g-力传感器.pptx

被测机械量?→电参数?输出力学量/机械量传感器种类繁多,应用广泛,主要应用于对力、压力、称重、位移、加速度、扭矩、温度等的测量、检测。它们是生产过程检测、生产自动化以及人们生活不可缺少的手段之一。主要种类: 测量电路 2. 力敏传感器?应变式传感器?电感式传感器?电容式传感器?压电式传感器 1 横截面为 A的物体(金属丝)受到外力 F的作用并处于平衡状态时,物体在单位面积上引起的内力称为应力σ,即: A F??应变是表征物体受外力作用时产生相对变形大小的无量纲物理量。设物体原长为 l,受力后产生Δl 的形变,相应的应变ε为: l l???当纵(轴)向受力时产生的纵(轴)向应变为ε x、横(径)向应变为ε y,则: xy x yr r?????????????(μ为泊松比) 由胡克定律:当应力σ未超过某一极限值时,应力σ与应变ε成正比,即: ??E?(E为弹性模量) 相关概念: 泊松比指在材料的比例极限内,由均匀分布的纵向应力所引起的横向应变与相应的纵向应变之比的绝对值。2 应变式传感器核心元件为应变片,它将试件的应变变化转换成电阻变化。优点: ①精度高,测量范围广(测力精度可优于 % ,几个到数千微) ②频率响应特性较好(可达 10 -7s级) ③结构简单,尺寸小,重量轻④可在高、低温、高速、高压、强振动、强磁场及核辐射和化学腐蚀等恶劣条件下正常工作⑤易于小型化、固态化⑥价格低廉,品种多样,便于选择缺点:有非线性,输出信号微弱,抗干扰能力较差,只能测量一点或应变栅范围内的平均应变。概述 电阻应变式传感器 3 应变效应和工作原理应变效应:导体或半导体材料受外力(拉或压力)作用时, 会产生机械变形,机械变形导致其电阻值变化。设一长 l、截面积为 S、电阻率为ρ的园柱体,其电阻为 lRS ??圆柱体伸长后几何尺寸变化设外力 F作用下圆导体被拉伸(或压缩),则: d d d d R R R R l S l S ? ??? ??? ???? 2 d d d l l S S S S ? ??? ?? 电阻应变式传感器 4用相对变化表示 d d d d R l S R l S ? ????对于半径为 r的导体,截面面积 2π S r ? d 2 π S rdr ?则: d / r r 记圆柱体的轴向(纵向)相对变化 dl/l 为?,即?= dl/l ,?称为圆柱体长度方向的应变或轴向应变。其单位为??(10 -6 mm/mm) 径向(横向)应变为则由材料力学泊松定律可知: d d r l r l ? ?? ??? ??? ?? ?上式中?为泊松比,对于金属,一般?为 。 电阻应变式传感器 5整理可得电阻相对变化为: ?? d d 1 2 RR ????? ? ?/ 1 2 RR ? ?? ?? ??? ?? ?? ?? ??如用增量表示,有: ?? 1 2 RR ????? ?? ? ?进一步整理得 0/ 1 2 k ? ????? ? ?设则: 0RkR ???k 0为圆柱材料的电阻应变灵敏系数,它受两因素影响:该导体的几何变形(尺寸变化)和电阻率变化,也即导体的电阻相对变化由其几何变形和电阻率变化引起。 电阻应变式传感器 6对于金属材料,其电阻相对变化以结构尺寸变化(几何变形)为主,即灵敏系数 k 0主要由 1+2 ?决定,电阻率变化的影响可忽略; 对于半导体材料,其电阻的相对变化以材料的电阻率变化(压阻效应)为主,即灵敏系数 k 0主要由决定, 结构尺寸变化的影响可忽略。一般金属导体的 k 0在 ~ 之间,而半导体的 k 0远比导体的大,可达 150~200 。对确定的材料,k 0保持不变,即恒定。因此: /?? ?? 0RkR ??? 电阻应变式传感器 7 应变片的种类、结构、材料及粘贴 1)种类?金属电阻应变片: 丝式、箔式和薄膜式。?半导体应变片: 扩散型、体型 2) 结构?丝式: 电阻丝式应变片的基本结构 2 341bl 栅长栅宽 电阻应变式传感器 8?箔式敏感栅是由很薄的金属箔片用光刻、腐蚀等技术制作。与丝式应变片相比,金属箔式应变片具有散热性能好,允许电流大,灵敏度高,寿命长, 可制成