第2章电阻应变式传感器

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,电阻应变片传感器：由弹性元件、电阻应变片和其它附件组成，当弹性元件变形时，粘贴其上的电阻应变片随之变形，并把变形转化为电阻的变化。,2.1金属电阻应变式传感器,一、虎克定律和泊松定律,物体在外力作用下要发生形变，当变形不超过某一限度时，撤走外力之后，形变能随之消失，这种形变叫弹性形变，发生弹性形变时物体内部将产生恢复原状的内应力,设有一截面为S长度为L的均匀棒，受拉力F拉伸时伸长了L，其单位面积受到的拉力F/S称为胁强，而单位长度的伸长量称为胁变L/L虎克定律：在弹性范围内，胁变与胁强成正比：F/S=dL/L式中：为杨氏模量（弹性模量）,泊松定律：除长度L之外还有横向尺寸T的均匀棒，纵向应力使L和T两者都改变=-(dT/T)/(dL/L)为泊松系数，负号表示长度加长时横向收缩,金属应变片的电阻R为,上述任何一个参数变换均会引起电阻变化,对该式取自然对数得：,取全微分得,二、电阻应变效应,金属丝：,金属丝体积不变：,式中第一项是因形变直接引起的电阻相对变化量，成为尺寸效应（Dimensioneffect）;第二项是因应变使电阻率变化而引起的电阻相对变化量，成为压阻效应（Piezoresistiveeffect）,设dL/L=则,令,因此,1.电阻应变效应定义在拉伸金属材料使之产生应变的同时，在金属导体的拉伸比例极限内，金属导体电阻的相对变化与应变成正比。式中：R-无应变时的电阻值dR产生应变时电阻的变化-应变（单位：)k0金属材料的灵敏系数,结论：金属材料的灵敏系数受下列因素影响1、受力后因材料尺寸变化而引起的（1+2）项，即由形变直接引起的2、受力后材料的电阻率发生变化而引起的(d/)/项，材料变形时，其自由电子的活动能力和数量发生改变。,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，根据电阻应变效应原理，可得弹性试件的应变值，而根据应力-应变关系：=E，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,2.应变片测试原理,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,2.1.1.2应变片的结构，材料和类型,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。图2-4箔式电阻应变片3)金属薄膜应变片,分类:,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。4.灵敏系数(K),2.1.1.3金属电阻应变片的主要特性,横向效应：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,5.横向效应与横向灵敏系数,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),横向灵敏系数,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,2.1.1.4温度误差及其补偿1温度误差把应变片粘贴在自由膨胀的试件上，使试件不受任何外力作用，此时如果环境温度发生变化，应变片的电阻值将随之发生变化的现象称为温度特性应变片电阻随温度变化必然造成误差温度误差产生原因：金属敏感栅电阻本身随温度变化；试件材料和敏感栅材料的线膨胀系数不同解决办法：温度补偿措施(略),电桥的平衡条件为：,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，r0；r=R时，t=0，r达到负最大值,图2-26组合式压力传感器,3组合式压力传感器,1结构：惯性质量块、弹性悬臂梁和电阻应变片组成，如图2-27（a）所示。2原理：加速度a质量块惯性作用力ma悬臂梁变形电阻应变片产生电阻变化R。3特性分析（略),2.1.3.3电阻应变式加速度传感器,1基本应用平面膜片式压力传感器图2-28所示为压力应变计原理电路。A1、A2、A3构成仪表放大器，A4作为“电平转移”。图2-28压力应变计,2.1.4电阻应变式传感器应用实例,准S型称重传感器如图2-29所示。图2-29准S型称重传感器,2手提式数字电子称,案例：电子称,原理：将物品重量通过悬臂梁转化结构变形,再通过应变片转化为电量输出。,梁的应变量和电桥的输出电压与载荷成正比,2.2半导体应变片及压阻式传感器,2.2.1半导体应变片1半导体材料的压阻效应半导体材料的电阻率随作用应力而变化的现象称为半导体材料的压阻效应。对于长l，截面积S，电阻率的条形半导体应变片，在轴向力F作用下利用式（2-4）的结果应变灵敏系数式中，E半导体应变片材料的弹性模量；L半导体晶体材料的纵向压阻系数，与晶向有关。,如图2-32所示图2-32体型半导体应变片的结构形状,(1)体形半导体应变片的结构形式,直流电阻电桥电路，但须采用温度补偿措施.图2-33温度补偿电路,(2)半导体电阻应变片的测量电路,利用半导体材料的压阻效应，在一定晶向的晶片上利用集成电路工艺技术扩散制作应变电阻和测量电路，称为扩散硅压阻式传感器或固态压阻式传感器。1.压阻式压力传感器图2-34压阻式压力传感器,2.2.2压阻式传感器,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.压阻式加速度传感器,压阻式加速度传感器,2.3电位计式传感器,位移电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）。,线绕电位计结构如图所示。输出特性Uo=f(x),231线绕电位计,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。,主要特性：,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负载特性及负载误差,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。,电位器负载特性及其误差曲线,m=R/RL，X=Rx/R=x/L,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非线性电位器。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；,获得线性输出特性的方法：,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(b)，三角函数变阻器结构，输出-输入之间具有正弦函数关系，,图2-41(c)，分段绕制的非线性电位器。,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）。2导电塑料电位器结构：这种电位器的电阻体由塑料粉与导电材料（碳黑、超细金属粉等）粉经压制而成。特点：耐磨（可达千万次以上），寿命长，线性好，阻值范围大，能承受较大功率；但其阻值易受温、湿度影响；接触电阻大，精度较差。,结构：这是一非接触式电位器，以光束代替常规的电刷，它在氧化铝基体2上蒸发一层金属膜电阻带3和一条高导电率（铬金或银）的集电极5，在电阻带与导电带之间的窄间隙上沉积一层光电导层（硫化镉等）1。窄光束4在光电导层上扫描时，就使电阻带与集电极在该处形成一导电通路，如同电刷移动一样。特点：阻值范围宽（50015M），无摩擦和磨损，寿命长，分辨率较高；但存在滞后（0.11s），工作温度范围窄，因输出阻抗高而需阻抗匹配，线性度不高。图2-42光电电位器原理图,3光电电位器,第2章内容提要和要求,1掌握金属电阻应变片的结构、原理（电阻-应变效应，K=(R/