1、工程实验力学第7章电阻应变式传感器7.1基本原理7.2测力传感器7.3扭矩传感器7.4压力传感器7.5位移传感器7.6加速度传感器7.1基本原理7.1.1传感器的构造与原理7.1.2传感器的设计7.1.3传感器的标定7.1.4供桥电压的选择7.1.5传感器的电路补偿7.1.1传感器的构造与原理以电阻应变计为转换元件的电阻应变式传感器，主要由弹性元件和粘贴于其上的电阻应变计构成。其工作原理是，由于被测物理量(如载荷、位移、压力等)能够在弹性元件上产生弹性变形(应变)，而粘贴在弹性元件表面的电阻应变计可以将感受到弹性变形转变成电阻的变化，这样电阻应变式传感器就将被测物理量的变化转换成电信号的变化。
2、传感器中感受被测物理量的弹性元件是其关键部分，结构形式有多样，旨在提高感受被测物理量的灵敏性和稳定性。常用的弹性元件的结构形式有：受拉压的直杆、受弯曲的梁、受扭转的圆轴、受均布压力的薄圆板、受内压的圆筒、受径向载荷的圆环以及受轴向载荷的剪切轮辐式结构等。7.1.2传感器的设计1.弹性元件结构的设计原则2.弹性元件材料的选择3.应变计的选择与粘贴1.弹性元件结构的设计原则1)结构简单。2)有很好的刚性。3)结构的整体性好。4)弹性元件对作用力位置的变化和干扰力的影响不敏感。5)弹性元件有效工作区应有良好的线性。6)弹性元件有效工作区应具有最大应变值。7)工作区的最佳额定应变值。8)弹性元件工作区
3、的工艺性能好。9)弹性元件自身具有过载保护能力或便于设置过载保护装置。10)安装方便，互换性好。2.弹性元件材料的选择传感器弹性元件的材料应具有高强度、高弹性极限、低弹性模量、稳定的物理性质以及良好的机械加工和热处理性能。常用的材料有：合金钢40Cr、35CrMnSiA、50CrMnA、50CrVA、40CrNiMoA、65Si2MnWA、铍青铜QBe2、硬铝LY12及超硬铝LC4等。对性能要求不太高的传感器，也可以用优质碳素钢，如45钢。弹性元件在加工过程中与加工以后，必须按一定规范进行热处理及载荷处理，以提高弹性极限、消除残余应力、减小材料本身的滞后和蠕变，达到较高的长期工作的稳定性。3.
4、应变计的选择与粘贴对一次性使用或短期使用的传感器，其应变计的选择及粘贴可以和通常的应变测量相同。对反复使用或长期连续使用的传感器，一般应选择高质量、高稳定性的箔式应变计，采用热固化的粘合剂进行粘贴，同时，对粘贴工艺的质量应严格控制，并且应覆盖良好的防护层。7.1.3传感器的标定标定要在下列条件下进行：1)标定时传感器的加载情况与实测条件应一致，使用工作环境也应注明。2)标准量的精度必须比所需标定的传感器的精度高一级。3)测试仪器同样应高于传感器所要求的精度的35倍。4)标定过程中，为了减少滞后误差，一般要在满量程(最大载荷)下反复加载、卸载35次，然后将额定量程(或额定载荷)分成510级加、卸
5、载，并读取相应的数值，至少连续三次取值，再取平均值，制成图或表供实际使用。7.1.3传感器的标定传感器精度的性能指标，一般用如下三个典型技术指标来表示：(1)非线性在传感器的标定曲线图(即输入(载荷)-输出(电压或应变)特性曲线图)中，标定曲线与理论直线(连接零点与额定载荷对应点所做的直线)的最大输出偏差与额定载荷下输出值之比，即表示非线性度。(2)滞后载荷从零增至额定值，然后回到零，在输出的特性曲线上，上升时输出和下降时输出之间的最大偏差与额定值之比称之为滞后。(3)重复性在同一工作条件下，按同一方式，做数次(三次以上)加载至额定值时，特性曲线的一致性。7.1.4供桥电压的选择供桥电压低时，
6、读数应变小，测量的灵敏度低。供桥电压过高时，虽然读数应变增大，但会使应变计工作性能变坏，滞后和蠕变增大，并产生很大的零点漂移。为了使得测试工作能够得到满意的效果，应选择最佳的供桥电压。影响最佳供桥电压数值的因素有应变计的型式、敏感栅的面积和电阻值、试件和弹性元件的散热能力、环境温度等。7.1.5传感器的电路补偿1.初始不平衡补偿2.零点漂移补偿3.灵敏度漂移补偿4.非线性补偿5.输出灵敏度补偿7.1.5传感器的电路补偿图7-1传感器的补偿电路1.初始不平衡补偿在应变计测量电桥中，只有当R1R4=R2R3时，电桥才会平衡。但各桥臂中的应变计的阻值总会存在一定的偏差，使得电桥不平衡，这时可以在桥臂
7、中串联电阻Rz进行补偿，使电桥平衡(图7-1)。串联电阻Rz的材料应与应变计敏感栅的材料相同，且粘贴在弹性元件非变形的部位上。串联电阻Rz的位置，根据实际工作情况选择合适的桥臂。2.零点漂移补偿一般传感器中都有初步的温度补偿措施，如利用桥臂特性进行补偿，采用温度自补偿应变计等。但由于电阻应变计的特性不完全相同，弹性元件各处的材料性能存在差别，当温度变化时，电桥仍会有输出，造成测量误差。这种当温度变化，电桥产生输出的现象，称为零点漂移(简称零漂)。3.灵敏度漂移补偿在有负载时，电桥的输出灵敏度随温度的变化而变化的现象，称为灵敏度漂移(简称动漂)。由于传感器采用弹性元件，存在因温度改变而引起传感器
8、灵敏度变化的问题。这是由于弹性元件材料的弹性模量E及应变计灵敏系数K随温度改变所致。在通常情况下，当温度升高时，弹性模量E要减少，如果外力不变，则应变要增加，电桥输出要增加，传感器的灵敏度变大。4.非线性补偿1)弹性元件受力后，横断面产生变化，使得读数应变与作用力不呈线性关系。2)电桥电路的输出与桥臂电阻变化存在的非线性。3)应变计本身的非线性。4)弹性元件本身存在的非线性。5)电桥线路中接入RE、RS，使输出有逐渐的非线性。图7-2非线性补偿4.非线性补偿5.输出灵敏度补偿对于成批生产的传感器，总希望输出灵敏度相同，并为一特定值。这时可在电桥的电源电路中串入补偿电阻RS，RS采用电阻温度系数
9、小的材料制成，调整其电阻值使得输出灵敏度相同。为了使电桥对称，RS在电源两端各串接一半。7.2测力传感器7.2.1拉压弹性元件7.2.2弯曲弹性元件7.2.3剪切弹性元件7.2.1拉压弹性元件1.柱式弹性元件2.平板开孔式弹性元件1.柱式弹性元件图7-3柱式弹性元件1.柱式弹性元件图7-4附加双膜片柱式弹性元件2.平板开孔式弹性元件图7-5平板开孔式弹性元件7.2.2弯曲弹性元件1.悬臂梁式弹性元件2.圆环式弹性元件1.悬臂梁式弹性元件图7-6悬臂梁式弹性元件1.悬臂梁式弹性元件图7-7改进的悬臂梁式弹性元件2.圆环式弹性元件(1)纯圆环弹性元件由材料力学可知，纯圆环弹性元件(图7-8a)的弯
10、矩图如图7-8b所示。(2)有加载端头的圆环弹性元件这种弹性元件如图7-9a所示。(1)纯圆环弹性元件图7-8纯圆环弹性元件图7-9有加载端头的圆环弹性元件(2)有加载端头的圆环弹性元件这种弹性元件如图7-9a所示。7.2.3剪切弹性元件1.梁式剪切弹性元件2.轮辐式剪切弹性元件1.梁式剪切弹性元件图7-10梁式剪切弹性元件1.梁式剪切弹性元件图7-11改进的梁式剪切弹性元件2.轮辐式剪切弹性元件图7-12轮辐式剪切弹性元件7.3扭矩传感器7.3.1圆轴式弹性元件7.3.2杆式弹性元件7.3.3板式弹性元件7.3.1圆轴式弹性元件1)使用扭矩传感器。2)将应变计直接粘贴在被测的工作轴上。7.3
11、.1圆轴式弹性元件图7-13扭矩测量原理图7-14扭矩传感器7.3.1圆轴式弹性元件7.3.2杆式弹性元件图7-15多杆式扭矩传感器7.3.3板式弹性元件图7-16板式扭矩传感器7.4压力传感器7.4.1膜片式7.4.2圆筒式7.4.3组合式7.4.1膜片式图7-17膜片式压力传感器7.4.1膜片式图7-18膜片式压力传感器1外壳2弹性元件3应变计7.4.2圆筒式图7-19圆筒式压力传感器的工作原理图7.4.2圆筒式图7-20圆筒式压力传感器1弹性元件2应变计3外壳7.4.3组合式图7-21组合式压力传感器1压力感受元件2应变计3弹性元件7.5位移传感器7.5.1梁式弹性元件位移传感器7.5.
12、2弹簧组合式位移传感器7.5.1梁式弹性元件位移传感器图7-22悬臂梁式位移传感器原理7.5.1梁式弹性元件位移传感器图7-23悬臂梁式位移传感器7.5.1梁式弹性元件位移传感器图7-24两端固定的弹性元件7.5.1梁式弹性元件位移传感器图7-25双悬臂夹式引伸计1弹性元件2应变计7.5.2弹簧组合式位移传感器图7-26弹簧组合式位移传感器7.6加速度传感器1.等强度梁加速度传感器2.等截面梁加速度传感器7.6加速度传感器图7-27加速度传感器的原理图1被测物体2基座7.6加速度传感器图7-28加速度传感器的幅频特性曲线1.等强度梁加速度传感器图7-29等强度梁弹性元件2.等截面梁加速度传感器图7-30等截面梁弹性元件2.等截面梁加速度传感器图7-31电阻应变式加速度传感器的结构图
