传感器技术(第2章电阻式传感器).doc

传感器技术(第2章电阻式传感器) 信息与控制学院仪器系1第2章电阻式传感器什么是电阻式传感器？?是将非电量（如力、位移、形变、速度和加速度等）的变化量，转换成与之有一定关系的电阻值的变化，再经过转换电路变成电信号输出的器件或装置是将非电量（如力、位移、形变、速度和加速度等）的变化量，转换成与之有一定关系的电阻值的变化，再经过转换电路变成电信号输出的器件或装置信息与控制学院仪器系2第2章电阻式传感器2.1电阻应变计的基本原理与结构2.2电阻应变计的主要特性2.3电阻应变计的应用2.4测量电路2.5电阻应变计的温度效应及其补偿2.6电阻应变计式传感器信息与控制学院仪器系32.1.1导电材料的应变电阻效应金属丝受拉时，l、r、变化，导致R改变2l lRA r=导电材料在外力作用下发生机械变形时，其电阻值也相应地发生变化，这种现象称为导电材料在外力作用下发生机械变形时，其电阻值也相应地发生变化，这种现象称为应变效应。 信息与控制学院仪器系4一根长，截面积为，电阻率为的导体（金属丝），在其未受力时，原始电阻值为对上式全微分得则电阻相对变化量为一根长，截面积为，电阻率为的导体（金属丝），在其未受力时，原始电阻值为对上式全微分得则电阻相对变化量为2.1.1导电材料的应变电阻效应llRA=2l ldR dl ddAA AA=+?A轴向力F导体拉伸/压缩l A、变化电阻变化dR dldA dRl A=?+信息与控制学院仪器系5222dA rdrdrA rr=电阻丝截面通常是圆形，,对微分,得2Ar=r2dA rdr=径向drr=材料的径向线应变?由材料力学知识轴向应变和径向应变的关系为导体材料的泊松比=?径向2.1.1导电材料的应变电阻效应2dAA=?dll=材料的轴向线应变，单位6(1110/)mm mm?=(1+2)dR dldA dRl Ad=?+对于金属导体或半导体，电阻率相对变化的受力效应是不一样的，需要分别讨论信息与控制学院仪器系6dV AdlldA=+=2=(1-2)dV dldAV lA=+?=(1-2)d dVC CV=2.1.1导电材料的应变电阻效应金属材料的电阻率相对变化与其体积变化之间的关系:C由一定的材料和加工方式决定的常数V金属丝的初始体积V=Al=d dVCV?金属材料的应变电阻效应信息与控制学院仪器系7 (12) (12)mRC KR=+?= (12) (12)mK C=+?金属丝材的应变灵敏系数金属材料的应变电阻效应金属材料的电阻相对变化与其线应变成正比金属材料的电阻相对变化与其线应变成正比2.1.1导电材料的应变电阻效应=(1-1+2)(1+2)2)dRdldA dRdClA=?+=+R R?信息与控制学院仪器系8压阻效应:半导体材料某一轴向受应力作用时，其电阻率会发生变化:半导体材料某一轴向受应力作用时，其电阻率会发生变化dE=2.1.1导电材料的应变电阻效应 (12)sRE KR=+=12sK E=+半导体材料的应变灵敏系数作用与材料的轴向应力E半导体材料的弹性模量半导体材料在受力方向的压阻系数?半导体材料的应变电阻效应信息与控制学院仪器系9导电丝材的应变电阻效应为012sK KE=+对于半导体材料对于金属材料0 (12) (12)mK KC=+?由两部分组成前部分为受力后金属丝几何尺寸变化所致，后部分为电阻率随应变而变的部分。 由两部分组成前部分为受力后金属丝几何尺寸变化所致，后部分为电阻率随应变而变的部分。 金属丝材的应变电阻效应以结构尺寸变化为主。 金属丝材的应变电阻效应以结构尺寸变化为主。 由两部分组成前部分同样为尺寸变化所致；后部分为半导体材料的压阻效应所致。 由两部分组成前部分同样为尺寸变化所致；后部分为半导体材料的压阻效应所致。 半导体材料的应变电阻效应主要基于压阻效应半导体材料的应变电阻效应主要基于压阻效应。 0K导电丝材料的应变灵敏系数0RKR=2.1.1导电材料的应变电阻效应0 (12)sK KE=+信息与控制学院仪器系102.1.2电阻应变计的结构与类型 (1)敏感栅实现应变-电阻转换的敏感元件。 通常由直径为实现应变-电阻转换的敏感元件。 通常由直径为0.0150.05mm的金属丝绕成栅状，或用金属箔腐蚀成栅状。 的金属丝绕成栅状，或用金属箔腐蚀成栅状。 l称为栅长，b称为栅宽。 称为栅宽。 lb称为应变片的使用面积。 应变片的规格一般以使用面积和电阻值表示。 (2)称为应变片的使用面积。 应变片的规格一般以使用面积和电阻值表示。 (2)基底为保持敏感栅固定的形状、尺寸和位置，通常用粘结剂将其固结在纸质或胶质的基底上。 基底必须很薄，一般为为保持敏感栅固定的形状、尺寸和位置，通常用粘结剂将其固结在纸质或胶质的基底上。 基底必须很薄，一般为0.020.04mm。 (a)丝式(b)箔式(c)半导体1(a)丝式(b)箔式(c)半导体1敏感栅2基底3引线4引线4盖层5粘结剂6电极?应变计的结构信息与控制学院仪器系112.1.2电阻应变计的结构与类型 (3)引线起着敏感栅与测量电路之间的过渡连接和引导作用。 (4)起着敏感栅与测量电路之间的过渡连接和引导作用。 (4)盖层用纸、胶作成覆盖在敏感栅上的保护层；起着防潮、防蚀、防损等作用。 (5)用纸、胶作成覆盖在敏感栅上的保护层；起着防潮、防蚀、防损等作用。 (5)粘结剂制造应变计时，用它分别把盖层和敏感栅固结于基底；使用应变计时，用它把应变计基底粘贴在试件表面的被测部位。 因此它也起着传递应变的作用。 制造应变计时，用它分别把盖层和敏感栅固结于基底；使用应变计时，用它把应变计基底粘贴在试件表面的被测部位。 因此它也起着传递应变的作用。 (a)丝式(b)箔式(c)半导体1(a)丝式(b)箔式(c)半导体1敏感栅2基底3引线4引线4盖层5粘结剂6电极信息与控制学院仪器系132.1.2电阻应变计的结构与类型信息与控制学院仪器系142.1.2电阻应变计的结构与类型信息与控制学院仪器系152.1.2电阻应变计的结构与类型信息与控制学院仪器系162.1.2电阻应变计的结构与类型信息与控制学院仪器系172.1.2电阻应变计的结构与类型信息与控制学院仪器系182.1.2电阻应变计的结构与类型信息与控制学院仪器系19?优点:稳定性和温度特性好优点:稳定性和温度特性好?缺点:灵敏度系数小应变计金属应变计2.1.2电阻应变计的结构与类型信息与控制学院仪器系20?优点应变灵敏度高;体积小;频率响应范围宽，输出幅值大优点应变灵敏度高;体积小;频率响应范围宽，输出幅值大?缺点温度稳定性和可重复性不如金属应变片，应变时非线性较严重。 缺点温度稳定性和可重复性不如金属应变片，应变时非线性较严重。 应变计半导体电阻应变计2.1.2电阻应变计的结构与类型信息与控制学院仪器系212.2电阻应变计的主要特性应变计多为一次性使用，应变计的特性是按规定的条件，从大批量生产中按比例抽样实测而得应变计特性是指用以表达应变计工作性能及其特点的参数或曲线应变计多为一次性使用，应变计的特性是按规定的条件，从大批量生产中按比例抽样实测而得应变计特性是指用以表达应变计工作性能及其特点的参数或曲线信息与控制学院仪器系222.2.1静态特性静态特性是指感受试件所受应力不随时间变化或变化缓慢时的输出特性感受试件所受应力不随时间变化或变化缓慢时的输出特性主要指标灵敏系数（灵敏度指标）机械滞后（滞后指标）蠕变（稳定性指标）应变极限（测量范围）主要指标灵敏系数（灵敏度指标）机械滞后（滞后指标）蠕变（稳定性指标）应变极限（测量范围）2.2.1静态特性信息与控制学院仪器系232.2.1静态特性1灵敏系数（K）安装在被测试件上的应变计，在其轴向受到单向应力时，引起的应力时，引起的敏感栅的电阻相对变化与此单向应力引起的试件表面轴向应变之间具有线性关系敏感栅的电阻相对变化与此单向应力引起的试件表面轴向应变之间具有线性关系2.2.1静态特性在一定的应变范围内有RKR=应变计的灵敏系数K 金属丝式应变计由于敏感栅的两端为半圆弧形的横栅，测量应变时，构件的轴向应变使敏感栅电阻发生变化，而其横向应变也使敏感栅半圆弧部分的电阻发生变化。 2.2.1静态特性轴向拉伸横向收缩轴向拉伸横向收缩xy信息与控制学院仪器系252横向效应及横向效应系数H2.2.1静态特性100%yxKHK=0 (1)x xy yx xKRKK HR+=?=横向灵敏系数，当纵向应变为零时，单位横向应变引起的电阻相对变化yKH双向应变灵敏系数比纵向灵敏系数，当横向应变为零时，单位轴向应变引起的电阻相对变化xKxy应变计这种既受轴向应变影响，又同时受横向应变影响而使灵敏系数和相对电阻比都减小的现象称为应变计这种既受轴向应变影响，又同时受横向应变影响而使灵敏系数和相对电阻比都减小的现象称为横向效应敏感栅越窄、基长越长的应变片，其横向效应引起的误差越小。 信息与控制学院仪器系263机械滞后（Z j）产生原因粘接、过热、过载残余变形正反行程不一致滞后、回程误差粘接、过热、过载残余变形正反行程不一致滞后、回程误差定义应变计在恒温条件下，加载、卸载试件应变的过程中，对应同一机械应变量之差值应变计在恒温条件下，加载、卸载试件应变的过程中，对应同一机械应变量之差值解决预载/重复加载2.2.1静态特性信息与控制学院仪器系27定义蠕变是指粘贴在试件上的应变计，在恒温恒载条件下，指示应变量随时间单向变化的特性是指粘贴在试件上的应变计，在恒温恒载条件下，指示应变量随时间单向变化的特性零点漂移是指在恒温空载条件下，应变计的示值随时间而变化的特性是指在恒温空载条件下，应变计的示值随时间而变化的特性蠕变和零漂反映传感器的长期稳定性解决选择弹性模量较大的粘结剂和基底材料，适当减薄胶层和基底，充分固化选择弹性模量较大的粘结剂和基底材料，适当减薄胶层和基底，充分固化4蠕变和零漂P02.2.1静态特性信息与控制学院仪器系28当试件输入的真实应变超过某一限值时，应变计的输出特性将出现非线性。 在恒温温度下，使非线性误差达到10%时的真实应变值，称为应变极限。 当试件输入的真实应变超过某一限值时，应变计的输出特性将出现非线性。 在恒温温度下，使非线性误差达到10%时的真实应变值，称为应变极限。 应变极限是衡量应变计测量范围和过载能力的指标。 5应变极限lim80002.2.1静态特性信息与控制学院仪器系29动态特性指应变随时间变化时，应变计的响应特性机械应变波以声波的形式和速度在材料中传播的。 当它依次通过一定厚度的基底、胶层（两者很薄，可忽略不计）并引起应变计的响应时，会有时间的迟后。 应变计的这种响应迟后对动态(高频)应变测量，尤会产生误差。 ，应变计的响应特性机械应变波以声波的形式和速度在材料中传播的。 当它依次通过一定厚度的基底、胶层（两者很薄，可忽略不计）并引起应变计的响应时，会有时间的迟后。 应变计的这种响应迟后对动态(高频)应变测量，尤会产生误差。 2.2.2动态特性信息与控制学院仪器系30U电源电压U0输出电压R1R2R3R4纯电阻R L负载电阻2.4测量电路当初始有R1R3=R2R4，则电桥输出电压或电流为零，此时电桥处于平衡状态则电桥输出电压或电流为零，此时电桥处于平衡状态平衡条件R1R3=R2R4或R1/R2=R4/R3?直流电桥电阻应变片将应变转换为电阻的变化量，测量电路将电阻的变化再转换为电压或电流信号将电阻的变化再转换为电压或电流信号，最终实现被测量的测量。 工作时，各桥臂阻值变化，则输出电压，最终实现被测量的测量。 工作时，各桥臂阻值变化，则输出电压U00信息与控制学院仪器系312.4测量电路?直流电桥(电压输出桥的输出特性)输出端接高阻抗放大器(电压输出桥的输出特性)输出端接高阻抗放大器(R L=)，可视为开路014123413241234()()()BD BDU UU UR RUR R R RRR R RUR R R R=?=?+?=+信息与控制学院仪器系322.4测量电路?直流电桥(电压输出桥的输出特性)电桥初始平衡，四臂工作(电压输出桥的输出特性)电桥初始平衡，四臂工作R 1、R 2、R 3、R4都为电阻应变片，随被测参数变化而变化111222333444,R R R R R R R R R R R R+11332244011223344()()()()()()R R R R R R R RU UR R R R R R R R+?+=+桥路平衡被破坏，此时输出的电压为信息与控制学院仪器系33等臂电桥R1=R3=R2=R4=R分母中R i/R是造成输出量的非线性因素，考虑R i (2) (2)1()1()42R R R R R R R R RU UR R R RRRR RRRRRRRURRRRRRRR?+?+?=+?=?+?+?相邻桥臂间为相减关系，相对桥臂间为相加关系信息与控制学院仪器系342.4测量电路?直流电桥(电压输出桥的输出特性)1014R UUR=单臂电桥R1为工作应变片，由于应变而产生相应的电阻变化为工作应变片，由于应变而产生相应的电阻变化R1R 2、R 3、R4为固定电阻信息与控制学院仪器系352.4测量电路?直流电桥(电压输出桥的输出特性)例一只应变片的电阻(电压输出桥的输出特性)例一只应变片的电阻R=120?，灵敏度系数K=2.05，用做应变，用做应变=800m/m的传感元件，将其接入等臂电桥。 求 (1)的传感元件，将其接入等臂电桥。 求 (1)R和R/R (2)若电源电压U=3V，电桥输出电压U0为多大？信息与控制学院仪器系362.4测量电路?直流电桥(电压输出桥的输出特性)半桥双臂电桥(电压输出桥的输出特性)半桥双臂电桥R 1、R2为工作应变片，由于应变而分别产生相应的电阻变化为工作应变片，由于应变而分别产生相应的电阻变化R 1、R2R 3、R4为固定电阻1xx()4RR UUR R=?信息与控制学院仪器系372.4测量电路?直流电桥(电压输出桥的输出特性)全桥四臂电桥(电压输出桥的输出特性)全桥四臂电桥R 1、R 2、R 3、R4都为工作应变片，由于应变而分别产生相应的电阻变化都为工作应变片，由于应变而分别产生相应的电阻变化R 1、R 2、R 3、R4312401234()4RRRRUUR RRR=?+?信息与控制学院仪器系38电桥的非线性近似准确非线性误差近似准确非线性误差1014U RUR=110111/ (1)42U RRUR R=+10011101122LRU UK ReRUKR?=+2.4测量电路?直流电桥(电压输出桥的输出特性)信息与控制学院仪器系39差动电桥补偿法2.4测量电路?直流电桥(电压输出桥的输出特性)331241240123412341()1()42RRRRRRRRUUR RRRRRRR?=?+?+?使接入电桥的相对臂应变计受拉（使接入电桥的相对臂应变计受拉（R1/R1,R3/R3），相邻臂应变片受压（），相邻臂应变片受压（-R2/R2,-R4/R4）信息与控制学院仪器系40差动电桥补偿法（全桥）2.4测量电路?直流电桥(电压输出桥的输出特性)全等臂电桥R1=-R2=R3=-R4输出电压101RUUR=四臂差动工作，不仅消除了非线性误差，而且输出比单臂工作提高了四臂差动工作，不仅消除了非线性误差，而且输出比单臂工作提高了4倍R1=R2=R3=R4信息与控制学院仪器系41差动电桥补偿法（半桥）2.4测量电路?直流电桥(电压输出桥的输出特性)全等臂电桥R1=-R2输出电压1012RUUR=R1=R2=R3=R4信息与控制学院仪器系42恒流源电桥补偿法2.4测量电路?直流电桥(电压输出桥的输出特性)应变电桥非线性误差的成因，主要是由于应变电阻的变化引起工作臂电流的变化所致，即工作过程中通过桥臂的电流不恒定。 因此有时用恒流源给桥路供电。 采用恒流源比采用恒压源的非线性误差大约减小一倍。 一般半导体应变片的桥路都采用恒流源供电。 (电压输出桥的输出特性)应变电桥非线性误差的成因，主要是由于应变电阻的变化引起工作臂电流的变化所致，即工作过程中通过桥臂的电流不恒定。 因此有时用恒流源给桥路供电。 采用恒流源比采用恒压源的非线性误差大约减小一倍。 一般半导体应变片的桥路都采用恒流源供电。 信息与控制学院仪器系432.4测量电路43平衡条件一般电桥全等臂电桥平衡条件一般电桥全等臂电桥13241423RRRRC RC R=132412RRRRCC=?交流电桥信息与控制学院仪器系442.4测量电路?交流电桥平衡条件原理与直流电桥相同平衡条件原理与直流电桥相同iji ii iZR jXze?=+=输入输出直流-交流，电阻-阻抗1324Z Z ZZ=1324?+=+1324z z zz=电桥调平在确保试件在未受载、无应变的初始条件下，应变电桥满足平衡条件，初始输出为零电桥调平在确保试件在未受载、无应变的初始条件下，应变电桥满足平衡条件，初始输出为零1324132413312442RR RR X XXX RXR XR XR X?=?=?和信息与控制学院仪器系452.5电阻应变计的温度效应及其补偿?温度效应单纯由温度变化引起应变计电阻变化的现象主要原因温度效应单纯由温度变化引起应变计电阻变化的现象主要原因?电阻的热效应，即敏感栅金属丝自身随温度产生的变化电阻的热效应，即敏感栅金属丝自身随温度产生的变化?被测试件与敏感栅材料线膨胀系数不一致，导致应变计产生附加应变，从而造成电阻变化被测试件与敏感栅材料线膨胀系数不一致，导致应变计产生附加应变，从而造成电阻变化()t stRt KtR=+?信息与控制学院仪器系46单丝自补偿法选择敏感栅的合金材料制造简单、使用方便选择敏感栅的合金材料制造简单、使用方便双丝自补偿法应变片由两个电阻丝(应变片由两个电阻丝(R a,R b)串联，电阻温度系数一正一负，抵消2.5电阻应变计的温度效应及其补偿()t stK=?温度自补偿法选配敏感栅材料与结构参数来实现热输出补偿选配敏感栅材料与结构参数来实现热输出补偿a bRR=?信息与控制学院仪器系472.5电阻应变计的温度效应及其补偿?桥路补偿法利用电桥的和、差原理来补偿双丝半桥补偿法应变片的敏感栅由两个电阻丝(R1,R2)串联，温度系数符号相同)串联，温度系数符号相同R1-工作栅，R2-补偿栅，R B-外接电阻，对温度不敏感调整-外接电阻，对温度不敏感调整R B，使相邻桥臂热输出相等使用方便，适用范围广；对，使相邻桥臂热输出相等使用方便，适用范围广；对R B精度要求高，灵敏度降低1212BR RRRR=+信息与控制学院仪器系482.5电阻应变计的温度效应及其补偿桥路补偿块法工作片R1粘贴在试件上需要测量应变的地方，补偿片R2粘贴在一块不受力的与试件相同的材料上，这块材料自由地放在试件上或附近。 当温度发生变化时，工作片R1和补偿片R2的电阻都发生变化，而它们的温度变化相同，R1与R2为同类应变片，又贴在相同的材料上，因此R1和R2的变化也相同，即R1=R2。 当R1和R2分别接入电桥的相邻两桥臂，因温度变化引起的电阻变化使R1和R2的作用相互抵消，这样就起到了温度补偿的作用。 工作片R1粘贴在试件上需要测量应变的地方，补偿片R2粘贴在一块不受力的与试件相同的材料上，这块材料自由地放在试件上或附近。 当温度发生变化时，工作片R1和补偿片R2的电阻都发生变化，而它们的温度变化相同，R1与R2为同类应变片，又贴在相同的材料上，因此R1和R2的变化也相同，即R1=R2。 当R1和R2分别接入电桥的相邻两桥臂，因温度变化引起的电阻变化使R1和R2的作用相互抵消，这样就起到了温度补偿的作用。 信息与控制学院仪器系492.6电阻应变计式传感器主要特点?灵敏度高、精度高、性能稳定、可靠?尺寸小、重量轻、结构简单，使用方便?测量范围大、动态响应快?适应性强，高温、低温、高压、水下、磁场、辐射典型应用测量-力、压力、位移、应变、加速度、温度等适应性强，高温、低温、高压、水下、磁场、辐射典型应用测量-力、压力、位移、应变、加速度、温度等信息与控制学院仪器系502.6电阻应变计式传感器组成弹性元件筒式结构简单，承载能力大，抗偏载和侧向力能力强环式刚度大，固有频率高，内外差动，灵敏度高悬梁式结构复杂；线性好