A_电阻应变式传感器

第2章电阻应变式传感器被测量应变()电阻变化(R),2.1金属电阻应变式传感器2.2半导体应变片及压阻式传感器2.3电位计式传感器,2.1金属电阻应变式传感器,金属电阻应变式传感器是一种利用金属电阻应变片将应变转换成电阻变化的传感器。2.1.1金属电阻应变片2.1.1.1工作原理1.电阻-应变效应当金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值将相应地发生变化，这种现象称为金属导体的电阻-应变效应。金属导体的电阻-应变效应用灵敏系数K描述（2-1）式中=l/l轴向应变。,2.1金属电阻应变式传感器,考虑一段金属导体（l,S），如图2-1所示图2-1金属电阻应变效应未受力时，原始电阻为(2-2),2.1金属电阻应变式传感器,当受拉力F作用时，将伸长l，横截面积相应减小S，电阻率则因晶格变形等因素的影响而改变，故引起电阻变化R。将式（2-2）全微分，并利用相对变化量表示，则有（2-3）式中，l/l=，为金属导体电阻丝的轴向应变，常用单位(=110-6mm/mm)。由于S=d2/4，则S/S=2d/d,其中d/d为横向(纵向)应变；且由材料力学知，d/d=，式中为金属材料的泊松比。将前面关系代入式（2-3）得(2-4),2.1金属电阻应变式传感器,金属电阻应变片的应变灵敏度为(2-5)对于金属材料，/较小，可以略去；且=0.20.4，K1+2=1.41.8则，实际测得K2.0，说明(/)/项对K还是有一定影响。一般情况下，在应变极限内，金属材料电阻的相对变化与应变成正比R/R=K(2-6),2.1金属电阻应变式传感器,2.应变片测试原理使用应变片测量应变或应力时，将应变片牢固地粘贴在弹性试件上，当试件受力变形时，应变片电阻变化R。如果应用测量电路和仪器测出R，根据式（2-6），可得弹性试件的应变值，而根据应力-应变关系：=E，（2-7）可以得到被测应力值。其中，E试件材料弹性模量；试件的应力；试件的应变。力F应力应变(=/E)R通过弹性敏感元件的作用，可以将应变片测应变的应用扩展到能引起弹性元件产生应变的各种非电量的测量，从而构成各种电阻应变式传感器。,2.1金属电阻应变式传感器,2.1.1.2应变片的结构，材料和类型金属电阻应变片的结构，如图2-2所示，则敏感栅基底,盖片,引线和粘结剂组成。,图2-2电阻应变片的基本结构1-基底;2-敏感栅;3-覆盖层;4-引线,2.1金属电阻应变式传感器,1敏感栅1）丝式应变片,=0.0120.05mm金属细丝绕成栅状,栅长l=0.2，0.5，1.0，100，200mm等。2）箔式应变片,由厚度为0.0030.01mm的金属箔片制成各种图形的敏感栅,亦称应变花,如图2-4所示。其优点(1)制造技术能保证敏感栅尺寸准确，线条均匀和适应各种不同测量要求的形状，其栅长可做到0.2mm；(2)敏感栅薄而宽，与被测试件粘贴面积大，黏结牢靠，传递试件应变性能好；(3)散热条件好，允许通过较大的工作电流，从而提高了输出灵敏度；(4)横向效应小；(5)蠕变和机械滞后小，疲劳寿命长。图2-4箔式电阻应变片,2.1金属电阻应变式传感器,3)金属薄膜应变片,利用其空镀膜等方式在绝缘基底上制成各种形状的薄膜敏感栅,膜厚小于1m。这种应变片具有比箔式应变片更多的优点。4)敏感栅材料的性能要求：（1）应变灵敏系数较大，且在所测应变范围内保持常数；（2）电阻率高而稳定，便于制造小栅长的应变片；（3）电阻温度系数较小，电阻-温度间的线性关系和重复性好；（4）机械强度高，辗压及焊接性能好，与其他金属之间的接触电势小；（5）抗氧化，耐腐蚀性能强，无明显机械滞后；,2.1金属电阻应变式传感器,2.基底和盖片基底和盖片的作用是保持敏感栅和引线的几何形状和相对位置，并且有绝缘作用。一般为厚度0.020.05mm的环氧树脂，酚醛树脂等胶基材料。对基底和盖片材料的性能要求：机械强度好，挠性好；粘贴性能好；电绝缘性好；热稳定性和搞温性好；无滞后和蠕变。3.引线作用：连接敏感栅和外接导线。一般采用=0.050.1mm的银铜线,铬镍线,卡马线,铁铅丝等,与敏感栅点焊焊接。,2.1金属电阻应变式传感器,4.粘结剂作用：将敏感栅固定于基片上，并将盖片与基底粘结在一起；使用时，用粘结剂将应变片粘贴在试件的某一方向和位置，以便感受试件的应变。粘结剂材料：有机和无机两大类。粘贴工艺：应变片静放于试件上，粘贴牢固可靠。,2.1金属电阻应变式传感器,2.1.1.3金属电阻应变片的主要特性1.应变片的电阻值(R0)应变片不受外力作用情况下,于室温条件测定的电阻值(原始电阻值),已标准化.主要有60,120,350,600,1000等各种规格。2.绝缘电阻敏感栅与基底之间电阻值,一般应大于1010。3.允许电流指不因电流产生的热量影响测量精度，应变片允许通过的最大电流。静态测量时，允许电流一般为25mA；动态测量时，允许电流可达75100mA。,2.1金属电阻应变式传感器,4.灵敏系数(K)电阻应变片的电阻-应变特性与金属丝时不同，须用实验法对电阻应变片的灵敏系数K重新测定。测定时将应变片安装于试件（泊松比=0.285的钢材）表面，在其轴线方向的单向应力作用下，且保证应变片轴向与主应力轴向一致的条件下，应变片的阻值相对变化与试件表面上安装应变片区域的轴向应变之比，即K=(R/R)(l/l)，而且一批产品只能进行抽样（5%）测定，取平均K值及允许公差值为应变片的灵敏系数，有时称“标称灵敏系数”。一般情况下K2.0.,2.1金属电阻应变式传感器,5.横向效应与横向灵敏系数将金属丝绕成敏感栅构成应变片后，在轴向单向应力作用下，由于敏感栅“横栅段”（圆弧或直线）上的应变状态不同于敏感栅“直线段”上的应变，使应变片敏感栅的电阻变化较相同长度直线金属丝在单向应力作用下的电阻变化小，因此，灵敏系数有所降低，这种现象称为应变片的横向效应。如图2-5所示。,图2-5横向效应,2.1金属电阻应变式传感器,将应变片粘贴在受单向拉伸应力试件时，其电阻相对变化可表示为(2-8)当y=0时，可得轴向灵敏系数(2-9)当x=0时，可得横向灵敏系数(2-10)横向灵敏系数与轴向灵敏系数的比值称为横向效应系数H，H=Ky/Kx由此式（2-8）可写为(2-11),2.1金属电阻应变式传感器,应当指出，制造厂商在标定应变片的灵敏系数K时，是按规定的特定应变场（单向应力场，=0.285）下进行的，标定出的K值实际上也将横向效应的影响包括在内，只要应变片在实际使用时，符合特定条件（如平面应力状态，或试件的0.285），则会引起一定的横向效应误差，需进行修正。,2.1金属电阻应变式传感器,6.机械滞后应变片粘贴在试件上，应变片的指示应变i与试件的机械应变m之间应当是一确定的关系。但在实际应用时，在加载和卸载过程中，对于同一机械应变j，应变片卸载时的指示应变高于加载时的指示应变，这种现象称为应变片的机械滞后，如图2-6所示；其最大差值m称为应变片的机械滞后值。,图2-6应变片的机械滞后,2.1金属电阻应变式传感器,7应变极限对于已粘贴好的应变片，其应变极限是指在一定温度下，指示应变m与受力试件的真实应变i的相对误差达到规定值（一般为10%）时的真实应变j，如图2-7所示,图2-7应变极限,2.1金属电阻应变式传感器,8零漂和蠕变粘贴在试件上的应变片，温度保持恒定，在试件不受力（即无机械应变）的情况下，其电阻值（即指定应变）随时间变化的特性称为应变片的零漂；如果应变片承受恒定机械应变（1000内）长时间作用，其指示应变随时间变化的特性称为应变片的蠕变。,2.1金属电阻应变式传感器,9动态特性应变测试中，应变片的指示应变是敏感栅覆盖面积下的轴向平均应变。静态测试时，应变片能正确反映它所处受力试件内各点的应变；动态测试时，应变是以应变波的形式沿应变片的敏感栅的长度方向传播，因而应变片反映的平均应变与瞬时应变有一定差异，产生动态误差。,2.1金属电阻应变式传感器,(1)受力试件内的应变波为阶跃变化时(图2-8(a)，应变片对其响应如图2-8(b)（理论响应）和图2-8（实际响应）所示。响应特性用上升时间tr表示tr=0.8l/v（2-12）,图2-8应变片对阶跃应变的响应特性,2.1金属电阻应变式传感器,（2）受力试件内的应变波为正弦变化时，考虑应变波峰值处应变片(红色，长度l0)的响应情况如图2-9(a)所示。,图2-9应变片对正弦应变波的响应特性与误差曲线,2.1金属电阻应变式传感器,设沿试件内传播的应变波为=0sin(2x/)对应变波幅值0，应变片响应的应变（平均应变）p为(2-13)应变波幅值测量的相对误差(2-14)当n=/l0=1020时，=1.6%0.4%s）：lt=ltmlts=l(ms)t（2-21）附加应变：t=lt/l=(m-s)t（2-22）折合成电阻变化Rt/R=Kt=K(ms)t（2-23）,2.1金属电阻应变式传感器,综合考虑以上两种情况：总附加电阻变化（2-24）,总附加应变,对于贴在钢件上的康铜丝应变片,在温度变化1时，引起的应力误差t为,2.1金属电阻应变式传感器,2温度补偿1）应变片温度自补偿（选择式自补偿应变片）（1）单丝自补偿应变片补偿条件：t=t/K+(ms)t=0即=K(ms)（2-26）此时温度变化所引起的附加应变t得到自动补偿（消除）,2.1金属电阻应变式传感器,（2）双金属敏感栅应变片（组合式自动补偿应变片）两段敏感栅Ra和Rb电阻温度系数相反，串联连接，如图2-10（a）所示。当Rat=Rbt时，可实现温度补偿通过调节两种敏感栅的长度比以便在一定受力试件材料上于一定温度范围内获得较好的温度自补偿。,图2-10双金属线补偿法,2.1金属电阻应变式传感器,若双金属栅的两种材料的电阻温度系数相同，则可如图2-10(b)、(c)连接线路，实现温度自补偿，即从而可得,2.1金属电阻应变式传感器,2）电路补偿法（1）差动电桥线路补偿，如图2-11所示,图2-11电路补偿法,2.1金属电阻应变式传感器,（2）热敏电阻电路补偿，如图2-12所示图2-12热敏电阻温度补偿法当温度升高应变片的灵敏度下降时，负温度系数热敏电阻R电阻也下降，使电桥的输入电压升高，提高电桥的输出阻抗电压。选择分流电阻R，可以使应变片灵敏度下降对电桥输出影响得到很好的补偿。,2.1金属电阻应变式传感器,2.1.2测量电路电阻应变式传感器的测量电路常采用电桥电路。,图2-13直流电桥,1.直流电桥的主要特性当RL时，电桥输出阻抗电压,2.1金属电阻应变式传感器,当电桥各桥臂均有相应电阻变化R1，R2，R3，R4时（当R1=R2=R3=R4=R）（当Ri0.58R时，rrc区域的径向应变片R1、R4感受的应变与粘贴在r0.635r0时，r0,2.2半导体应变片及压阻式传感器,在r=0.635r0的内、外适当位置，扩散制作四个径向应变电阻，使其所处位置的应力相等，内、外应变电阻处应力极性相反，如图2-34（c）所示。对于110晶向其横向为001，压阻系数L=44/2，T=0因此，式中，、内外应变电阻受径向应力的平均值；(R/R)i、(R/R)o内外应变电阻阻值的相对变化；当(R/R)i=(R/R)o=R/R时，即可组成差动电桥电路，电桥输出,2.2半导体应变片及压阻式传感器,2.压阻式加速度传感器压阻式加速度传感器结构如图2-35所示。以硅悬臂梁作为敏感元件，在其根部上下表面扩散制作四个应变电阻，在其自由端装惯性质量m。原理：壳体作加速(a)运动质量块产生惯性力ma硅梁变形扩散电阻变化R,图2-35压阻式加速度传感器结构图,2.2半导体应变片及压阻式传感器,压阻式加速度传感器,2.2半导体应变片及压阻式传感器,2.2.3应用实例2.恒流工作测压电路，如图2-36所示图2-36固态压阻式传感器恒流工作电路,2.2半导体应变片及压阻式传感器,2.恒压工作测压电路如图2-37所示图2-37固态压阻式传感器恒压工作电路,2.2半导体应变片及压阻式传感器,3.压力控制电路，如图238所示图2-38压力控制原理,2.3电位计式传感器,位移阻或电压电位器是一种常用的机电元件，由电阻元件和电刷等部件组成，作为传感元件，它能将机械位移转换成与之成一定函数关系的电阻或电压输出。优点：结构简单，价格低廉，性能稳定，输出信号大，对环境条件要求不高；缺点：精度不够高，动态响应较差，适合于变化缓慢的物理量的测量。分类：线性和非线性（按输出输入关系分）；线绕式、薄膜式和光电式等（按结构形式分）。,2.3电位计式传感器,231线绕电位计线绕电位计结构如图2-39所示。输出特性Uo=f(x)(2-78)图2-39线绕电位计,2.3电位计式传感器,主要特性：1阶梯特性、分辨率和阶梯误差输出电压Uo随位移呈阶梯式跳跃式变化，如图2-39（c）所示。阶跃值U=Ui/N。分辨率以没有小跳跃的理想阶梯特性来定义，电位计的分辨率=(1/N）%。阶梯误差=(1/N）%。产生阶梯特性的原因如下图所示。,2.3电位计式传感器,2负载特性及负载误差电位计输出端接负载RL后，输出电压为（2-79）设m=R/RL，X=Rx/R=x/L，则（2-80）空载时的输出电压为Uo=UiRx/R=Uix/l=UiX于是接负载RL后所引起的相对非线性误差L为（2-81）,2.3电位计式传感器,电位器负载特性及其误差曲线如图2-40所示。图2-40电位器负载特性及其误差曲线族从负载误差曲线知：对于任意m值，Lmax均发生在X1/2处；对于线性电位器，Lmax发生在X2/3处，且Lmax15m。为了减少L，首先应减少m，通常希望m0.1。,2.3电位计式传感器,获得线性输出特性的方法：将输出先接高输入阻抗的放大器，再接负载；根据负载把电位器设计成如图2-41所示的非线性电位器（非线性函数关系可以通过求式（2-81）的反函数获得）。,图2-41非线性电位器结构,2.3电位计式传感器,非线性电位器的种类（根据其非线性函数关系Rx=f(x)）:图2-41(a)，用曲线骨架绕制的非线性电位器，非线性函数关系由骨架形状决定；图2-41(b)，三角函数变阻器结构，输出-输入之间具有正弦函数关系，如图所示；图2-41(c)，分段绕制的非线性电位器。,2.3电位计式传感器,232非线绕电位计由于线绕电位计存在阶梯误差、分辨率低、耐磨性差、寿命较短等缺点，因此研制出多种非线绕电位计以克服其缺点。1金属膜电位器结构：基体上采用真空蒸发或电镀方法涂覆一层金属膜或复合金属膜构成。特点：温度系数小（可达0.5%1.5%104/），耐高温（可达150以上）；但阻值较低（12k