传感与感测技术PPT教案课件-第2章电阻应变传感器.ppt

,第2章电阻应变传感器,通过本章的学习，掌握金属应变式传感器的构成原理及特性，对电阻应变测量桥路的分析，掌握测量电桥的结构、形式、特点以及相关的测量计算。,上一页,下一页,返 回,第2章电阻应变传感器,2.1 电阻应变片 2.2 电阻应变传感器测量电路 2.3 电阻应变传感器的应用,上一页,下一页,返 回,基本概念,电阻应变传感器(resistance strain sensor)是一种利用电阻应变片将应变转换为电阻变化的传感器。任何非电量只要能转化为应变量就可以利用电阻应变传感器测量，因而在非电量电测技术中应用十分广泛。其主要特点是： 结构简单，使用方便，性能稳定、可靠； 灵敏度高，频率响应特性好，适合于静态、动态测量； 环境适应性好，应用领域广泛。,返 回,应变,物体受力产生变形的时候，体内各点处的变形程度往往并不相同。用于描述一点处变形的程度的力学量就是该点的应变。 即：应变是由载荷、温度、湿度等因素引起的物体局部的相对变形。,返 回,第一节:电阻应变片,2.1.1 金属电阻应变片 2.1.2 半导体电阻应变片,返 回,什么是应变片？是一种金属或非金属的电阻体。它通过外力产生的形变，产生电阻的变化量，则把这种电阻体称为应变片。,2.1.1 电阻应变片,电阻应变传感器由弹性元件、电阻应变片和测量电路组成。 弹性元件用来感受被测量的变化，并将被测量的变化转换为弹性元件表面应变； 电阻应变片粘贴在弹性元件上，将弹性元件的表面应变转换为应变片电阻值的变化； 通过 测量电路将应变片电阻值的变化转换为便于输出测量的电量，从而实现非电量 的测量。 电阻应变片是应变测量的关键元件，为适应各种领域测量的需要，可供 选择的电阻应变片的种类很多，但按其敏感栅材料及制作方法可分类如表所示。,上一页,返 回,下一页,1.金属的电阻应变效应,电阻应变效应：金属导体在发生机械变形时，其阻值 发生相应变化，即形成导体的电阻应变效应。,上一页,返 回,下一页,取对数再取微分得；,电阻率 l导体长度 s导体截面积,电阻的灵敏系数,由式可知电阻的相对变化是与电阻率的相对变化量、长度的相对变化量和半径的相对变化量有关的，是它们的代数和。,上一页,返 回,下一页,对于半径为r的圆导体，s=r2，d s/s=2dr/r,电阻的灵敏系数,又由材料力学可知，在弹性范围内，,上一页,返 回,下一页,为导体的纵向应变，其数值一般很小，常以微应变度量； 为电阻丝材料的泊松比，表示导体横向应变量与纵向应变量成正比，变形方向相反。一般金属=0.30.5； 为压阻系数，与材质有关；为应力值；e为材料的弹性模量,金属电阻的灵敏系数,材料的几何尺寸变化引起的 材料的电阻率随应变引起的（压阻效应）,金属材料：ks以前者为主，则k01+2=1.73.6 半 导 体：ks值主要是由电阻率相对变化所决定,上一页,返 回,下一页,物理意义：单位纵向应变引起电阻的相对变化量。,ks一般在1.83.6,用增量表示： 说明电阻的变化率与金属丝纵向长度变化率成线性关系。,2. 金属丝电阻应变片结构,敏感栅 直径为0.025mm左右的合金电阻丝 丝绕式 基 底 绝缘覆盖层 保护,位移、力、力矩、加速度、压力,弹性敏 感元件,应变,外力作用 被测对象表面产生微小机械变形 应变片敏感栅随同变形 电阻值发生相应变化,应变片,上一页,返 回,下一页,金属丝式应变片,上一页,返 回,下一页,金属电阻丝应变片的基本结构 1-基片；2-电阻丝；3-覆盖层；4-引出线,基片和覆盖层一般是很薄的纸张，通过粘结剂固定电阻丝。 基片作用：固定电阻丝；敏感栅与弹性元件见的绝缘层。 覆盖层作用：保护敏感栅。 粘结剂分两种：无机耐高温，通常适用于不同温度的测量； 有机用于中、低和常温,市面上电阻丝常用阻值为60、120 、200 等规格，一般用120 。栅长也有所不同，根据具体应用选择。 对电阻丝材料的要求： ks要大（灵敏系数） 温度系数要小 电阻率要稳定 抗拉力、抗弯曲强度大 抗氧化、抗腐蚀性能好,上一页,返 回,下一页,3 金属丝电阻应变片基本特性,（一）横向效应 （二）机械滞后 （三）蠕变 （四）温飘,上一页,返 回,下一页,（一）横向效应,敏感栅是由多条直线和圆弧部分组成 直线段：沿轴向拉应变x，电阻 圆弧段：沿轴向压应度y， 电阻,k,上一页,下一页,返 回,l,y,x,横向效应,应变片的横栅部分将纵向丝栅部分的电阻变化抵消了一部分，从而降低了整个电阻应变片的灵敏度，带来测量误差，其大小与敏感栅的构造及尺寸有关。敏感栅的纵栅愈窄、愈长，而横栅愈宽、愈短，则横向效应的影响愈小。 虽然受横向效应影响，但k在很大范围内还是具有线性关系的。,（二）机械滞后,在恒温下，应变片受力后，其内部会产生不可逆的残余变形，致使应变电阻在加载和卸载时，出现一定的差值，此差值称之为机械滞后(hysteresis)，也将引起应变片灵敏系数下降。 主要原因： 加载和卸载时残余的应变没有 释放。 粘结剂固化不充分。 所以：要预先进行加载和卸载，以 减小其机械滞后。,（三）蠕变,应变片受恒定力作用时，应变电阻值随时间而变化，这是因为应力在粘胶层中传递时出现滑动现象，胶层越厚，滑动越严重，这种现象称之为蠕变，蠕变结果也将引起灵撤系数下降。因而在应变片制作及往弹性元件上粘贴时，不但要选用同型号优质粘结剂，而且粘结层要薄而均匀。,（四）温飘,应变片材料的电阻一般都受温度影响，温度变化引起应变片电阻值变化的 现象称之为温漂，这种由于物质内部热激发所引起的热输出，通常是导致灵敏度下降的主要因素，因而在应变测量中都要采取相应的温度补偿措施。 主要原因： 温度会导致应变片电阻丝的变化 膨胀后会改变r。,4 金属箔式应变片,在绝缘基底上，将厚度为0.0030.01mm电阻箔材，利用照相制板或光刻腐蚀的方法，制成适用于各种需要的形状,箔式应变片,上一页,返 回,下一页,优点 ：,（1）尺寸准确，线条均匀，适应不同的测量要求， （2）可制成多种复杂形状尺寸准确的敏感栅 （3）与被测试件接触面积大，粘结性能好。散热条件好，允许电流大，灵敏度提高。 （4）蠕变、机械滞后小，疲劳寿命长。 （5）试件受力产生应变，通过基底传给应变面。由于箔状较薄，所以其应力与表面应力较接近，测量精度较高。 （6）比丝状应变片横向效应带来的误差小。 缺点： （1）电阻值的分散性大 阻值调整。 （2）引线是焊接点引出，而丝状是直接引出，所以箔状焊点容易受温度限制，不能过高。 （3）成本高。,上一页,返 回,下一页,5 金属薄膜应变片,采用真空蒸发或真空沉积等方法在薄的绝缘基片上形成厚度在0.1m以下的金属电阻材料薄膜敏感栅，再加上保护层，易实现工业化批量生产 优点：应变灵敏系数大，允许电流密度大，工作范围广，易实现工业化生产 问题：难控制电阻与温度和时间的变化关系,上一页,返 回,下一页,2.1.2 半导体电阻应变片,上一页,返 回,下一页,压阻效应：沿着半导体某晶向施加一定的压力而使其产生应变时，其电阻率将随应力改变而变化，这种现象称之为半导体的压阻效应。 单晶硅是各向异性材料，取向不同时，特性不同，而取向是用晶向表示的。所谓晶向就是晶面的法线方向。晶向确定之后，晶面就是确定的。,其中：半导体晶体纵向压阻系数； e半导体晶体弹性模量,对于半导体电阻应变片，一般 e比（12）大近百倍，故：,其应变灵敏系数：,半导体电阻应变片缺点,上一页,返 回,下一页,主要缺点：温度稳定性差，测量较大应变时非线性严重，在应用时要采取相应的温度补偿和非线性校正措施,第二节 电阻应变传感器测量电路,上一页,返 回,下一页,2.2.1 基本原理 2.2.2 单臂桥 2.2.3 半桥 2.2.4 全桥 2.2.5 应变测量电桥性能的提高,2.2.1 基本原理,上一页,返 回,下一页,电阻应变计把机械应变信号转换成r/r后，由于应变量及其应变电阻变化一般都很微小，既难以直接精确测量，又不便直接处理。因此，必须采用转换电路或仪器，把应变计的r/r变化转换成电压或电流变化。通常采用电桥电路实现这种转换。 根据电源的不同，电桥分直流电桥和交流电桥。由于应变电桥各桥臂是电阻，故可采用直流电桥。,直流电桥,电桥输出表达式：,io=0，uo0时电桥平衡 平衡条件 :,r1r3=r2r4,上一页,返 回,下一页,根据电桥的四个臂电阻是否为工作应变片，可将电桥分为以下几种： （1）单臂桥 （2）半桥 （3）全桥,上一页,返 回,下一页,2.2.2 单臂桥,桥臂ad为工作臂，接应变片；r1为应变片静态电阻；r为工作时应变片电阻的变化量,上一页,返 回,下一页,r,为正：正应变，承受拉应变，符号箭头向上； 为负：负应变，承受压应变，符号箭头向下。,实际工作中：r1为工作应变片；r2为补偿应变片，对温度引起的误差和系统误差进行补偿；r3、r4为固定电阻。,上一页,返 回,下一页,单臂桥：只有一个桥臂接应变片。 设r1r2=r3=r4=r，称之为等臂桥。输出为：,单臂桥的灵敏度为：,当rr时，有：,可见其输出电压小，灵敏度低，且具有一定的非线性。,2.2.3 半桥,半桥即双臂桥，有两个相邻桥臂接应变片，且一个正应变，一个负应变。 r1、r2均为工作电阻；r3、r4为固定电阻。,上一页,返 回,下一页,r1 r： 拉应变 r2 r：压应变,r1r2=r3=r4=r,可见半桥的输出电压和灵敏度都比单臂桥大一倍，且非线性得到改善。,当r1=r+ r，r2 =r-r时 称为半桥形式的差动测量桥,2.2.4 全桥,应变片全桥指四个桥臂都接有应变片。,上一页,返 回,下一页,r1 r3 r r2r4r,r1r2=r3=r4=r,可见全桥的输出电压和灵敏度都比半桥大一倍，应尽量采用全桥。,相邻桥臂所接的应变片承受相反应变 相对桥臂所接的应变片承受相同应变,当r1=r3=r+ r，r2 =r4=r-r时 称为全桥形式的差动测量桥,2.2.5 应变测量电桥性能的提高,上一页,返 回,下一页,测量电桥工作性能对应变测量的精度影响很大，为了实现高精度测量，必须改善测量电桥的工作性能，如提高灵敏度、改善非线性及进行温度补偿等。,2.2.5 应变测量电桥性能的提高,灵敏度和供电电压的关系：供桥电压越高，电桥灵敏度越高，但温度误差越大，因此一般供桥电压为13v,上一页,返 回,下一页,1.灵敏度的提高,提高灵敏度的方法：采用差动电桥，即半桥和全桥,式中riri，为分析方便，忽略分母中的ri项和分子中的ri 高次顶，且电桥巳调平衡，即r1r3r2r4，此时电桥输出电压可改写为：,采用等臂电桥，即r1= r2= r3=r4=r 。则,上一页,返 回,下一页,上式表明：, ri r时，电桥的输出电压与应变成线性关系。 若相邻两桥臂的应变极性一致，即同为拉应变或压应变时，输出电压为两者之差；若相邻两桥臂的应变极性不同，则输出电压为两者之和。 若相对两桥臂应变的极性一致，输出电压为两者之和；反之则为两者之差。 电桥供电电压u越高，输出电压u0越大。但是，当u大时，电阻应变片通过的电流也大，若超过电阻应变片所允许通过的最大工作电流，传感器就会出现蠕变和零漂。 增大电阻应变片的灵敏系数k，可提高电桥的输出电压。,上一页,返 回,下一页,略去分母中的r1/r1项 ,假设r1/r11,单臂电桥，即r1桥臂变化r，理想的线性关系,实际输出电压：,上一页,返 回,下一页,电桥的相对非线性误差为：,2.非线性误差及其补偿,差动半桥、差动全桥的误差情况： 根据对差动形式的电桥分析，我们可以知道在输出表达式中，分母中已不存在r的分量，所以也就不存在非线性误差的因素。 结论：差动测量可以消除非线性误差因素。,3.电桥的温度补偿,桥路补偿 应变片自补偿 外补偿,温度补偿,上一页,返 回,下一页,无论是金属电阻应变片或半导体电阻应变片，都对温度变化十分敏感，因而温度变化将引起电桥测量误差。, 桥路补偿,u0,r1,r4,r3,u,rb,f,f,r1,rb,上一页,返 回,下一页,当采用单臂桥时，可使单臂桥对温度场呈现差动输出状态，即在单臂桥工作臂的相邻臂接入相同型号的应变片，此应变片不受应力影响，但与工作臂上的应变片处于同一温度场中，称其为补偿片。, 桥路补偿,r1 +r,rb -r,u0,r1r,r4,r3,u,rbr,上一页,返 回,下一页,由前面的分析可知，当采用差动桥时，各桥臂应变片处于同一温度场下，即温度变化引起各桥臂电阻的变化量大小相等、剂型相同，致使相邻桥臂电阻变化量想减为0，因为差动桥具有温度自补偿功能。,电桥补偿法,优点： 简单、方便，在常温下补偿效果较好 缺点： 在温度变化梯度较大的条件下，很难做到工作片与补偿片处于温度完全一致的情况，因而影响补偿效果。, 应变片的自补偿法,粘贴在被测部位上的是一种特殊应变片，当温度变化时，产生的附加应变为零或相互抵消，这种应变片称为温度自补偿应变片。利用这种应变片来实现温度补偿的方法称为应变片自补偿法。 a. 选择式自补偿应变片 b. 双金属敏感栅自补偿应变片,外补偿,t k,rt,urt,u = ui - urt,k,上一页,返 回,下一页,2.1.4 电阻应变式传感器的应用,作用： 金属应变片除了测定试件应力、应变外，还可以组成多种应变片传感器来测量力、扭矩、加速度、压力等物理量。 组成： 一般应变式传感器包括两部分： 弹性敏感元件，将被测量（力、扭矩、加速度、压力等）转换成弹性体的应变值。 应变片元件，称之为转换元件，将应变值转换为电阻的变化量。,上一页,返 回,下一页,2.1.4 电阻应变式传感器的应用,1 应变式力传感器 2 应变式压力传感器 3. 应变式液体重量（或液位）传感器 4 应变式加速度传感器,上一页,返 回,下一页,上一页,返 回,下一页,柱式力传感器,1 应变式力传感器,（a）实心圆柱；（b）空心圆筒；,轴向、切向粘贴的应变片个数应相等，以便接成差动电路,f：载荷力 s：弹性元件横截面积 e：弹性元件弹性模量,(2)悬臂梁式力传感器,上一页,返 回,下一页,这类传感器的弹性元件是一个悬臂梁，载荷加在梁的自由端，应变片沿梁的长度方向上下粘贴，悬臂梁分等强度梁和等截面梁，其应变特性是不相同的。,等截面悬臂梁,上一页,返 回,下一页,等截面梁,结构简单，易加工，灵敏度高 适合于测5000n以下的载荷, 等截面悬臂梁,显然各点上的应力与l0有关，l0越大，应力应变就越大。即沿l方向的粘贴位置误差直接影响测量结果。, 等强度悬臂梁,等强度悬臂梁,由于x/b0为常数，因而等强度梁各截面上的应力实际与x无关，即沿l方向的粘贴位置误差对测量结果不产生影响。, 双端固定梁,与单端固定梁相比，增大。由于u0=kui，所以u0增大。,环式力传感器,上一页,返 回,下一页,为了适应工程测量的需要，有时采用环式力传感器。其弹性元件是圆形吊环或扁环形吊环。环上粘应变片，便于接成差动电路，即承受拉应变和压应变的应变片数相等。,环式力传感器,上一页,返 回,下一页,在外力作用下，各点的应力差别较大,r1、r4承受拉应变，f越大，r越大 r2、r3承受压应变，f越大，r越小,e：弹性模量 r：圆环的平均半径 h：圆环平面的径向厚度 b：圆环平面法线方向厚度,可接差动半桥或全桥,bk-2s称重传感器,产品详细介绍 采用国际流行的双梁式或剪切s梁结构，拉、压输出对称性好、 测量精度高、结构紧凑，安装方便，广泛用于机电结合秤、料斗秤、包装秤等各种测力、称重系统中 技术参数 供桥电压 12vdc 输入阻抗 38020 输出阻抗 35010 绝缘电阻 2000m 工作温度 -10+50,上一页,返 回,下一页,bk4轮辐式传感器系列,上一页,返 回,下一页,2. 应变式压力传感器,上一页,返 回,下一页,r,t,膜片式压力传感器,当液体进入膜盒后，对膜片产生一定的压力，此压力使膜片上的应变片承受相应的应变。r1、r4承受拉应变，即径向应变r，r2、r3承受压应变，即切向应变t，可接成差动全桥，获得较高灵敏度。 主要用于气体、液体压力的测量。,上一页,返 回,下一页,t,r,其中：h膜片厚度 r膜片半径 x应变片离圆形的径向距离,可知：r边缘处最大，t圆心处最大。 所以：中心处沿切向贴两应变片，边缘处沿径向贴 两应变片。,筒式压力传感器 测较大压力,机床液压系统的压力（106107pa）， 枪炮的膛内压力（108pa）， 动态特性和灵敏度主要由材料的e值和尺寸决定,上一页,返 回,下一页,其弹性元件是一个薄壁圆筒，当气体或液体进入圆筒内对薄壁产生压力时，薄壁产生变形，粘贴其上的应变片产生相应的应变。