ch2电阻应变式传感器及其应用PPT教学课件

1、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lRARlARlA一、 金属电阻应变效应FFL+dLd第1页/共76页ddAA2/d dl l 0(12 )RllkRll式中0/12/R Rp pkl ll l 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。24dA（材料的泊松系数） 第

2、2页/共76页0/12/R Rkl ll l 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）可以忽略不计。可见, 半导体灵敏度要比金属大50100倍。 0/12R RkE 表示压阻系数第3页/共76页二、应变计的结构与分类 LAa结构图栅宽低阻镀锡铜丝作为引线u应变计：将应变转换为电阻变化的传感元件u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

3、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：敏感栅第4页/共76页u 应变计的分类对金属：u金属丝式应变片：u金属箔式应变片：u薄膜应变片：v按尺寸分：v按结构形式分：单片、双片及各种特殊形状的图案v按使用环境分：高低温、核辐射、高雅、磁场的等v按安装形式分：粘贴、非粘贴、焊接、火焰喷涂v按材料分：金属式、半导体式对半导体：u体型应变片：u扩散型应变片：u薄膜型应变片：u外延型应变片：uPN结及其它第5页/共76页(a)(b)(c) 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

4、，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) 第6页/共76页图2.4 几种箔式应变计(a)(b)(c)(d)(e)(f)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） 第7页/共76页薄膜应变片：薄膜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

5、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。 第8页/共76页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。 u优点：第9页/共76页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u缺点：第10页/共76页二、

6、应变计的灵敏度系数金属电阻丝0RKR应变计RKR电阻应变计的灵敏度系数 应变丝的灵敏度系数 0kK原因：基底传递衰减；存在横向效应；第11页/共76页三、应变计的横向效应 lxy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。xxyyRkkR轴向灵敏系数横向灵

7、敏系数第12页/共76页四、应变计的动态特性 u 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。第13页/共76页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

8、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）vLtk8 . 0u 阶跃应变波：第14页/共76页u可测频率 ：vLtk8 . 00.350.350.440.8kvvftLL例如:应变计基长L=20mm，波速v=5000m/s，则tk=3.210-6s，f=110 kHz。 第15页/共76页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 u 正弦应变波：应变计正处于应变波达到最大值时的瞬

9、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。 第16页/共76页五、应变计的其他特性参数 u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。 第17页/共76页u 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

10、，此时的真实应变值就作为该批应变计的应变极限。 u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。 第18页/共76页u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。 u 疲劳寿命 已安装的应变计，在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

11、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。第19页/共76页u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。R1R2R3R4USCUsr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，动态测量时可高一些，箔式应变计可取更大些。第20页/共76页u 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

12、变计与试件之间漏电而产生测量误差。 u 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。 u 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 第21页/共76页2.1.3 温度误差及其补偿一、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 00(

13、1)ttRR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 0ttt 电阻温度系数 000tttRRRR温度变化t，电阻的变化值 ： 第22页/共76页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，从而产生附加电阻。第23页/共76页2.1.3 温度误差及其补偿二、温度补偿方法 u电桥补偿法 工作应变片贴在试件上，补偿片贴

14、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 第24页/共76页 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，而且可补偿非线性误差。 第25页/共76页u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，

15、 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。第26页/共76页u 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

16、时，引起输出非线性。00gstkt 0gsk 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 00tR R第27页/共76页u 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 0C第28页/共76页2.1.4 电阻应变式传感器测量电路U/IR R待测物理量？第29页/共76页2.1.4 电阻应变式传感器测量电路

17、一、直流电桥的特性方程及平衡条件14231234() ()ababRRR RUUUURRRR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=03124RRRR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。 第30页/共76页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微应变时, 其电阻变化仅0.24),

18、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。 R1 R1R3R4R2bUcda放大器Usc第31页/共76页R1 R1R3R4R2bUcda放大器Usc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。第32页/共76页R1 R1R3R4R2bUcda放大器Usc当有R1时, 电桥输出电压为4131124113(1)(1)scRRRRUURRRRRR 设n= , 考虑到起始平衡条件 , 并略去分母中的 项, 得

19、21/RR3412RRRR11/RR第33页/共76页121(1)scRnUUnR211)1 (nnURRUKscu 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。 第34页/共76页电桥电压U一定时, n 应取何值, 电桥灵敏度最高？ 令d Ku /dn=0 即：211)1 (nnURRUKscu0)1 ()1 (42nnnR1= R2, R3 = R4, 电桥的电压灵敏度最高(电桥的第一种对称形式)nR1 = R3, R2 = R4, 线性较好,(电桥的

20、第二种对称形式)即n=1 时, Ku 为最大。第35页/共76页等臂电桥是其中的一个特例, 这时有：1111114(1)2scRUURRR114scRUURUKu41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。 第36页/共76页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 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： 4SCURUR第37页/共76页(2) 双臂电桥相邻臂工作： 相对臂工作： 2scURUR2scURUR第38页/共76页(3

21、) 全臂电桥scRUUR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：第39页/共76页三、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 2.19Z1，Z2，Z3，Z4为复阻抗，电源电压、输出电压均应用复数表示。第40页/共76页输出电压的特性方程为：14231234()()scZ ZZ ZUUZZZZ 平衡条件：03241ZZZZ4321ZZZZ12341111222233334444jjjjZrjX

22、z eZrjXz eZrjXz eZrjXz e 或设电桥臂阻抗为交流平衡条件可以写为： 31241423zzzz模满足一定的比例关系，且相对桥臂的幅角和必须相等第41页/共76页考虑到电桥的起始平衡条件并略去分母中含Z1项， 得11111111211141(1)scZUUZRZj RCRZj RC第42页/共76页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。

23、第43页/共76页2.2.1 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 )1 (ERRl)1(RR半导体材料的压阻系数弹性模量第44页/共76页对半导体材料而言，l E (1+)，故(1+)项可以忽略llERR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 ERRKl/上一页返 回下一页第45页/共76页上一页返 回下一页2.2.2 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 第46页/共

24、76页1. 体型应变片结构型式及特点体型应变片结构型式及特点 优点：灵敏系数大；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 回下一页第47页/共76页2. 测量电路测量电路 恒压源 恒流源)/(0tRRRUURIU0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。第48页/共76页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。

25、待测物理量（应变）R/R （） USC第49页/共76页2.3.1、应变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、悬臂式等第50页/共76页一、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： F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FLFLEEA第51页/共76页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

26、桥路连接方法及信号输出:12341423(1)2scRRRRRRRRRRRRUUR 第52页/共76页温度补偿提高灵敏度 横向粘贴的应变计作用：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。第53页/共76页二、 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！F测量应变等截面悬

27、臂梁:26FlEbh E等强度悬臂梁:bh26FlEbh E第54页/共76页如何粘贴应变计？应变片桥路连接方法:等截面悬臂梁:等强度悬臂梁:(a)等截面梁; (b)等强度梁 图2.30 几种梁式传感器外形 第55页/共76页应变片桥路连接方法及信号输出:scRUUUkR这样， 测出应变， 即可得到载荷F。 ()()scRRUfKUf FRRscRUFR 测量第56页/共76页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

28、特点。第57页/共76页三.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,且有正有负,便于接成差动电桥。R1R2R3R4R1R2R3R4(a)(b)第58页/共76页表2.1 几种应变式测力与称重传感器的性能 第59页/共76页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。第60页/共76页2.3

29、.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22(2)(1)pDEd式中,p为被测压力,D为圆筒外径,d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。 第61页/共76页R1R2R3R4r00.58r0(a)(b)prt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第62页/

30、共76页222222223(1)(3)83(1)()8rtpRxEhpRxEh 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。 第63页/共76页 在膜片中心即x=0处,r和t均达到正的最大值,即22maxmax23 (1)8rtpREh而在膜片边缘,即x=R处,t=0,而r达到负的最大值(最小值)。22min23 (1)4rpREh 第64页/共76页三.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。

31、ppp应变片第65页/共76页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。2146352143第66页/共76页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 回下一页第67页/共76页工作原理： 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。 )31 ()1(83)3()1(8322022202rrhprrhptr设计时，适当安排电阻的位置，可以组成差动电桥。 上