《电阻应变传感器》PPT课件.ppt

1,电阻应变式传感器,2,电阻应变传感器,由弹性敏感元件与电阻应变片构成 弹性敏感元件产生应变，电阻值产生相应变化 弹性敏感元件作用：敏感元件 电阻应变片作用： 转换元件 应用 测量位移、加速度、力、力矩等 基本特点 简单、稳定可靠、可动静测量、悠久,3,电阻应变传感器,4,1 电阻应变片的工作原理,1.1 金属的应变效应,电阻应变片的工作原理基于金属的应变效应。 金属丝的电阻随着它所受的机械变形的大小而发生相应变化的现象称为金属的应变效应。,5,1 电阻应变片的工作原理,1.2 电阻丝应变片的基本结构,敏感栅直径：0.010.05mm 基底厚：0.030.06mm,6,1 电阻应变片的工作原理,1.2 电阻丝应变片的基本结构,l:基长或标距 b: 宽度,7,1 电阻应变片的工作原理,1.3 电阻-应变特性,8,1 电阻应变片的工作原理,1.3 电阻-应变特性,电阻丝受到拉力F时， 将伸长l，横截面积相应减小S，电阻率因材料晶格发生变形等因素影响而改变了d，从而引起电阻值相对变化量为,9,式中：dl/l长度相对变化量，用应变表示为,dS/S圆形电阻丝的截面积相对变化量，设r为电阻丝的半径，微分后可得dS=2r dr，则,10,由材料力学可知，在弹性范围内，金属丝受拉力时，沿轴向伸长， 沿径向缩短， 令dl/l=为金属电阻丝的轴向应变，那么轴向应变和径向应变的关系可表示为,式中, 为电阻丝材料的泊松比， 负号表示应变方向相反。,11,或,通常把单位应变能引起的电阻值变化称为电阻丝的灵敏系数。 其物理意义是单位应变所引起的电阻相对变化量，其表达式为,12,灵敏系数K受两个因素影响： 一个是应变片受力后材料几何尺寸的变化， 即 1+2； 一个是应变片受力后材料的电阻率发生的变化， 即 （d/）/ 对金属材料来说，电阻丝灵敏度系数表达式中1+2的值要比(d/)/大得多，而半导体材料的(d/)/项的值比1+2大得多。 大量实验证明，在电阻丝拉伸极限内， 电阻的相对变化与应变成正比，即K为常数。,13,用应变片测量应变或应力时，根据上述特点，在外力作用 下，被测对象产生微小机械变形，应变片随着发生相应的变化， 同时应变片电阻值也发生相应变化。 当测得应变片电阻值变化量为R时，便可得到被测对象的应变值， 根据应力与应变的关系，得到应力值为,=E,14,（1）金属材料的应变电阻效应,（2）半导体材料的应变电阻效应,半导体材料的 应变灵敏系数,金属丝材的 应变灵敏系数,：材料的压阻系数 E：材料的弹性模量,15,1 电阻应变片的工作原理,1.4 电阻应变片的横向效应,（a） 应变片及轴向受力图； （b） 应变片的横向效应图,16,总的应变包括纵向和横向的变形引起的。 如受拉，则横向的缩短作用引起的电阻值的减小量对于轴向伸长作用引起的电阻值的增加量有抵消的作用，使应变灵敏系数减小，这种现象称为横向效应 。 带来测量误差。,17,18,标定条件下：,横向效应,横向效应系数,直角横栅、箔式应变计,如何减小横向效应,19,2 电阻应变片的种类和主要参数,2.1 电阻应变片的种类,一、丝式应变片 1、回线式应变片 2、短接式应变片 二、箔式应变片 三、薄膜应变片 四、半导体应变片,20,2 电阻应变片的种类和主要参数,2.1 电阻应变片的种类,一、丝式应变片 1、回线式应变片,21,2 电阻应变片的种类和主要参数,2.1 电阻应变片的种类,一、丝式应变片 2、短接式应变片,克服了回线式应变片的横向效应,22,2 电阻应变片的种类和主要参数,2.1 电阻应变片的种类,二、箔式应变片,照相制版或光刻 形状复杂,23,2 电阻应变片的种类和主要参数,2.1 电阻应变片的种类,三、薄膜应变片 采用真空蒸发、溅射、等离子化学气相沉积等物理、化学方法在基底材料上导电的薄膜 也可以直接在弹性体上作薄膜：整体式薄膜传感器 特点：稳定性高，电阻温度系数很小。,24,2 电阻应变片的种类和主要参数,2.1 电阻应变片的种类,四、半导体应变片,基于半导体材料的压阻效应。 压阻效应是指半导体材料，当某一轴向受外力作用时， 其电阻率发生变化的现象。,25,2 电阻应变片的种类和主要参数,2.1 电阻应变片的种类,四、半导体应变片,26,式中d/为半导体应变片的电阻率相对变化量，其值与半导体敏感元件在轴向所受的应变力有关，其关系为,当半导体应变片受轴向力作用时， 其电阻相对变化为,27,由上两式得,实验证明：E比1+2大上百倍，所以1+2可以忽略，因而半导体应变片的灵敏系数为,28,半导体应变片的特点： 灵敏系数大，比金属丝式高5080倍。 横向效应小、机械滞后小 。 温度系数大，温度稳定性差。 非线性比较严重。 灵敏系数随受拉和受压而变，且分散性大。,29,2 电阻应变片的种类和主要参数,2.2 电阻应变片的材料,一、敏感栅材料 对电阻丝材料应有如下要求： 灵敏系数大， 且在相当大的应变范围内保持常数； 值大，即在同样长度、同样横截面积的电阻丝中具有较大的电阻值； 电阻温度系数小； 与铜线的焊接性能好， 与其它金属的接触电势小； 机械强度高， 具有优良的机械加工性能。,30,常用材料： 康铜 1.92.1 （Cu55Ni45） 镍铬合金 2.1-2.3 （Ni80Cr20） 卡玛 2.4-2.6 （6J23 Ni74Cr20Fe3Al3） 铁铬铝合金 2.3-2.8 （Fe70Cr25Al5） 贵金属 3.5-6 （Pt Pt92W8） 等,31,二、应变片基底材料 对基底材料性能要求： （1）机械强度好，挠性好 （2）粘贴性好，绝缘性好 （3）热稳定性好，抗湿性好，无滞后和蠕变 有纸基和有机聚合物胶基两类 胶基：环氧树脂、酚醛树脂、聚酰亚胺树脂等。 0.030.05mm。,2.2 电阻应变片的材料,32,2.2 电阻应变片的材料,三、引线材料 康铜敏感栅的用0.050.18mm的银铜丝。 其它类型的敏感栅多采用镍铬、卡马、镍铬铝合金丝,33,一、应变片电阻值 60、120、350、600、1000等，已趋于标准化。 120 最常用。 二、绝缘电阻 指已粘贴的应变片的引线与被测件之间的电阻值。 通常应大于1010 。 绝缘电阻下降将使测量系统的灵敏度降低，使应变片的指示应变产生误差。 取决于粘结剂及基底材料的种类及固化工艺,2.3 应变片的主要参数,2 电阻应变片的种类和主要参数,34,三、灵敏系数 大而稳定 四、允许电流 电流温升不至影响测量精度所允许通过的最大电流。 与应变片、试件、粘合剂和环境有关。 静态测量：25mA 动态测量：75100mA 五、应变极限 在一定温度时，指示应变值与真实应变的相对差值不 超过一定数值时的最大真实应变数值。 一般规定为10% 六、机械滞后、零漂、蠕变,2.3 应变片的主要参数,35,3.1 应变片的温度误差产生原因 由于测量现场环境温度的改变而给测量带来的附加误差， 称为应变片的温度误差。 产生应变片温度误差的主要因素有下述两个方面： 1) 电阻温度系数的影响 2) 试件材料和电阻丝材料的线膨胀系数的影响,3 电阻应变片的温度误差及补偿,36,一、温度变化引起应变片敏感栅电阻变化而产生附加应变,二、试件材料与敏感栅材料线膨胀系数不同，而产生的附加应变,：敏感栅材料的电阻温度系数,将电阻的变化折合成应变为：,3.1 应变片的温度误差产生原因,37,试件材料与敏感栅材料线膨胀系数不同而产生的附加变形为：,折算应变为：,3.1 应变片的温度误差产生原因,二、试件材料与敏感栅材料线膨胀系数不同，而产生的附加应变,38,由此引起电阻的变化为：,则引起总的电阻的变化为：,则附加虚假应变量为：,3.1 应变片的温度误差产生原因,39,3.2 温度补偿方法 两大类： 桥路补偿和应变片自补偿。,3 电阻应变片的温度误差及补偿,40,一、桥路补偿法 桥路补偿是称补偿片法。 图(a)是电桥补偿法的原理图。电桥输出电压Uo与桥臂参数的关系为：,Uo=A(R1R4-RBR3),41,式中, A为由桥臂电阻和电源电压决定的常数。由上式可知， 当R3和R4为常数时，R1和RB对电桥输出电压Uo的作用方向相反。 利用这一基本关系可实现对温度的补偿。 测量应变时，工作应变片R1粘贴在被测试件表面上，补偿应变片RB粘贴在与被测试件材料完全相同的补偿块上，且仅工作应变片承受应变, 如图(b)所示。 当被测试件不承受应变时，R1和RB又处于同一环境温度为t的温度场中，调整电桥参数使之达到平衡，此时有,工程上，一般按R1 = RB = R3 = R4 选取桥臂电阻。,42,当温度升高或降低t=t-t0时，两个应变片因温度而引起的电阻变化量相等，电桥仍处于平衡状态， 即,若此时被测试件有应变的作用，则工作应变片电阻R1又有新的增量R1=R1K，而补偿片因不承受应变，故不产生新的增量， 此时电桥输出电压为,由上式可知，电桥的输出电压Uo仅与被测试件的应变有关， 而与环境温度无关。,43,应当指出，若要实现完全补偿，上述分析过程必须满足以下4个条件： 在应变片工作过程中，保证R3=R4 R1和RB两个应变片应具有相同的电阻温度系数、线膨胀系数、应变灵敏度系数K和初始电阻值R0。 粘贴补偿片的补偿块材料和粘贴工作片的被测试件材料必须一样，两者线膨胀系数相同。 两应变片应处于同一温度场。,44,二、应变片的自补偿法 这种温度补偿法是利用自身具有温度补偿作用的应变片(称 之为温度自补偿应变片)来补偿的。 1、选择式自补偿应变片 根据上面分析，要实现温度自补偿，必须有：,如果合理选择敏感栅材料， 即其电阻温度系数、灵敏系数K以及线膨胀系数，满足上式，则不论温度如何变化，均有Rt/R0=0，从而达到温度自补偿的目的。,45,2、双金属敏感栅自补偿应变片 也称组合式自补偿应变片。 电阻丝由两种材料串联构成，电阻温度系数一个为正，一个 为负。,46,三、热敏电阻补偿法,热敏电阻的阻值也下降(即,当应变片的灵敏度,随温度升高而,下降,(即 ),),使电桥的输入电压随温度升高而增加,从而,提高电桥的输出,补偿因应变片引起的输出下降。,基本原理:利用热敏电阻的电阻温度系数的正、负特性,选择与测量电阻温度系数符号相反的热敏电阻,使与应变片处在相同的温度条件下,并接在输入端,47,4.1 直流电桥 1. 直流电桥平衡条件 E为电源电压，R1、R2、R3及R4为桥臂电阻，RL为负载电阻。 当RL时，电桥输出电压为,4 电阻应变式传感器的信号调理电路,48,直流电桥,49,当电桥平衡时，Uo=0，则有,R1R4=R2R3,或,上式为电桥平衡条件。 欲使电桥平衡， 其相邻两臂电阻的比值应相等， 或相对两臂电阻的乘积应相等。,50,应变片工作时，其电阻值变化很小，电桥相应输出电压也很小，一般需要加入放大器进行放大。 由于放大器的输入阻抗比桥路输出阻抗高很多，所以此时仍视电桥为开路情况。 当受应变时，若应变片R1电阻变化为R1，其它桥臂固定不变，电桥输出电压Uo0，则电桥不平衡，输出电压为 ：,2. 电压灵敏度,51,52,设桥臂比n=R2/R1，由于R1R1，分母中R1/R1可忽略， 并考虑到平衡条件R2/R1=R4/R3， 则上式可写为,电桥电压灵敏度定义为：,53,从上式分析发现： 电桥电压灵敏度正比于电桥供电电压， 供电电压越高， 电桥电压灵敏度越高，但供电电压的提高受到应变片允许功耗的限制，所以要作适当选择； 电桥电压灵敏度是桥臂电阻比值n的函数，恰当地选择桥臂比n的值，保证电桥具有较高的电压灵敏度。 当E值确定后，n取何值时才能使SU最高。,54,由dSU/dn = 0求SU的最大值，得,求得n=1时，SU为最大值。这就是说，在供桥电压确定后，当R1=R2=R3=R4时，电桥电压灵敏度最高，此时有,可知，当电源电压E和电阻相对变化量R1/R1一定时， 电桥的输出电压及其灵敏度也是定值，且与各桥臂电阻阻值大小无关。,55,上面是略去分母中的R1/R1项，电桥输出电压与电阻相对变化成正比。实际情况则应按右式计算：,与R1/R1的关系是非线性的，非线性误差为,3. 非线性误差及其补偿方法,56,57,如果是四等臂电桥，R1=R2=R3=R4，即n=1， 则,对于一般应变片来说，所受应变通常在5000以下，若取KU=2，则R1/R1=KU=0.01，代入式计算得非线性误差为0.5%； 若KU=130，=1000时，R1/R1=0.130，则得到非线性误差为6%， 故当非线性误差不能满足测量要求时，必须予以消除。,58,为了减小和克服非线性误差，常采用差动电桥 在试件上安装两个工作应变片，一个受拉应变，一个受压应变， 接入电桥相邻桥臂，称为半桥差动电路 该电桥输出电压为,3. 非线性误差及其补偿方法,59,若R1=R2，R1=R2，R3=R4，则得,可知，Uo与R1/R1成线性关系，差动电桥无非线性误差，而且电桥电压灵敏度SU=E/2，是单臂工作时的两倍，同时还具有温度补偿作用。,3. 非线性误差及其补偿方法,60,若将电桥四臂接入四片应变片，即两个受拉应变，两个受压应变，将两个应变符号相同的接入相对桥臂上，构成全桥差动电路。 若R1=R2=R3=R4，且R1=R2=R3=R4，则,61,全桥差动电路没有非线性误差， 电压灵敏度为单片工作时的4倍， 具有温度补偿作用。,62,直流放大器易于产生零漂，应变电桥多采用交流电桥。 图为半桥差动交流电桥的一般形式， 由于供桥电源为交流电源，引线分布电容使得二桥臂应变片呈现复阻抗特性，即相当于两只应变片各并联了一个电容,4.2 交流电桥,63,交流电桥,64,1、交流电桥平衡条件,65,（1）电阻调平法,2、交流电桥的调平方法,66,（2）电容调平法,67,对电阻应变进行放大、显示和记录的仪器称为应变仪。,4.3 电阻应变仪,68,1、电阻应变仪分类,69,2、交流电阻应变仪结构及工作原理,电桥：电源 400 2000Hz正弦波，被测应变信号,振荡器：载波信号、相敏检波器的参考电压,相敏检波器：检波器（解调）、辨别相位,70,71,一、 电阻应变式力传感器 被测物理量为荷重或力的应变式传感器时，统称为应变式力传感器。 如作为各种电子称与材料试验机的测力元件、 发动机的推力测试、 水坝坝体承载状况监测等。 应变式力传感器要求有较高的灵敏度和稳定性，当传感器在受到侧向作用力或力的作用点少量变化时，不应对输出有明显的影响。,5 电阻应变式传感器的应用,72,（a） 柱式；（b） 筒式；（c） 圆柱面展开图；（d） 桥路连线图,1. 柱（筒）式力传感器,73,1. 柱（筒）式力传感器,74,1. 柱（筒）式力传感器,F：力 。 S：圆柱的横截面积 E：弹性模量,75,称重式料位计,76,电子皮带秤 电子皮带秤与一般秤不同，它属于动态称重计量方式，用以测量皮带机在单位时间内所输送的物料质量,77,荷重传感器安装在钢丝绳固定端,荷重传感器安装在吊钩上,电子吊车秤 电子吊车秤是在吊运物体的过程中就可以进行称重的装置。,78,2. 环式力传感器 如图所示为环式力传感器结构图。 与柱式相比，应力分布变化较大，且有正有负。,图 环式力传感器 (a) 环式传感器结构图； (b) 应力分布,79,3. 梁式力传感器 等截面梁、等强度梁。,80,3. 梁式力传感器 双端固定梁,81,二、 应变式压力传感器 图为膜片式压力传感器，应变片贴在膜片内壁，在压力p作用下，膜片产生径向应变r和切向应变t，表达式分别为,图 膜片式压力传感器 （a） 应变变化图; （b） 应变片粘贴,82,三、 应变式容器内液体重量传感器 图是插入式测量容器内液体重量的传感器示意图。 该传感器有一根传压杆，上端安装微压传感器，为了提高灵敏度， 共安装了两只。下端安装感压膜，感压膜感受上面液体的压力。 当容器中溶液增多时，感压膜感受的压力就增大。将其上两个传感器Rt的电桥接成正向串接的双电桥电路，此时输出电压为,Uo=U1-U2=(K1-K2)hg,式中, K1，K2为传感器传输系数。,83,图 应变片容器内液体重量传感器,84,四、应变式加速度传感器 应变式加速度传感器主要用于物体加速度的测量。其基本工作原理是：物体运动的加速度与作用在它上面的力成正比， 与物体的质量成反比，即a=F/m。 下图是应变片式加速度传感器的结构示意图， 图中1是等强度梁，自由端安装质量块2，另一端固定在壳体3上。等强度梁上粘贴四个电阻应变敏感元件4 。为了调节振动系统阻尼系数， 在壳体内充满硅油。,85,图 电阻应变式加速度传感器结构图,86,半导体应变式传感器又称压阻式传感器。 早期：半导体应变片粘贴在弹性体上 20世纪70年代后：周边固定的力敏电阻和硅膜一体化的扩散型压阻传感器。 下面介绍：扩散型压阻式传感器,6 压阻式传感器,87,一、晶体的晶面、晶向,6 压阻式传感器,结晶体是具有多面体形态的固体，由分子、原子或离子的有规则排列构成。 多面体的表面由称为晶面的许多平面围合而成， 晶面与晶面相交的直线称为晶棱， 晶棱的交点称为晶体的顶点。 为了说明晶格点阵的配置和确定晶面的位置，通常引进一组对称轴线，称为晶轴，用x、y 、z表示。,88,一、晶体的晶面、晶向,6 压阻式传感器,硅为立方晶体结构，取立方晶体3 个相邻边为x、y、z方向。 在晶轴x 、y 、z上，取与所有晶轴相交的一晶面为单位晶面。,89,一、晶体的晶面、晶向,6 压阻式传感器,晶向是品面的法线方向，根据有关的规定，晶面符号为（h k l ) ，晶面全集符号h k l ，晶向符号h k l，晶向全集符号h k l 。 在立方晶体中，所有的原子可以看成是分布在与上下晶面相平行的一族晶面上，也可以看成是分布在与两侧晶面相平行的一族晶面上。要区分不同的晶面，需采用密勒指数来对晶面面进行标记。 对于同一单晶，不同晶面上的原子的分布不同。,90,一、晶体的晶面、晶向,6 压阻式传感器,在硅单品中，( 1 11 ）晶面上的原子密度最大，( 1 10 ）晶面上原子密度较小。 各个晶面上的原子密度不同，所表现出的性质也不同， （111 ）晶面的化学腐蚀速率为各向同性， （100 ）晶面上的化学腐蚀速率为各向异性。 单品硅是各向异性材料，取向不同，则压阻效应也不同。 硅压阻传感器的芯片，就是选择压阻效应最大的晶向来布置电阻条的。