电阻应变式传感器与其应用课件

1、第2章 电阻应变式传感器及应用,提问1：电子秤中用到的传感器是什么结构？收费站称重收费过程中是如何称重的,提问2：你还了解哪些测量力、压力、位移、加速度等物理量的传感器？这些传感器在日常生活中都有何用途,电阻应变式传感器与其应用,掌握重点： 工作原理:被测量应变() 电阻变化(R) 电阻应变片的特性 测量电路 典型应用,内容安排,金属,半导体,按材料分,应变式传感器,压阻式传感器,电阻应变式传感器与其应用,2.1 应变式传感器,2.1.1 金属电阻应变片工作原理,基于金属的应变应变效应：金属丝的电阻随着它所受的机械形变(拉伸或压缩) 而发生相应的变化的现象称为金属的电阻应变效应,长为l、 截面

2、积为A、 电阻率为的金属或半导体丝, 电阻,若导电丝在轴向受到应力的作用, 其长度变化l, 截面积变化A, 电阻率变化, 而引起电阻变化R, 则,一、 金属电阻应变效应,电阻应变式传感器与其应用,式中,为单根导电丝的灵敏系数, 表示当发生应变时, 其电阻变化率与其应变的比值,材料的泊松系数,电阻应变式传感器与其应用,导电丝的几何尺寸的改变,材料的电阻率发生变化,对金属： E很小, 可忽略不计, =0.250.5, 故 k0=1+21.52； 对半导体： E比1+2大得多, 压阻系数=(40-50)10-11m2/N, 杨氏模量E=1.671011Pa, 则E50100, 故（1+2）可以忽略不

3、计。 可见, 半导体灵敏度要比金属大50100倍。,表示压阻系数,电阻应变式传感器与其应用,二、应变计的结构与分类,应变计：将应变转换为电阻变化的传感元件 结构：电阻应变片种类繁多，但基本构造大体相同,图示为其构造简图：排列成网状的高阻金属丝、栅状金属箔或半导体片构成的敏感栅, 用粘合剂贴在绝缘的基片上。敏感栅上贴有盖片（即保护片,核心部件：敏感栅,电阻应变式传感器与其应用,应变计的分类,对金属： 金属丝式应变片： 金属箔式应变片： 薄膜应变片,按尺寸分： 按结构形式分：单片、双片及各种特殊形状的图案 按使用环境分：高低温、核辐射、高雅、磁场的等 按安装形式分：粘贴、非粘贴、焊接、火焰喷涂 按

4、材料分：金属式、半导体式,对半导体： 体型应变片： 扩散型应变片： 薄膜型应变片： 外延型应变片： PN结及其它,电阻应变式传感器与其应用,图 2.3,金属丝式应变片：有U型、V型、H型,金属丝弯曲部分成圆弧（U）形,是最早常用的一种形式，制作简单但横向效应较大,金属丝弯曲部分成直角（H）形,两端用较粗的镀银铜线焊接，横向效应较小，制作工艺复杂(将逐渐被横向效应小、性能更优越的箔式应变计所代替,电阻应变式传感器与其应用,图2.4 几种箔式应变计,金属箔式应变片,箔式应变计的线栅是通过光刻、腐蚀等工艺制成很薄的金属薄栅（厚度一般在0.0030.01mm,电阻应变式传感器与其应用,薄膜应变片,薄膜

5、式应变计是采用真空溅射或真空沉积技术，在薄的绝缘基片上蒸镀金属电阻薄膜（厚度在纳米量级），再加上保护层制成,优点：灵敏度高；允许通过的电流密度大；工作温度范围广（可工作于-197317），也可用于核辐射等特殊情况下,敏感元件常用的材料：康铜（铜镍合金）、镍铬合金、铁铬铝合金、铁镍铬合金等，常温下使用的应变计多由康铜制成,电阻应变式传感器与其应用,2.1.2 金属电阻应变片主要特性,一、应变计的特点,灵敏度和精确度高：能测12微应变，误差一般小于1%； 测量范围大：从弹性变形一直可测至塑性变形； 尺寸小，重量轻，对试件工作状态和应力分布影响很小； 具有良好的动态响应； 能适应高温、高压、强磁场以

6、及辐射等恶劣环境； 价格低廉、品种多样，便于选择和大量使用,优点,电阻应变式传感器与其应用,在大应变下具有较大的非线性； 输出信号较微弱，抗干扰能力较差； 应变式传感器的性能在很大程度上取决于应变计的性能,一、应变计的特点,缺点,电阻应变式传感器与其应用,二、应变计的灵敏度系数,金属电阻丝,应变计,电阻应变计的灵敏度系数,应变丝的灵敏度系数,原因： 基底传递衰减； 存在横向效应,电阻应变式传感器与其应用,三、应变计的横向效应,敏感栅由许多直线及圆角组成，拉伸被测试件时，粘贴在试件上的应变计沿长度方向拉伸，产生纵向拉伸应变x，应变计直线段电阻增加,在垂直方向产生压应变-y，该微段电阻减少，在圆弧

7、的其他各微段，感受的应变由+x变化到 y，圆弧段的电阻变化将小于同样长度沿x方向的直线段的电阻变化,总结：将同样长的金属线材做成敏感栅后，对同样应变，应变计敏感栅的电阻变化变小，灵敏度降低，这种现象称为应变计的横向效应,电阻应变式传感器与其应用,四、应变计的动态特性,应变波的传播过程 机械应变以相同于声波速度的应变波形式在材料中传播,应力波从试件通过胶层、基片传到敏感栅需要一定时间，沿应变计长度方向经过敏感栅需要更长一些的时间，敏感栅电阻的变化是对某一瞬时作用于其上应力的平均值的反应； 胶层和基片的总厚度约为0.05mm，由试件经过胶层和基片传到敏感栅的时间约为510-8s，可以忽略不计；应变

8、波沿敏感栅长度方向传播的时间应加以考虑,钢材声速为5000m/s，胶层声速为1000m/s,电阻应变式传感器与其应用,阶跃波沿敏感栅轴向传播，由于应变波通过敏感栅需要时间L/V，当阶跃波的跃起部分通过敏感栅全部长度后，电阻变化才达到最大值 (理论相应特性曲线,应变计粘合层对应变中高次谐波的衰减作用 （实际曲线,阶跃应变波,电阻应变式传感器与其应用,可测频率,例如:应变计基长L=20mm，波速v=5000m/s，则 tk=3.210-6s，f=110 kHz,电阻应变式传感器与其应用,当测量按正弦规律变化的应变波时，由于应变计反映的应变波形，是应变计线栅长度内所感受应变量的平均值，因此应变计反应

9、的波幅将低于真实应变波，从而带来一定误差：误差将随应变计基长的增加而加大，当基片一定时将随频率的增加而加大,正弦应变波,应变计正处于应变波达到最大值时的瞬时情况：应变波的波长为，应变计的基长为L，两端点的坐标为x1和x2，而x1=/4-L/2，x2=/4+L/2 ，此时应变计在其基长L内测得的平均应变达到最大值,电阻应变式传感器与其应用,五、应变计的其他特性参数,线性度 试件的应变和电阻的相对变化R/R，在理论上呈线性关系。但实际上，在大应变时，会出现非线性关系。应变计的非线性度一般要求在0.05%或1%以内,电阻应变式传感器与其应用,应变极限 粘贴在试件上的应变计所能测量的最大应变值称为应变

10、极限。在一定的温度 (室温或极限使用温度) 下，对试件缓慢地施加均匀的拉伸载荷，当应变计的指示应变值对真实应变值的相对误差大于10%时，就认为应变计已达到破坏状态，此时的真实应变值就作为该批应变计的应变极限。 机械滞后和热滞后 贴有应变计的试件进行加载和卸载时，其R/R-特性曲线不重合，把加载和卸载特性曲线的最大差值，称为应变计的机械滞后值,电阻应变式传感器与其应用,零漂和蠕变 恒定温度下，粘贴在试件上的应变计，在不承受载荷的条件下，电阻随时间变化的特性称为应变计的零漂。零漂的主要原因是，敏感栅通过工作电流后的温度效应，应变计的内应力逐渐变化，粘接剂固化不充分等。 疲劳寿命 已安装的应变计，在

11、恒定幅值的交变应力作用下，可以连续工作而不产生疲劳损坏的循环次数。疲劳寿命反映应变计对动态应变的适应能力。应变计的疲劳寿命的循环次数一般可达106次,指应变计指示应变的变化超过规定误差，或者应变计的输出波形上出现毛刺，或者应变计完全损坏而无法工作,电阻应变式传感器与其应用,最大工作电流 允许通过应变计而不影响其工作的最大电流值，工作电流大，应变计输出信号就大，因而灵敏度高,过大的工作电流使应变计过热，灵敏系数变化，零漂、蠕变增加，甚至烧坏应变计,工作电流选取：散热条件；敏感栅的几何尺寸；截面的形状和大小；基底的尺寸和材料；粘合剂的材料和厚度；试件的散热性能。 通常静态测量时约取25 mA左右，

12、动态测量时可高一些，箔式应变计可取更大些,电阻应变式传感器与其应用,绝缘电阻 指应变计的引线与被测试件之间的电阻值，一般以兆欧计。绝缘电阻过低，会造成应变计与试件之间漏电而产生测量误差,应变计标称电阻值R 应变计在未安装也不受外力的情况下，于室温时测得的电阻值。这是使用应变计时必须知道的一个参数。国内应变计系列习惯上选用120、175、350、500、1000、1500,几何尺寸 圆弧敏感栅应变计敏感栅基长L从圆弧顶部算起，箔式应变计则从横向粗线的内沿算起。通常应变计L 约为230mm，箔式应变计最小可达0.2mm，长的达100mm或更长,电阻应变式传感器与其应用,2.1.3 温度误差及其补偿

13、,一、温度误差产生的原因,环境温度变化，应变计的电阻也将发生变化，这种变化叠加在测量结果中将产生很大误差，称为应变计的温度误差,电阻温度系数的影响,应变片阻值随温度的关系,温度为t时的电阻值,温度为t0时的电阻值,电阻温度系数,温度变化t，电阻的变化值,电阻应变式传感器与其应用,2.1.3 温度误差及其补偿,一、温度误差产生的原因,试件材料与应变丝材料线膨胀系数不一致，使应变丝产生附加变形，造成电阻额外变化,试件材料与应变丝材料线膨胀系数不一致,试件与电阻丝材料的线膨胀系数相同，环境温度变化，不会产生附加变形； 试件与电阻丝材料的线膨胀系数不同，环境温度变化，电阻丝会产生附加变形，从而产生附加

14、电阻,电阻应变式传感器与其应用,2.1.3 温度误差及其补偿,二、温度补偿方法,电桥补偿法,工作应变片贴在试件上，补偿片贴在补偿件上，补偿件不受力，并接入电桥相邻臂,温度变化使工作片与补偿片产生的电阻变化R1t的电阻变化RBt相等，电桥输出Usc与温度无关，从而补偿了应变计的温度误差,电阻应变式传感器与其应用,工作片、补偿片贴在同一试件上，但补偿片不受力作用,工作片、补偿片贴在同一试件上，但两者感受的应变符号相反,构件作纯弯曲形变时，上部的应变为拉应变，下部为压应变，两者绝对值相等符号相反，RB与R1的变化值大小相等符号相反，电桥的输出电压增加一倍。此时RB既起到了温度补偿作用，又提高了灵敏度

15、，而且可补偿非线性误差,电阻应变式传感器与其应用,辅助测温元件微型计算机补偿法,方法：在传感器内靠近敏感测量元件处安装一个测温元件， 用以检测传感器所在环境的温度。常用的测温元件有半导体热敏电阻以及PN结二极管等。测温元件的输出经放大及A/D转换送到计算机,计算机在处理传感器数据时，把测温元件测量的温度变化对传感器的影响加以补偿，以达到提高测量精度的目的,电阻应变式传感器与其应用,应变计自补偿法,方法：采用一种特殊的自补偿应变计，当温度变化时，产生的附加应变为零或相互抵消。用自补偿应变计进行温度补偿的方法叫应变计自补偿法。采用比较多的是以下两种自补偿应变计,温度自补偿应变计,适用于某一种试件材

16、料的自补偿应变片： 要使：R=0 则： 求得： 特点：制作简单、成本低 缺点：只能在某种材料得试件上才能得到补偿效果。 ：随温度变化为非线性时，引起输出非线性,被测试件的线膨胀系数,选择合适的敏感栅材料满足该式，则不论温度如何变化，均有,电阻应变式传感器与其应用,应变计自补偿法,双金属敏感栅自补偿片（组合式自补偿应变片,利用两种电阻丝材料的电阻温度系数符号不同(一个为正，一个为负)的特性，将二者串联绕制成敏感栅,R1和R2由于温度变化而产生的电阻变化为R1t和R2t，大小相等而符号相反，就可以实现温度补偿,补偿效果较前者好，在工作温度范围内通常可达到0.14,电阻应变式传感器与其应用,2.1.

17、4 电阻应变式传感器测量电路,电阻应变式传感器与其应用,2.1.4 电阻应变式传感器测量电路,一、直流电桥的特性方程及平衡条件,图为由桥臂R1、 R2 、 R3 、 R4组成的直流电桥。直流电桥的特性方程是指电桥对角端负载电流If与各桥臂参数和电源电压的关系式。利用等效电源定理, ab两端的开路电压为,平衡时有R1R4-R2R3=0,或,上式称为直流电桥平衡条件, 说明欲使电桥达到平衡, 其相邻两臂的比值应相等。,电阻应变式传感器与其应用,2.1.4 电阻应变式传感器测量电路,二、直流电桥的电压灵敏度,电阻应变计工作时, 电阻变化很微小(如1片k=2, 初始电阻120的应变计, 受到1000微

18、应变时, 其电阻变化仅0.24),引起的不平衡电压极小, 不能用它来直接推动指示仪表, 故需加以放大,电阻应变式传感器与其应用,设R1为电桥工作臂, 受应变时, 其电阻变化为R1, R2、 R3 、 R4均为固定桥臂。一般放大器的输入阻抗较电桥的内阻要高得多, 可认为电桥输出端处于开路状态。 在起始时, 电桥处于平衡状态, 此时Usc=0,电阻应变式传感器与其应用,当有R1时, 电桥输出电压为,设n= , 考虑到起始平衡条件 , 并略去分母中的 项, 得,电阻应变式传感器与其应用,Ku称为电桥的电压灵敏度。 Ku愈大, 说明应变计电阻相对变化相同的情况下, 电桥输出电压愈大, 电桥愈灵敏。 提

19、高Ku途径： 提高电源电压（受应变计允许功耗的限制）； 选择适当的桥臂比n。,电阻应变式传感器与其应用,电桥电压U一定时, n 应取何值, 电桥灵敏度最高,令d Ku /dn=0 即,R1= R2, R3 = R4, 电桥的电压灵敏度最高(电桥的第一种对称形式) R1 = R3, R2 = R4, 线性较好,(电桥的第二种对称形式,即n=1 时, Ku 为最大,电阻应变式传感器与其应用,等臂电桥是其中的一个特例, 这时有,电源电压及电阻相对变化一定时, 电桥的输出电压及其电压灵敏度将与各桥臂阻值的大小无关。,电阻应变式传感器与其应用,应变式传感器常采用的为全等臂电桥，根据桥臂上应变片布置情况

20、全等臂直流电桥又分为单臂、双臂、全桥情况,1) 单臂电桥 R1=R2=R3=R4=R，R=R1，单臂工作时，只有一臂工作，即R+R1，可得,电阻应变式传感器与其应用,2) 双臂电桥,相邻臂工作,相对臂工作,电阻应变式传感器与其应用,3) 全臂电桥,灵敏度比较：全桥灵敏度最高，双臂工作的差动电桥灵敏度次之，单臂电桥灵敏度最低,应变片粘贴特点,电桥输出,电阻应变式传感器与其应用,三、交流电桥的平衡条件和电压输出,当采用交流供桥载波放大时，应变电桥也需交流电源供电，这时需要考虑分布电容的影响，如图 2.19 (a)示。 交流电桥的一般形式如图2.19 (b)所示,图 2.19,Z1，Z2，Z3，Z4

21、为复阻抗，电源电压、输出电压均应用复数表示,电阻应变式传感器与其应用,输出电压的特性方程为,平衡条件,或,设电桥臂阻抗为,交流平衡条件可以写为,模满足一定的比例关系，且相对桥臂的幅角和必须相等,电阻应变式传感器与其应用,考虑到电桥的起始平衡条件并略去分母中含Z1项， 得,电阻应变式传感器与其应用,2.2 压阻式传感器,压阻式传感器:指利用单晶硅材料的压阻效应制成的传感器(单晶硅材料在受到力的作用后，电阻率发生变化，通过测量电路就可得到正比于力变化的电信号输出)。 应用：压力、拉力、压力差和可以转变为力的变化的其他物理量（如液位、加速度、重量、应变、流量、真空度）的测量和控制,电阻应变式传感器与

22、其应用,2.2.1 半导体的压阻效应,固体受到作用力后，电阻率就要发生变化，这种效应称为压阻效应 （半导体材料的压阻效应特别强,金属材料 半导体材料,半导体材料的压阻系数,弹性模量,电阻应变式传感器与其应用,对半导体材料而言，l E (1+)，故(1+)项可以忽略,半导体材料的电阻变化主要原因：电阻率变化（应变引起,半导体单晶的应变灵敏系数可表示,上一页,返 回,下一页,电阻应变式传感器与其应用,上一页,返 回,下一页,2.2.2 半导体电阻应变片,1. 结构型式及特点,半导体应变计应用较普遍的有体型、薄膜型、扩散型、外延型等,电阻应变式传感器与其应用,1. 体型应变片结构型式及特点,优点：灵

23、敏系数大；横向效应和机械滞后极小； 缺点：温度稳定性和线性度差,上一页,返 回,下一页,电阻应变式传感器与其应用,2. 测量电路,恒压源 恒流源,电桥输出电压与R / R成正比，输出电压受环境温度的影响,电桥输出电压与R成正比，环境温度的变化对其没有影响,电阻应变式传感器与其应用,2.3 应变式传感器应用,电阻应变丝、应变片，可以直接用来测定试件的应变和应力，其他物理量（力、压力、加速度等），需先将这些量转换成应变（弹性元件）还广泛用作传感元研制成各种应变式传感器，用来测定其他物理量，如力、压力、扭矩、加速度等,待测物理量（应变）R/R （） USC,电阻应变式传感器与其应用,2.3.1、应变

24、式测力与称重传感器,被测物理量：荷重或力 主要用途：作为各种电子称与材料试验机的测力元件、 发动机的推力测试、 水坝坝体承载状况监测等。 力传感器的弹性元件：柱式、筒式、环式、悬臂式等,电阻应变式传感器与其应用,一、柱（筒）式力传感器,柱式传感器是称重(或测力)传感器应用较普遍的一种形式。它分为圆筒形和柱形两种 ，如图,圆筒或圆柱在外力F作用下产生的应变为,其结构是在圆筒或圆柱上按一定方式贴上应变计,测量出应变即可得到F的大小,测量应变,电阻应变式传感器与其应用,一般将应变计对称地贴在应力均匀的圆柱表面的中间部分,如何粘贴应变计,应变片桥路连接方法及信号输出,电阻应变式传感器与其应用,横向粘贴

25、的应变计作用,柱式的不足:截面积随载荷改变所导致的非线性(可以进行补偿)。 筒式结构可使分散在端面的载荷集中到筒的表面上来,改善了应力线分布;在筒壁上还能开孔,如图2.25(c)所示,形成许多条应力线,从而与载荷在端面的分布无关,并可减少偏心载荷、非均布载荷的影响,使引起的误差更小,电阻应变式传感器与其应用,二、 悬臂梁式传感器,悬臂梁式传感器是一种性能优越的称重测力传感器，分为等截面和等强度悬臂梁,在悬臂梁上按一定方式贴上应变计,测量出应变即可得到F的大小,测量应变,等截面悬臂梁,等强度悬臂梁,b,h,电阻应变式传感器与其应用,如何粘贴应变计,应变片桥路连接方法,等截面悬臂梁,等强度悬臂梁,

26、a)等截面梁; (b)等强度梁,图2.30 几种梁式传感器外形,电阻应变式传感器与其应用,应变片桥路连接方法及信号输出,这样， 测出应变， 即可得到载荷F,电阻应变式传感器与其应用,悬臂梁式传感器一般可测0.5kg以下的载荷,最小可测几十克重。悬臂梁式传感器也可达到很大的量程,如钢制工字悬臂梁结构传感器量程为0.230t,精度可达0.02%FS。悬臂梁式传感器具有结构简单、应变计容易粘贴,灵敏度高等特点,电阻应变式传感器与其应用,三.环式传感器 圆环式传感器弹性元件的结构,如图2.28所示。a)为拉力环,(b)为压力环。环式常用于测几十千克以上的大载荷,与柱式相比,它的特点是应力分布变化大,且

27、有正有负,便于接成差动电桥,电阻应变式传感器与其应用,表2.1 几种应变式测力与称重传感器的性能,电阻应变式传感器与其应用,2.3.2、应变式压力传感器,应变式压力传感器由电阻应变计、弹性元件、外壳及补偿电阻组成。一般用于测量较大的压力。它广泛用于测量管道内部压力,内燃机燃气的压力,压差和喷射压力,发动机和导弹试验中的脉动压力,以及各种领域中的流体压力等,电阻应变式传感器与其应用,2.3.2、应变式压力传感器,一.筒式压力传感器 筒式压力传感器的弹性元件如图2.29所示,一端肓孔,另一端有法兰与被测系统连接。当应变管内腔与被测压力相通时,圆筒部分周向应变为,式中,p为被测压力,D为圆筒外径,d

28、为圆筒内径。在薄壁筒上贴有两片应变计作为工作片,实心部分贴有两片应变计作为温度补偿片,电阻应变式传感器与其应用,二.膜片式压力传感器 该类传感器的弹性敏感元件为一周边固定的圆形金属平膜片。当膜片一面受压力p作用时,膜片的另一面(应变计粘贴面)上的径向应变r和切向应变t为,图2.33 膜片受力时的应变分布和应变计粘贴,电阻应变式传感器与其应用,式中,R为平膜片工作部分半径，h为平膜片厚度，E为膜片的弹性模量，为膜片的泊松系数，x为任意点离圆心的径向距离,电阻应变式传感器与其应用,在膜片中心即x=0处,r和t均达到正的最大值,即,而在膜片边缘,即x=R处,t=0,而r达到负的最大值 (最小值,电阻

29、应变式传感器与其应用,三.组合式压力传感器 组合式压力传感器,如图2.31所示,通常用于测量小压力。波纹膜片、膜盒、波纹管等弹性敏感元件感受压力后,推动推杆使梁变形。电阻应变计粘贴于梁的根部感受应变,电阻应变式传感器与其应用,2.3.3、应变式加速度传感器,应变式加速度传感器如图2.32所示。在一悬臂梁1的自由端固定一质量块3。当壳体4与待测物一起作加速运动时,梁在质量块惯性力的作用下发生形变,使粘贴于其上的应变计2阻值变化。检测阻值的变化可求得待测物的加速度。图中,5为电引线,6为运动方向,电阻应变式传感器与其应用,2.3.4 扩散型压阻式压力传感器,压阻式压力传感器结构简图 1低压腔 2高压腔 3硅杯 4引线 5硅膜片,采用N型单晶硅为传感器的弹性元件， 在它上面直接蒸镀半导体电阻应变薄膜,上一页,返 回,下一页,电阻应变式传感器与其应用,工作原理： 膜片两边存在压力差时，膜片产生变形，膜片上各点产生应力。 四个电阻在应力作用下，阻值发生变化，电桥失去平衡， 输出相应的电压，电压与膜片两边的压力差成正比。 四个电阻的配置位置： 按膜片上径向应力r和切向应力t的分布情况确定,设计时，适当安排电阻的位置，