R0
参考文献
[ 1 ]梁立凯. 电阻应变片测量中温度为误差的补偿方法 [ J ]. 呼伦
贝尔学院学报 , 2001.
[ 2 ]孙宇宁. 应变式测力传感器的非线性误差及其校正 [ J ]. 传感
器技术 , 2006.
(下转第 36页 )
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图3
正常情况下 ,继电开关 K与 1接通 , R0 不起作用 , U = kε·E,当作弊装置接收到信号后 K与 2 接触 , R0 接入到原来的测量电路 ,此时
线本身存在一定的电阻 ,而且它和电阻片是串联在测
量电路的桥臂上 ,所以导线的电阻也是桥臂电阻的一
部分 ,但它本身不参加变形 。若不考虑导线电阻的影
响 ,测量结果存在一定的误差 。为了提高测量精度 ,
有必要对导线电阻引起的误差进行修正 。根据以上
分析 ,采用直流电桥 ,运用三线制电阻应变测量技术 ,
设计应变测量电路如图 4所示 。
贴在各种弹性敏感元件上 ,可构成测量位移 、加速度 、 力 、力矩 、压力等各种参数的电阻应变式传感器 。
2 电阻 - 应变效应 考察一段圆截面的导线 (金属丝 ) ,图 1,设其长为
L ,截面积为 A (直径为 D ) ,原始电阻为 R
R =ρ L
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
(1)
A
式中 ,ρ为金属丝的电阻率 。
式中 , c为常数 (由一定的材料和加工方式决定 ) ,
(1)加强管理 ,使用人员要经常检查秤体四周 ,传
感器部位 ,接线盒等 ,发现有异物或数据不正常后立
即上报 ,即时排查 。
(2)可安装一台监控器 ,即时监控电子汽车衡四
周的环境 ,使作弊者不能在传感器上装作弊模块 。
(3)尽量使用数字传感器 ,这样作弊装置就不起
作用 。
(4)使用者要制定一个严格 、完善 、科学的监控制 度 ,并严格执行 ,不给作弊者以可乘之机 。 4 结论
这时电桥的输出电压变化量
Uo
=A
ΔRε +ΔR t
R
- ΔR t
R
ΔRε =A
R
(7)
式中 A 为比例常数 , 只与供桥电压和桥臂比有
关 。这样 ,电桥的输出电压仅与应变引起的电阻变化 率成正比 ,与温度变化引起的电阻变化率ΔRt无关 ,起
R
到了温度补偿的作用 。
应变片与测量电路之间需要用导线连接 ,由于导
后再取全微分得 :
dR R
= dL L
-
dA A
+
dρ ρ
(2)
式中 dL =ε为材料轴向线应变 ,且 dA = 2 dD。根
L
A
D
据材料力学 ,在金属丝单向受力状态下 ,有
dD = - μ dL
(3)
D
L
式中 μ为导体材料的泊松比 。因此 ,有
ρdρ=
(1
+ 2μ)
dL L
+
dρ ρ
(4)
试验发现 ,金属材料电阻率的相对变化与其体积
的相对变化间的关系为
ρdρ=
c·dV
V
(5)
图 2 电阻应变片的基本结构
4 温度补偿电路 电阻片是金属材料制成的 ,它的阻值随温度的变
化也要产生变化 。另外由于试件和电阻片材料的线 膨胀系数不同 ,从而也会使电阻片的阻值发生变化。 温度变化引起的电阻值变化是客观存在的 ,但不希望 在测量结果中反映出来 。