传感器与测试技术课件第五章电阻应变

第二篇常用传感器的原理及应用 1 掌握传感器工作原理及性能2 了解传感器结构 种类3 掌握测量电路及其补偿方法4 掌握应变片的布置及接桥方式5 了解传感器的应用 第5章电阻应变式传感器 电阻式传感器的基本原理 将被测物理量的变化转换成电阻值的变化 再经相应的测量电路显示或记录被测量值的变化 其种类繁多 应用广泛 按照其工作原理可分为 变阻器 电位器 式 电阻应变式 固态压阻式 热敏电阻式 气敏电阻式 磁敏电阻式等 电阻应变式传感器是基于测量物体受力变形所产生应变的一种传感器 最常用的传感元件为电阻应变片 应用范围 用于位移 加速度 力 压力 力矩等各种参数测量 电阻应变式传感器特点 精度高 测量范围广 使用寿命长 性能稳定可靠 结构简单 体积小 重量轻 频率响应较好 既可用于静态测量又可用于动态测量 价格低廉 品种多样 便于选择和大量使用 5 1电阻应变片的工作原理及特性 1 工作原理 电阻应变片的基本结构 电阻应变片的工作原理 电阻应变效应是指金属导体在外力作用下发生机械变形时 其电阻值随着所受机械变形 伸长或缩短 的变化而发生变化的现象 压阻效应 半导体材料在受到外力作用时 其电阻率 发生变化的现象 电阻丝的电阻R为 代入 任一参数变化均会引起电阻变化 求导数 x 电阻丝轴向相对变形 或称纵向应变 电阻变化 y 电阻丝径向相对变形 或称横向应变 对金属材料 电阻率几乎不变 对半导体材料 压阻效应为主 电阻应变效应 压阻效应 定义 电阻丝的灵敏度系数S0 表示单位应变所引起的电阻相对变化 金属材料 半导体材料 电阻应变片灵敏度系数S称为 标称灵敏度系数 由实验测定 线性关系 电阻应变片的横向效应 敏感栅形状 栅状结构敏感栅的电阻变化一定小于纯直线敏感栅的电阻变化的现象 分析 应变片的纵向应与测量的形变方向一致 圆弧部分产生了一个负的电阻变化 降低了应变片的灵敏度系数 必须采取措施减小横向效应的影响 改进结构等 2 电阻应变片的种类及材料 电阻应变片的种类 常用有丝式 箔式 半导体式和薄膜式应变片等 丝式应变片 金属电阻应变片的典型结构 将一根高电阻率金属丝 0 025mm左右 绕成栅形 粘贴在绝缘的基片和覆盖层之间并引出导线构成 栅状结构 为了获得大的电阻变化量 丝式应变片制作简单 性能稳定 成本低 易粘贴 分为丝绕式和短接式两种 丝绕式应变片因圆弧部分参与变形 横向效应较大 短接式应变片敏感栅平行排列 两端用直径比栅线直径大5 10倍的镀银丝短接而成 其优点是克服了横向效应 箔式应变片 利用照相制版或光刻技术 将厚约为0 003 0 01mm的金属箔片制成敏感栅 箔式应变片优点 可制成多种复杂形状 尺寸准确的敏感栅 其栅长最小可做到0 2mm 以适应不同的测量要求 横向效应小 散热条件好 允许电流大 提高了输出灵敏度 蠕变和机械滞后小 疲劳寿命长 生产效率高 便于实现自动化生产 金属箔的材料常用康铜和镍铬合金等 目前使用的应变片大多是金属箔式应变片 半导体应变片 分为体型和扩散型两种 体型 利用半导体材料的体电阻制成 扩散型 在半导体材料的基片上利用集成电路工艺制成扩散型电阻 由于半导体 如单晶硅 是各向异性材料 因此它的压阻效应不仅与掺杂浓度 温度和材料类型有关 还与晶向有关 即对晶体的不同方向上施加力时 其电阻的变化方式不同 优点 灵敏度高 机械滞后小 横向效应小 体积小 频响高 易于集成化缺点 温度稳定性能差 灵敏度分散度大 较大应力作用下 非线性误差大 机械强度低 半导体应变片的特性 与金属应变片相比较 薄膜应变片 采用真空沉积或高频溅射等方法 在绝缘基片上形成厚度在0 1mm以下的金属电阻材料薄膜的敏感栅 厚度大约为箔式应变片的十分之一以下 优点 应变灵敏系数大 可靠性好 精度高 容易做成高阻抗的小型应变片 无迟滞和蠕变现象 具有良好的耐热性和冲击性能等 用化学气相淀积法制备薄膜 以其成膜温度低 可靠性好 系统简单等 薄膜应变片是今后的发展趋势 电阻应变片的材料 P109表5 1 1和表5 1 2 敏感栅 常用的金属材料有康铜 镍铬合金 铁铬铝合金 铁镍铬合金及贵金属等 半导体材料有硅 锗和锑化铟等 基底 保持敏感栅几何形状 电绝缘 防蚀 防损等作用 基底常从纸 有机聚合物胶膜 玻璃纤维布中选材 厚度0 05mm左右 粘合剂 粘贴强度高 良好稳定性和绝缘性能等 有机与无机 用于高温 3 电阻应变片的性能参数 5 其它性能参数 允许电流 工作温度 应变极限 滞后 蠕变 零漂以及疲劳寿命 横向灵敏度等 2 几何参数 敏感栅基长l和宽度b 制造厂常用b l表示 1 电阻值 应变片原始阻值 标准化 120 常用 3 灵敏系数S 表示应变片变换性能的重要参数 4 绝缘电阻 应变片与试件间的阻值 越大越好 一般大于1010 电阻应变片 电阻应变片的选择 粘贴技术 1 目测电阻应变片有无折痕 断丝等缺陷 有缺陷的应变片不能粘贴 2 用数字万用表测量应变片电阻值大小 同一电桥中各应变片之间阻值相差不得大于0 5欧姆 3 试件表面处理 贴片处用细纱纸打磨干净 用酒精棉球反复擦洗贴处 直到棉球无黑迹为止 5 焊线 用电烙铁将应变片的引线焊接到导引线上 6 用兆欧表检查应变片与试件之间的绝缘电阻 应大于1000M欧 7 应变片保护 用704硅橡胶覆于应变片上 防止受潮 4 应变片粘贴 在应变片基底上挤一小滴502胶水 轻轻涂抹均匀 立即放在应变贴片位置 5 2测量电路及温度补偿 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 最终实现被测量的测量 1 测量电桥 电桥按其电源性质的不同可以分为直流电桥和交流电桥 直流电桥只能测量电阻 而交流电桥可用于测量电阻 电感和电容的变化 直流电桥的工作原理 平衡条件 输出 定义电桥的灵敏度为 工作时 各桥臂阻值变化 则输出电压U0 0 实际使用中 为了简化桥路设计 同时也为了得到电桥的最大灵敏度 通常R1 R2 R3 R4 R0 即为等臂电桥 直流电桥的联接方式 a 半桥单臂b 半桥双臂c 全桥 半桥单臂 通常 输出电压为 半桥双臂 全桥接法 电桥的工作特性 1 不同的接桥方式具有不同的电桥灵敏度 尽量采用半桥双臂或全桥方式 在 R0 R0条件下 电桥的输出与 R0 R0成正比 全桥接法可以获得最大的输出 其灵敏度为半桥单臂接法的4倍 2 电桥的和差特性 全桥接法 4桥臂均为工作应变片 相邻桥臂 应变极性相同时 电桥输出电压与两应变差有关 应变极性相反时 电桥输出电压与两应变和有关 相对桥臂 输出电压与应变的关系和相邻桥臂正好相反 电桥的和差特性的实际应用 提高灵敏度 半桥双臂或全桥联接相对桥臂 同极性相邻桥臂 反极性 实现温度补偿 全桥自动补偿半桥双臂 邻臂 同一温度场 消除非测量载荷的干扰影响 测量P消除M的影响 2 温度误差及补偿 温度误差 附加应变 3 其他 基底材料 粘合剂等受温度影响 1 电阻温度效应 2 敏感栅与被测试件材料线膨胀系数不同而产生的电阻变化 温度补偿方法 1 自补偿法 选择自补偿法 敏感栅材料与试件材料 组合式自补偿 2 桥路补偿法 电桥的和差特性全桥自动补偿 半桥邻臂3 热敏电阻补偿法 热敏电阻适当分压 3 应变片的布置和接桥方式 利用适当的布片和组桥方式消除温度变化和复合载荷作用的影响 获得最大的输出灵敏度 1 应变片应布置在弹性元件产生应变最大的位置 并沿主应力方向贴片 贴片处的应变尽量与外载荷呈线性关系 避开非线性区 同时应注意使该处不受非待测载荷的干扰影响 2 根据电桥的和差特性 选择适当的接桥方式 可以使输出的灵敏度最大 同时又能排除非待测载荷的影响并进行温度补偿 重点理解 在拉 压 弯 扭等各种载荷复合作用下如何布片和组桥 如何测量由其中单一载荷所产生的应变 柱式元件 尽可能消除偏心和弯矩的影响 举例说明如下 桥臂串联或并联电阻应变片能否提高灵敏度 问题 梁式元件 固定端根部 扭矩测量 5 3电阻应变式传感器的应用 将应变片粘贴于被测试件上 直接用来测定试件的应力或应变 a 齿轮轮齿弯矩b 飞机机身应力c 立柱应力d 桥梁应力 将应变片贴于弹性元件上 与弹性元件一起构成应变式传感器 常用来测量力 位移 压力 加速度等参数 应用实例 应用实例 电子称 应用实例 冲床监测与计数 应用实例 机器人握力测量 标准产品 测力 压力传感器 标准产品 本章小结 1 工作原理2 测量电路及温度补偿 测量电桥 3 应变片的布置及接桥方式4 传感器的应用 如图所示 在一受拉弯综合作用的构件上贴有四个电阻应变片 试分析各应变片感受的应变 并分析如何组桥才能进行下述测试 1 只测弯矩 消除拉应力