【正文】 ? 測量電路：單臂，差動半橋，差動全橋的靈敏度。 ? 利用應(yīng)變的傳感器有荷重 、 壓力 、 形變 、 粘度傳感器 。 ? 應(yīng)變 （ 力傳感器 ） —貼在試件上 （ 彈性元件 ） 的應(yīng)變片 的電阻變化率與應(yīng)變成比例 。 傳感器原理及應(yīng)用 第 3章 應(yīng)變式傳感器 本章小結(jié)： ? 應(yīng)變片 —金屬絲拉長 ， 電阻增加 ， 反之減少 。 主程序流圖 初始化子程序流程圖 中斷服務(wù)子程序流程圖 壓力測量轉(zhuǎn)換子程序流程圖 傳感器原理及應(yīng)用 第 3章 應(yīng)變式傳感器 本章要點(diǎn)： ? 電阻式 傳感器的基本原理 ， 轉(zhuǎn)換電路 。中斷服務(wù)程序完成調(diào)用壓力測量和轉(zhuǎn)換程序任務(wù) 。 壓力傳感器與單片機(jī)的軟件接口設(shè)計(jì) ? 系統(tǒng)軟件由主程序、中斷服務(wù)程序、延時程序、壓力測量和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換程序組成?？赏ㄟ^外部中斷或查詢方式讀取 A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果。 （ 3） A/D轉(zhuǎn)換模塊與單片機(jī)連接 ? ADCO809與單片機(jī)接口如圖 241所示。 ? VREF+:參考電壓 ,+10V。 ? OE:允許讀 A/D結(jié)果 ,高有效 ? CP:時鐘輸入端 ,范圍為10kHz~1200kHz,典型值 640kHz ? EOC:轉(zhuǎn)換結(jié)束時為高。 ? ALE:地址鎖存允許控制信號。 ? DO—D7:8位數(shù)字量輸出端。 ? A/D轉(zhuǎn)換電路由 ADC0809， ? ADCO809是 NS(National Semiconductor,美國國家半導(dǎo)體 )公司生產(chǎn)的逐次逼近型 A/D轉(zhuǎn)換器。 ? 差動放大輸出的信號送調(diào)理濾波電路進(jìn)一步放大和整理，將微弱的信壓力信號放大到滿足 A/D轉(zhuǎn)換的要求。 ? 當(dāng)應(yīng)變片受力后 ,R1發(fā)生變化 , ? R1 R3≠ R2 R4,電橋輸出 V0≠0,并有 001144RV V k VReD? ? ? ?（ 2）差動輸入模塊和調(diào)理放大模塊 ? 差動輸入模塊由 A(V1)和 B(V1)構(gòu)成。該系統(tǒng)可測試和顯示壓力數(shù)值，精度達(dá)到 6位有效數(shù)字 傳感器與 測量電路 差動輸入和 調(diào)理放大電路 A/D轉(zhuǎn)換 單片機(jī) 顯示電路 智能壓力測試系統(tǒng)由 5個模塊構(gòu)成 ,它們是測量電路、差動輸人模塊、調(diào)理放大模塊、 A/D轉(zhuǎn)換模塊、單片機(jī)和顯示模塊。 ? 電路中 RP1用于調(diào)零 ,RP2調(diào)運(yùn)放輸出幅度 ,A/D轉(zhuǎn)換電路中 ,1kΩ 電位器可調(diào)電子稱滿度。 ? 故用量程為 200mV數(shù)字電壓表測量顯示。選擇 R1~R4使其特性相同 )R RR RR RR R(4EU443322110D?D?D?D?RR4E4U0D???? 差動電壓放大電路 :A A2組成電橋差動放大電路。不加載時 ,電橋平衡 。 ? 測量電路如圖所示，由 測量電橋 、 差動放大電路 、A/D轉(zhuǎn)換 及 顯示 等組成。彈性體雙孔位置貼四片箔式電阻應(yīng)變片。所以 電路中 ,A A A3運(yùn)放組成同相輸人并串聯(lián)差動放大器 ,放大倍數(shù)為 6 2 510201 2 8 . 4 11 0 0 02 0 )( 2 01RRRRR1Ksfhf2f1F ??????? ???????????? ???則最大應(yīng)變時電路輸出端電壓為 5V5 0 0 0 m V6258 m VU 0 ????)k P a(641 0 0)5/(p ???因 0~100kPa壓力對應(yīng) 0~5V輸出 ,當(dāng)輸出端電壓為 ,有 A4構(gòu)成電壓跟隨器 ,通過調(diào)整輸入端電位器 , 以調(diào)整 A4輸出 ,再與 A2輸出相加，使壓力傳感器壓力為零，即對電路調(diào)零。0 UkR/RUU e?D?)mV(85VU/6 m i39。膜片允許最大應(yīng)變 ε=800?e,對應(yīng)壓力為 100kPa,電撟電壓 Ui為5V。 ? [例 31]應(yīng)變片連接成全等臂橋 ,且 R1=R3=R+DR, R2=R4=RDR, 如圖所示。 5. 應(yīng)用示例 (1)基本應(yīng)用。 已知電源電壓 U=4V， R是固定電阻，并且R1=R2=R3=R4=R=250Ω ，當(dāng)有一個 F力作用時，應(yīng)變片電阻變化量為 ΔR=。 已知 R R R R4標(biāo)稱阻值均為 120Ω， 橋路電壓為 2V，物重 M引起 R R2變化增量為 。 投入式液位計(jì)外形 投入式液位傳感器 ? 投入式液位傳感器必須使用安全支架，適應(yīng)與深度在幾米至幾十米，且混有大量污物、雜質(zhì)的水或其他液體的液位測量 投入式液位計(jì)液位的計(jì)算 ? 按裝高度 h0的表壓 ? p1=?gh1 ? 所以 ? h=h0+h1=h0+p1/(?g) ? 例：液位計(jì)安裝高度為 1m，測的壓力為98kPa，求水的深度 h？ 材料應(yīng)變的測量 ? 斜拉橋上的斜拉繩應(yīng)變測試 材料應(yīng)變的測量 ? 預(yù)應(yīng)力管樁的質(zhì)量檢驗(yàn)：工作人員在貼應(yīng)力片 ? 應(yīng)力片安裝在管樁上，引出線應(yīng)良好固定。 壓阻式固態(tài)壓力傳感器的隔離、承壓膜 ? 隔離、承壓膜片可將腐蝕性的氣體、液體與硅片隔離開 壓阻式固態(tài) ? 壓阻式固態(tài)壓力傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu) P 信號處理電路 小型壓阻式固態(tài)壓力傳感器 低壓進(jìn)氣口 高壓進(jìn)氣口 小型壓阻式固態(tài)壓力傳感器 電纜引出 P2進(jìn)氣管 P1進(jìn)氣管 ? 用于呼吸、透析和注射泵等設(shè)備 小型壓阻式固態(tài)壓力傳感器 ? 表壓力傳感器 P1進(jìn)氣管 汽車子午線輪胎胎壓的測量 ? 汽車輪胎傳感器的安裝 子午線輪胎 投入式液位計(jì) ? 壓阻式固態(tài)壓力傳感器的 p1進(jìn)氣孔用柔性不銹鋼隔離膜片隔離，并用硅油傳到壓力。量程 2500Nm,耗電量 =10mA,有公制 /英制單位轉(zhuǎn)換、峰值保持，自動斷電等功能。 測力傳感器 測速 P 固體物料 υ 皮帶速度 驅(qū)動輪 電子皮帶秤原理 托輥 秤架 交流電橋 放大檢波 UI 轉(zhuǎn)換 瞬時顯示 總量顯示 積分（ t) Ui(f) 測力傳感器 光電傳感 P 固體物料 υ 皮帶速度 驅(qū)動輪 Δ R/R 電橋輸出： U = Ui ΔR/R 放大檢波輸出： U0 ∝ ΔR/R Ui 瞬時顯示： Q = p υ 輸出總量 =∫Q dt 電子皮帶秤原理 應(yīng)變式力傳感器 ? S型力傳感器 各種懸臂梁 各種懸臂梁 電纜 F 固定點(diǎn) F 固定點(diǎn) 應(yīng)變式荷重傳感器的外形及應(yīng)變片粘貼位置 應(yīng)變式荷重傳感器的外形及受力位置 汽車衡：測量裝貨量 判斷超載 荷重傳感器用于構(gòu)件稱重 荷重傳感器 共 3個， 120度分布，以達(dá)到均衡目的，另兩個沒有拍出 墊塊 底座 電纜 電子秤 磅稱 超市打印稱 遠(yuǎn)距離顯示 電子天平 ? 電子天平的精度可達(dá)十萬分之一 吊鉤秤 ? 如何將信號傳送到計(jì)算機(jī) 電子秤中各種彈性元件 應(yīng)變式數(shù)顯扭矩扳手 ? 數(shù)顯扳手可用于汽車、摩托車、飛機(jī)、內(nèi)燃機(jī)、機(jī)械制造和家用電器等領(lǐng)域。通過測量阻值的變化求出待測物體的加速度。 懸臂梁 （ 等強(qiáng)度梁 ） 自由端固定質(zhì)量塊 ， 殼體內(nèi)充滿硅油 ， 產(chǎn)生必要的阻尼 。 ? 傳感器一般可測量 105～ 106 Pa 的壓力 。 R1 R2 R3 R4 ④ 膜片式壓力傳感器 2 2 223 ( 1 ) ( 3 )8rp rxEhe?? ? ? 2 2 223 ( 1 ) ( )8t p rxEhe?? ? ?22m a x m a x 23 ( 1 )8rtp rEh?ee ???2 2m in m a x23 ( 1 ) 24rrp rEh?ee?? ? ? ?/ 3 0 .5 8x r r??? 根據(jù)應(yīng)力分布粘貼四個應(yīng)變片 ，R R3粘貼在正的最大區(qū)域 , R R4粘貼在負(fù)的最大區(qū)域 ,即是粘貼在 r = 的內(nèi)外兩側(cè) 。 ? 應(yīng)變值分別為： 式中： r —— 膜片半徑 h —— 膜片厚度 E —— 膜片彈性模量 μ —— 膜片泊松比 x —— 任意點(diǎn)離圓心距離 R1 R2 R3 R4 P ④ 膜片式壓力傳感器 2 2 223 ( 1 ) ( 3 )8rp rxEhe?? ? ?2 2 223 ( 1 ) ( )8tp rxEhe?? ? ?? 膜片中心處 ， x = 0 ， εr與 εt 都達(dá)到正的最大值 ， 這時切向應(yīng)變和徑向應(yīng)變?yōu)椋? ? 膜片邊緣處 x = r , 切向應(yīng)變 εt = 0 , 徑向應(yīng)變 εr 達(dá)到負(fù)的最大值 。 金屬元件的膜片周邊被固定 。 8個應(yīng)變片分別粘貼在四個輪輻條的正反兩面組成全橋 . ? 扁平外型有大的抗載能力，可承受大的偏心度和側(cè)向力，埋在地下用于測量行走中的拖車、卡車，可根據(jù)輸出對超載車輛報(bào)警。 ? 當(dāng)力作用在自由端時 ， 距作用點(diǎn)任何截面積上應(yīng)力相等 ， 應(yīng)變片的應(yīng)變大小為： 當(dāng)力作用在自由端時 ， 梁表面產(chǎn)生應(yīng)變相等 ， 對應(yīng)變片粘貼位置要求不嚴(yán) ， 使用更為方便 。 ? 這種傳感器適用于測量 500Kg以下荷重 。 ? 四個應(yīng)變片組成全橋 ， 上面兩個受壓時下面兩個受拉 。 ? 當(dāng)外力 F作用在梁的自由端時，固定端產(chǎn)生的應(yīng)變最大， 粘貼在應(yīng)變片處的應(yīng)變?yōu)椋? 式中： 是梁上應(yīng)變片至自由端距離， b、 h 分別為梁的寬度和梁的厚度。 ? ? V1是放大器輸出，相敏檢波器輸入； ? V2是相移器輸出，相敏檢波參考信號輸入； ? V3是相敏檢波器輸出； ? 場效應(yīng)管 3DJ7的通斷控制 A2運(yùn)放的輸出相位極性。 電阻應(yīng)變儀 相敏檢波器 ? 相敏檢波器可以區(qū)分正負(fù)極性的雙相信號，在傳感器轉(zhuǎn)換電路中廣泛應(yīng)用，相敏檢波器的電路形式較多 .相敏檢波器有兩個作用：一是只對同相信號檢波；二是識別調(diào)制信號的正負(fù)。 ? 相敏檢波器 ， 如果應(yīng)變有拉和壓應(yīng)變 ， 可通過相敏檢波電路區(qū)分雙向信號； ? 低通濾波器去掉高頻保留低頻應(yīng)變信號 , 還原被檢測的信號 。 ? 不同應(yīng)變頻率范圍的應(yīng)變儀，數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)處理電路 有較大差別。 機(jī)械設(shè)備的構(gòu)件形變研究 —火炮炮管、汽車底盤、飛機(jī)機(jī)翼。 ? 、應(yīng)變、形變（一次性使用）；通過電阻應(yīng)變儀實(shí)現(xiàn)應(yīng)變測量 . ? 電阻應(yīng)變儀是直接測量應(yīng)變的專用儀器，在科研和工業(yè)生產(chǎn)中常 常要對構(gòu)件或組件的應(yīng)變進(jìn)行測量。便于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、自動化測量。 ? (3)結(jié)構(gòu)輕小，對試件影響小，對復(fù)雜環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng) ,可在高溫、高壓、強(qiáng)磁場等特殊環(huán)境中使用，頻率響應(yīng)好。 ? 應(yīng)變片式傳感器有如下特點(diǎn) : ? (1)應(yīng)用和測量范圍廣，應(yīng)變片可制成各種機(jī)械量傳感器。 ?e／ ℃ 。 0))(( 00 ?D???D tKRR sgt bb?)(0 sgK bb? ??? 是由兩種不同電阻溫度系數(shù) （ 一種為正值 ， 一種為負(fù)值 ） 的材料串聯(lián)組成敏感柵 ， 以達(dá)到一定的溫度范圍內(nèi)在一定材料的試件上實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償?shù)?， 如圖 。 a. 選擇式自補(bǔ)償應(yīng)變片 b. 雙金屬敏感柵自補(bǔ)償應(yīng)變片 ? ?t g sk? b b? ? ?應(yīng)變片溫度自補(bǔ)償法 a. 選擇式自補(bǔ)償應(yīng)變片 優(yōu)點(diǎn)：容易加工，成本低， 缺點(diǎn)：只適用特定試件材料，溫度補(bǔ)償范圍也較窄。 具有溫度補(bǔ)償作用的應(yīng)變片稱為補(bǔ)償片 ,用特制的溫度補(bǔ)償片進(jìn)行補(bǔ)償。當(dāng)溫度變化△ t時，因試件材料和敏感柵材料的線膨脹系數(shù)不同，應(yīng)變片將產(chǎn)生附加拉長（或壓縮），引起的電阻相對變化 ? 設(shè)電阻絲和試件在溫度為 0℃ 時的長度均為 l0, 它們的線膨脹系數(shù)分別為 βs和 βg，若兩者不粘貼，則它們的長度分別為 ls=l0(1+βsΔt) lg=l0(1+βgΔt) 當(dāng)兩者粘貼在一起時 ， 電阻絲產(chǎn)生的附加變形 Δl、 附加應(yīng)變 eb和附加電阻變化 ΔRb分別為 t R K R K R t l l t l l l l s g s g s g s g D ? ? ? D D