电阻应变式传感器

第四章敏感元件及与传感器技术,2,1）传感器的定义传感器（Transducer/sensor）的定义为：“能感受（或响应）规定的被测量，并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。目前，传感器转换后的信号大多为电信号。因而从狭义上讲，传感器是把外界输入的非电信号转换成电信号的装置。,4.1传感器概论,2）传感器的组成,3,敏感元件(Sensingelement)是指传感器中能直接感受被测量的部分,转换元件(Transitionelement)是指传感器中能将敏感元件输出量转换为适于传输和测量的电信号部分。,信号调理电路：能把转换输出的电信号转换为便于显示、记录和控制的有用信号的电路。常用电桥、放大器、阻抗变换器等,4,3）传感器分类（1）按被测量分类机械量：位移、力、力矩、速度、加速度、振动、噪声热工量：温度、热量、流量、风速、压力（差）、液位物性参量：浓度、粘度、比重、酸碱度状态参量：裂纹、缺陷、泄漏、磨损、表面质量（2）按测量原理分类按传感器的工作原理可分为电阻式、电感式、电容式、压电式、光电式、光纤、磁敏式、激光、超声波等传感器。,5,（3）按信号变换特征分类结构型：主要是通过传感器结构参量的变化实现信号变换的。例如:电容式和电感式传感器.物性型：利用敏感元件材料本身物理属性的变化来实现信号变换。例如:水银温度计,压电测力计.（4）按能量关系分类能量转换型：传感器直接由被测对象输入能量使其工作。例如:热电偶温度计,压电式加速度计.也称有源传感器。能量控制型：传感器从外部获得能量使其工作，由被测量的变化控制外部供给能量的变化。例如:电阻式、电容式、电感式.也称无源传感器。,6,4.2电阻式传感器,电位器式,电阻应变式,热敏效应式,其结构简单、易于制造、价格便宜、性能稳定、输出功率大，是目前在非电量检测技术中应用最广、最成熟和最重要的传感器之一.,把被测量转换为电阻变化的一种传感器，是一种能量控制型传感器,可用于测量应变、位移、力、压力和加速度等参数。,7,电阻应变式,金属电阻应变片,半导体应变片,按应变片所用的材料可分为：,导体或半导体材料在外界力的作用下产生机械变形时，其电阻值相应发生变化。,主要作用是实现应变电阻的变换。,8,（1）电阻应变片工作原理：,工作原理：,电阻丝电阻值：,纵向应变,横向应变：当电阻丝沿轴向伸长时，必沿径向缩小,对上式进行全微分，并用相对变化量来表示：,泊松比,电阻丝电阻率相对变化，与电阻丝轴向所受正应力有关。,弹性模量,纵向压阻系数,9,因此：,分析：,是由电阻丝几何尺寸改变引起的。,是由电阻丝的电阻率随应变的改变引起的。,注意：对金属电阻丝来说，是很小的，可忽略；对半导体应变片来说，是很小的，可忽略。这正是两类电阻应变式传感器原理的主要区别。,10,电阻丝应变片,金属电阻应变片：,常用的电阻材料：康铜、镍铬合金、镍铬铝合金,灵敏度：,敏感元件是金属丝栅。,常用的结构形式：丝式、箔式、薄膜式,工作原理是基于金属导体的应变效应，即金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着它所受机械变形(伸长或缩短)的变化而发生变化的现象。,11,箔式应变片,1.金属箔栅很薄，感受的应力状态与试件表面应力状态更接近2.箔材表面积大，散热条件好，所以允许通过较大电流，因而可以输出较大信号，提高了测量灵敏度3.箔栅的尺寸准确、均匀，能制成任意形状，扩大了应变片的使用范围,优点：,敏感元件是通过照相制版或光刻腐蚀等工艺制成的薄金属箔栅。,缺点：,1.生产工序较复杂；2.引出线的焊点采用锡焊，因此不适于高温环境下测量。3.价格较贵,12,一般市售电阻应变片的标准阻值有60、120、350、600、1000欧等，其中120欧应用最多。,通常静态测量时，允许的电流一般规定为25mA，动态测量时可达75100mA，箔式应变片则可更大些。,选用应变片时，要考虑应变片的性能参数，主要是应变片的电阻值、灵敏度、允许电流、应变极限等。,13,优点：灵敏度高，机械滞后小，横向效应小，体积小.缺点：温度稳定性和可重复性不如金属应变片。,半导体应变片：,压阻效应是指当半导体受到应力作用时，由于载流子迁移率的变化，使其电阻率发生变化的现象。,工作原理是基于半导体材料的压阻效应。因此，有时也称为压阻传感器。,灵敏度：,从半导体物理可知，半导体在压力、温度及光辐射作用下，能使电阻率发生很大变化。,目前，国产半导体应变片大都采用P型硅单晶制成。,14,金属电阻应变片,半导体应变片,利用金属导体形变引起电阻的变化。一般制作应变片的金属丝的灵敏度K0在1.73.6之间，有些工程书上，直接将金属丝应变片的灵敏度K0定义为2。,利用半导体电阻率变化引起电阻的变化。用半导体应变片制成的传感器亦称为压阻传感器。半导体应变片具有很高的灵敏度（是金属丝应变片灵敏度大50100倍），但其最大的特点是温度灵敏度高，非线性严重及安装困难。,当测量较小应变时，一般选用压阻效应工作的应变片，而测量大应变时，一般选用应变效应工作的应变片,（压阻、应变）,15,压阻式传感器在20世纪60年代初出现，随着半导体工业和集成电路的迅速发展，目前，已经在航空、宇航、风洞等领域得到广泛应用。灵敏度高（是金属丝式应变片的50100倍），因此输出信号大，可达200mv左右，有些压力传感器灵敏度高达50mv/MPa，可不用放大器直接驱动记录仪表。固有频率高，响应快。由于这种传感器小而轻，膜片直径小，机械滞后小，横向效应小，自振频率很高，目前可达500KHz，国外有些公司的产品可达1500KHz,半导体应变片（压阻式）传感器优点：,16,结构简单，可方便微型化，易于批量生产。由于压阻元件采用半导体集成电路工艺，因此尺寸可以最大限度小型化，目前国内研制的硅压阻元件直径为1mm，国外已有很多外径小于1mm的超小型产品。小尺寸可满足密集安装的要求，并能提供准确的点压力。还可将计算处理电路和传感器集成在一起，制成“智能传感器”精度高。由于压阻传感器没有一般传感器所具有的传动件、粘接剂，因此非线性和滞后误差都非常小，目前，精度一般为0.1%0.5%，较高的可达0.01%。工作可靠，抗振、抗干扰能力强。,17,电阻和灵敏度系数的热稳定性差，在温度变化大的环境中使用时，必须进行温度补偿，其使用温度范围受到一定的限制，国内都在100以下，国外多用于150以下，如果采用水冷和温度补偿措施，工作温度可达500。量程小，在测量大应变时，非线性较严重。系统工艺复杂、要求严格、成本较高。,半导体应变片（压阻式）传感器主要缺点：,18,（2）电阻式传感器的测量电路由于机械应变一般都很小，要把微小应变引起的微小电阻值的变化测量出来，同时，要把电阻相对变化转换为电压或电流的变化，因此，需要设计专用的测量电路，常用桥式测量电路。该电路目标：提高输出灵敏度、进行温度补偿,19,当时，电桥的输出电压应为：当电桥平衡时，由上式可得到或称为电桥平衡条件,1）直流电桥平衡条件直流电桥的基本形式如图，R1，R2，R3，R4称为电桥的桥臂，RL为其负载（可以是测量仪表内阻或其他负载）。,电桥线路原理图,20,不受力时，使电桥平衡,受应力或温度使电阻值变化时：,为使分析简化，选择,2）常用电桥电路,21,一般情况下，化简得到：,利用上式的和差特点，可进行温度补偿和提高测量的灵敏度。,22,为达到完全补偿，需满足下列三个条件：互相补偿的应变片须属于同一批号的，即它们的电阻温度系数、线膨胀系数、应变灵敏系数都相同，互补应变片的初始电阻值也要求相同；用于粘贴补偿片的构件和粘贴工作片的试件材料必须相同，即要求其线膨胀系数相等；互相补偿的应变片处于同一温度环境中。,23,根据工作中电阻值参与变化的桥臂的个数，将电桥分为：半桥式、全桥式,半桥单臂,只有一个桥臂阻值随被测量而变化,若四个桥臂的初始电阻值相等，且时,24,半桥双臂,工作时，有相邻两个桥臂阻值随被测量而变化。,若四个桥臂的初始电阻值相等，,设相邻两个桥臂阻值变化量相等时，为使输出不为零且提高灵敏度，使电阻变化方向相反（即一个阻值增大，另一个则减小）.,25,全桥接法,工作时四个桥臂都随被测量变化。,设四个桥臂的阻值变化量相等：,若四个桥臂的初始电阻值相等，,为使输出不为零且提高输出灵敏度，任意两相邻桥臂电阻值变化方向均相反，此时：,26,将作为输入（有的仅把当作输入），由此可以求得上述各种电桥的灵敏度分别为半桥单臂：半桥双臂：全桥：,比较：,根据理想线性关系分析所得,27,当仅桥臂AB单臂承受应变，产生时，,上式是在假定时得到的。,此时电桥的实际输出是：,电桥的相对非线性误差为：,如果已知，并对非线性误差提出要求，则通过上式可计算出允许测量的最大应变量。,当RiR时，输出电压与应变呈线性关系。,28,结论：如果被测应变大于10000，采用等臂电桥时的非线性误差大于1%。,例：设K=2，要求非线性误差1%，试求允许测量的最大应变值max。,29,（3）电阻应变式传感器的应用,直接用来测定结构的应变或应力，如为了研究某些构件在工作状态下的受力、变形情况，可利用不同形状的应变片，粘贴在构件的选定部位，测得构件的拉、压应力或弯矩等，为结构设计、应力校核或构件破坏的预测等提供可靠的试验数据。将应变片贴于弹性元件上，作为测量力、位移、压力、加速度等物理参数的传感器。在这种情况下，弹性元件得到与被测量成比例的应变，再由应变片转换为电阻的变化。,注意：电阻应变片必须被粘贴在试件或弹性单元上才能工作，应将其粘贴在应变最大的部位。粘合剂和粘合技术对测量结果有直接影响。,30,因此，轴向应变片感受到的应变为（）：,圆周方向应变片感受到的应变为（）：,弹性元件分为实心和空心两种。实心圆柱可承受较大负荷；空心圆桶横向钢度大，稳定性好。,在轴向布置一个或几个应变片，在圆周方向布置同样数目的应变片，后者取符号相反的横向应变，从而构成了差动对。在与轴线任意夹角的方向，其应变为：,载荷,杨氏模量,1、柱式力传感器,31,32,33,2、梁式力传感器,等强度梁弹性元件是一种特殊形式的悬臂梁。,这种弹性元件的特点是：其截面按一定的规律变化，当集中力作用在自由端时，距作用力任何距离的截面上应力相等。,34,35,3、应变式压力传感器,测量气体或液体压力的薄板式传感器，如图所示。当气体或液体压力作用在薄板承压面上时，薄板变形，粘贴在另一面的电阻应变片随之变形，并改变阻值。这时测量电路中电桥平衡被破坏，产生输出电压。,（b）,（a）,应变式压力传感器,圆形薄板固定形式：采用嵌固形式，如图（a）或与传感器外壳作成一体，如图(b)。,应变片,36,根据力学公式，当均匀压力作用在薄板上时：,圆板内任一点的应变值为：,径向和切向应力,径向和切向应变,圆板的半径和厚度,与圆心的径向距离,37,4、应变式加速度传感器,由端部固定并带有惯性质量块m的悬臂梁及贴在梁根部的应变片、基座及外壳等组成。是一种惯性式传感器。,测量时，根据所测振动体加速度的方向，把传感器固定在被测部位。当被测点的加速度沿图中箭头所示方向,时，悬臂梁自由端受惯性力F=ma的作用，质量块向箭头a相反的方向相对于基座运动，使梁发生弯曲变形，应变片电阻也发生变化，产生输出信号，输出信号大小与加速度成正比。,38,图4-5冲床生产量和生产过程监测,图4-6电阻应变式电子秤,图4-7机械手,39,作业,1.电阻应变片的种类有哪些？各有何特点？2.电阻应变片阻值为120，灵敏度系数为K=2，沿