电阻式传感器 PPT课件

1、12 2 电阻式传感器电阻式传感器 什么是电阻式传感器？ 是将非电量（如力、位移、形变、速度和加速度等）的变化量，转换成与之有一定关系的电阻值的变化，再经过转换电路变成电信号输出的器件或装置。 第1页/共77页2金属丝受拉时，l、r、 变化，导致R 改变导电材料的应变电阻效应导电材料的应变电阻效应2llRAr第2页/共77页导电材料的应变电阻效应导电材料的应变电阻效应第3页/共77页4222dArdrdrArr 电阻丝截面通常是圆形， ,对 微分,得2Ar r2dArdr 径向drr 材料的径向线应变导电材料的应变电阻效应导电材料的应变电阻效应2dAA dll 材料的轴向线应变，单位6(11

2、10/)mm mm =(1+2 )dRdldAdRlAd 对于金属导体或半导体，电阻率相对变化的受力效应是不一样的，需要分别讨论。第4页/共77页5dVAdlldA=2=(1-2 ) dVdldAVlA =(1-2 ) ddVCCV = ddVCV 金属材料的应变电阻效应导电材料的应变电阻效应导电材料的应变电阻效应第5页/共77页6(12 )(1 2 )mRCKR(12 )(1 2 )mKC金属丝材的应变灵敏系数 =(1+2 )(1+2 )(1-2 ) dRdldAdRdlAC RR导电材料的应变电阻效应导电材料的应变电阻效应第6页/共77页7 dE (12 )sREKR12sKE 半导体材料

3、的应变灵敏系数 半导体材料的应变电阻效应导电材料的应变电阻效应导电材料的应变电阻效应 E第7页/共77页0RKR 8 导电丝材的应变电阻效应为： 012sKKE 对于半导体材料： 0(1 2 )sKKE 导电材料的应变电阻效应导电材料的应变电阻效应0K对于金属材料： 0(12 )(1 2 )mKKC第8页/共77页9电阻应变计的结构与类型电阻应变计的结构与类型敏感栅基底(a)丝式 (b)箔式 (c)半导体1敏感栅 2基底 3引线 4盖层 5粘结剂 6电极应变计的结构第9页/共77页10电阻应变计的结构与类型电阻应变计的结构与类型 (a)丝式 (b)箔式 (c)半导体1敏感栅 2基底 3引线 4

4、盖层 5粘结剂 6电极第10页/共77页11电阻应变计的结构与类型电阻应变计的结构与类型应变计的类型NoImage按敏感栅取材，基本可分为金属应变计和半导体应变计两大类。按敏感栅的制造方法： 第11页/共77页12常用应变计的形式电阻应变计的结构与类型电阻应变计的结构与类型第12页/共77页13电阻应变计的结构与类型电阻应变计的结构与类型丝式应变片1电阻丝，2基片，3覆盖层，4引出线第13页/共77页14电阻应变计的结构与类型电阻应变计的结构与类型第14页/共77页15电阻应变计的结构与类型电阻应变计的结构与类型箔式应变片 利用照相制版或光刻技术，将厚约为0.0030.01mm的金属箔片制成敏

5、感栅。第15页/共77页16电阻应变计的结构与类型电阻应变计的结构与类型箔式应变片的优点第16页/共77页17电阻应变计的结构与类型电阻应变计的结构与类型薄膜应变片 采用真空沉积或高频溅射等方法，在绝缘基片上形成厚度在0.1mm以下的金属电阻材料薄膜的敏感栅厚度大约为箔式应变片的十分之一以下。 优点：应变灵敏系数大，可靠性好，精度高，容易做成高阻抗的小型应变片，无迟滞和蠕变现象，具有良好的耐热性和冲击性能等。用化学气相淀积法制备薄膜，以其成膜温度低、可靠性好、系统简单等。第17页/共77页18电阻应变计的结构与类型电阻应变计的结构与类型半导体应变片 体型：利用半导体材料的体电阻制成。 扩散型：

6、在半导体材料的基片上利用集成电路工艺制成扩散型电阻。 由于半导体（如单晶硅）是各向异性材料，因此它的压阻效应不仅与掺杂浓度、温度和材料类型有关，还与晶向有关（即对晶体的不同方向上施加力时，其电阻的变化方式不同）。第18页/共77页19应变计金属应变计电阻应变计的结构与类型电阻应变计的结构与类型稳 定 性 和温 度 特 性好优点灵 敏 度 系数小缺点第19页/共77页20应变计半导体应变计电阻应变计的结构与类型电阻应变计的结构与类型优点缺点第20页/共77页212.2 2.2 电阻应变计的主要特性电阻应变计的主要特性 第21页/共77页22静态特性静态特性 静态特性是指感受试件所受应力不随时间变

7、化或变化缓慢时的输出特性。 静态特性静态特性第22页/共77页23静态特性静态特性1 灵敏系数（K） 安装在被测试件上的应变计，在其轴向受到单向应力时，引起的敏感栅的电阻相对变化与此单向应力引起的试件表面轴向应变之间具有线性关系。静态特性静态特性在一定的应变范围内有：RKR应变计的灵敏系数K敏感栅整长金属丝的灵敏系数K0原因：K除了受到敏感栅结构形状成型工艺、粘接剂和基底性能的影响外，尤其受到栅端圆弧部分横向效应的影响。第23页/共77页242 横向效应及横向效应系数H 金属丝式应变计由于敏感栅的两端为半圆弧形的横栅，测量应变时，构件的轴向应变使敏感栅电阻发生变化，而其横向应变也使敏感栅半圆弧

8、部分的电阻发生变化。 静态特性静态特性轴向拉伸横向收缩xy圆弧部分使灵敏度下降了第24页/共77页252 横向效应及横向效应系数H静态特性静态特性100%yxKHK0(1)xxyyxxKRKKHR横向灵敏系数，当纵向应变为零时，单位横向应变 引起的电阻相对变化 双向应变灵敏系数比纵向灵敏系数，当横向应变为零时，单位轴向应变 引起的电阻相对变化 xKy yKHx 敏感栅越窄、基长越长的应变片，其横向效应引起的误差越小。第25页/共77页263 机械滞后（Zj）静态特性静态特性第26页/共77页274 蠕变和零漂P0静态特性静态特性解决：选择弹性模量较大的粘结剂和基底材料，适当减薄胶层和基底，充分

9、固化。 第27页/共77页28 当试件输入的真实应变超过某一限值时，应变计的输出特性将出现非线性。在恒温温度下，使非线性误差达到10%时的真实应变值，称为应变极限。 5 应变极限lim8000静态特性静态特性第28页/共77页29 动态特性动态特性第29页/共77页302.3 2.3 电阻应变计的应用电阻应变计的应用第30页/共77页312.3 2.3 电阻应变计的应用电阻应变计的应用应变片的粘贴第31页/共77页322.3 2.3 电阻应变计的应用电阻应变计的应用第32页/共77页332.3 2.3 电阻应变计的应用电阻应变计的应用第33页/共77页342.3 2.3 电阻应变计的应用电阻应

10、变计的应用第34页/共77页352.3 2.3 电阻应变计的应用电阻应变计的应用第35页/共77页36U：电源电压 U0：输出电压R1 R2 R3 R4 ：纯电阻 RL：负载电阻2.4 2.4 测量电路测量电路当初始有R1 R3 = R2 R4，则电桥输出电压或电流为零，此时电桥处于平衡状态平衡条件： R1 R3 = R2 R4 或R1 /R2 = R4/ R3 直流电桥 电阻应变片将应变转换为电阻的变化量，测量电路将电阻的变化再转换为电压或电流信号，最终实现被测量的测量。工作时，各桥臂阻值变化，则输出电压U00第36页/共77页372.4 2.4 测量电路测量电路直流电桥(电压输出桥的输出特

11、性)输出端接高阻抗放大器( (RL= ) )，可视为开路014123413241234()()()BDBDUUUURRURRRRR RR RURRRR第37页/共77页382.4 2.4 测量电路测量电路直流电桥(电压输出桥的输出特性) 电桥初始平衡，四臂工作 R1、R2、R3、R4都为电阻应变片，随被测参数变化而变化111222333444,RRRRRRRRRRRR11332244011223344()()()()()()RRRRRRRRUURRRRRRRR桥路平衡被破坏，此时输出的电压为：第38页/共77页39等臂电桥： R1 = R3 = R2 =R4=R 分母中 Ri / R是造成输出

12、量的非线性因素， 考虑 Ri R3124012341234()()44RRRRUUUKRRRR2.4 2.4 测量电路测量电路直流电桥(电压输出桥的输出特性)12341324012343312412412341234()(2)(2)1()1()42RRRRRRRRRUURRRRRRRRRRRRRRURRRRRRRR相邻桥臂间为相减关系，相对桥臂间为相加关系。第39页/共77页402.4 2.4 测量电路测量电路1014RUUR单臂电桥：R1为工作应变片，由于应变而产生相应的电阻变化R1 R2、R3、R4为固定电阻直流电桥(电压输出桥的输出特性)第40页/共77页412.4 2.4 测量电路测量

13、电路半桥双臂电桥：R1、 R2为工作应变片，由于应变而分别产生相应的电阻变化R1、 R2R3、R4为固定电阻12012()4RRUURR直流电桥(电压输出桥的输出特性)第41页/共77页422.4 2.4 测量电路测量电路全桥四臂电桥：R1、 R2、 R3、R4都为工作应变片，由于应变而分别产生相应的电阻变化R1、 R2、 R3、 R4312401234()4RRRRUURRRR直流电桥(电压输出桥的输出特性)第42页/共77页432.4 2.4 测量电路测量电路直流电桥(电压输出桥的输出特性) 上述讨论电桥工作状态时，是假设应变片的参数变化很小，在求电桥输出电压时忽略了分母中的Ri/Ri，从

14、而得到了线性关系式的近似值。但如果应变片承受较大应变时，分母中的Ri/Ri项不能忽略，此时得到的输出特性是非线性的。下面就以单臂电桥为例，计算非线性误差的大小。第43页/共77页44电桥的非线性近似：准确：非线性误差：1014RUUR110111/(1)42RRUURR10011101122LRUURKeRUKR 2.4 2.4 测量电路测量电路直流电桥(电压输出桥的输出特性)对于金属丝应变片，因为灵敏系数小，非线性误差可以忽略；而对于半导体应变片，灵敏系数比金属丝大得多，感受应变时R较大，所以非线性误差不能忽略。 书P50第44页/共77页45差动电桥补偿法2.4 2.4 测量电路测量电路3

15、31241240123412341()1()42RRRRRRRRUURRRRRRRR使 接 入 电 桥 的 相 对 臂 应 变 计 受 拉（ R1 / R1 , R3 / R3 ），相邻臂应变片受压（ -R2 / R2 , -R4 / R4 ）直流电桥(电压输出桥的输出特性)第45页/共77页46差动电桥补偿法（全桥）2.4 2.4 测量电路测量电路全等臂电桥： R1=- R2 = R3 =- R4 输出电压：101RUUR 四臂差动工作，不仅消除了非线性误差，而且输出比单臂工作提高了4倍。R1=R2= R3=R4 直流电桥(电压输出桥的输出特性)第46页/共77页47差动电桥补偿法（半桥）2

16、.4 2.4 测量电路测量电路全等臂电桥： R1=- R2输出电压：1012RUURR1=R2= R3=R4 直流电桥(电压输出桥的输出特性)第47页/共77页48恒流源电桥补偿法2.4 2.4 测量电路测量电路 应变电桥非线性误差的成因，主要是由于应变电阻的变化引起工作臂电流的变化所致，即工作过程中通过桥臂的电流不恒定。因此有时用恒流源给桥路供电。 采用恒流源比采用恒压源的非线性误差大约减小一倍。一般半导体应变片的桥路都采用恒流源供电。直流电桥(电压输出桥的输出特性)第48页/共77页492.4 2.4 测量电路测量电路49 交流电桥 直流电桥的优点是电源稳定、电路简单，仍是目前的主要测量电

17、路。但由于直流放大器容易产生零点漂移和工频干扰等问题，在有些情况下会采用交流电桥。 交流电桥采用交流供电，其放大电路简单、无零点漂移，不易受干扰，但需专用的测量仪器或电路，不易取得高精度。第49页/共77页502.4 2.4 测量电路测量电路平衡条件：原理：与直流电桥相同 输入输出：直流 - 交流，电阻 - 阻抗 1324Z ZZ Z13241 324z zz z电桥调平：在确保试件在未受载、无应变的初始条件下， 应变电桥满足平衡条件，初始输出为零 交流电桥ijiiiiZRjXz e 13312442R XR XR XR X13241324R RR RX XX X和第50页/共77页512.4

18、 2.4 测量电路测量电路51 电桥调平： 一般电桥 全等臂电桥 3241R CR C132412RRRRCC交流电桥第51页/共77页522.5 2.5 电阻应变计的温度效应及其补电阻应变计的温度效应及其补偿偿温度效应 单纯由温度变化引起应变计电阻变化的现象主要原因n电阻的热效应，即敏感栅金属丝自身随温度产生的变化n被测试件与敏感栅材料线膨胀系数不一致，导致应变计产生附加应变，从而造成电阻变化()tstRtKtR 第52页/共77页53单丝自补偿法：选择敏感栅的合金材料 制造简单、使用方便双丝自补偿法：应变片由两个电阻丝(Ra,Rb)串联，电阻温度系数一正一负，抵消2.5 2.5 电阻应变计

19、的温度效应及其补电阻应变计的温度效应及其补偿偿()tstK 温度自补偿法选配敏感栅材料与结构参数来实现热输出补偿abRR 第53页/共77页542.5 2.5 电阻应变计的温度效应及其补电阻应变计的温度效应及其补偿偿桥路补偿法利用电桥的和、差原理来补偿双丝半桥补偿法：应变片的敏感栅由两个电阻丝(R1, R2)串联，温度系数符号相同 R1 -工作栅，R2-补偿栅，RB-外接电阻，对温度不敏感调整RB，使相邻桥臂热输出相等使用方便，适用范围广；对RB精度要求高，灵敏度降低 1212()()ttBRRRRR第54页/共77页552.5 2.5 电阻应变计的温度效应及其补电阻应变计的温度效应及其补偿偿

20、桥路补偿块法 工作片R1粘贴在试件上需要测量应变的地方，补偿片R2粘贴在一块不受力的与试件相同的材料上，这块材料自由地放在试件上或附近。 当温度发生变化时，工作片R1和补偿片R2的电阻都发生变化，而它们的温度变化相同，R1与R2为同类应变片，又贴在相同的材料上，因此R1和R2的变化也相同，即R1=R2。 当R1和R2分别接入电桥的相邻两桥臂，因温度变化引起的电阻变化使R1和R2的作用相互抵消，这样就起到了温度补偿的作用。第55页/共77页562.6 2.6 电阻应变计式传感器电阻应变计式传感器第56页/共77页572.6 2.6 电阻应变计式传感器电阻应变计式传感器 组成：弹性元件：第57页/

21、共77页582.6 2.6 电阻应变计式传感器电阻应变计式传感器 球面 高硬 悬梁式结构 侧向力能力强 差动布片 灵敏度较高 全等臂电桥 电子称 测力仪第58页/共77页592.6 2.6 电阻应变计式传感器电阻应变计式传感器 球面 高硬 筒式结构 抗偏载和侧向力能力强 差动布片 灵敏度较高 全等臂电桥 测力仪 轨道衡 汽车衡第59页/共77页602.6 2.6 电阻应变计式传感器电阻应变计式传感器悬臂梁式等截面梁： 如右图所示，等截面梁的横截面积处处相等。当外力F作用在梁自由端时，固定端产生的应变最大，粘贴在应变处的应变为026 Flbh E等截面梁测力时因为应变片的应变大小与力作用的距离有

22、关，所以应变片应粘贴在距离固定端较近的表面，顺梁的长度方向上下各粘贴两应变片，上面两个受压时下面两个受压，应变大小相等，极性相反，四个应变片组成全桥。第60页/共77页612.6 2.6 电阻应变计式传感器电阻应变计式传感器应变片在悬臂梁上的粘贴及变形 第61页/共77页622.6 2.6 电阻应变计式传感器电阻应变计式传感器悬臂梁式等强度梁： 如右图所示，悬臂梁长度方向的截面积按一定规律变化，是一种特殊形式的悬臂梁。当力F作用在自由端时，距作用点任何位置横截面上的应力处处相等。应变片处的应变大小为26 Flbh E因在力作用下梁表面整个长度上产生大小的应变，所以等强度梁对应变片的粘贴位置要求

23、不高。第62页/共77页632.6 2.6 电阻应变计式传感器电阻应变计式传感器柱式lFlEAE第63页/共77页642.6 2.6 电阻应变计式传感器电阻应变计式传感器应变式荷重传感器的外形及应变片的粘贴位置FR1R2 R4第64页/共77页652.6 2.6 电阻应变计式传感器电阻应变计式传感器荷重传感器上的应变片在重力作用下产生变 形 , 轴 向 变短，径向变长。 第65页/共77页662.6 2.6 电阻应变计式传感器电阻应变计式传感器第66页/共77页典型例题67解 (1) 应变片的电阻相对变化量为 62.05 800 100.164%RkR 应变片的电阻变化量为120 0.164%

24、0.197RRRR(2) 惠斯登电桥的输出电压为0110.164% 31.2344RUUmVR 第67页/共77页典型例题26PbEwt 第68页/共77页典型例题典型例题69例2 解 (1)为了提高灵敏度，将四个应变片分成两组，一组粘贴在梁的上表面，另一组粘贴在梁的下表面，应变片中心与自由端之间的距离皆为b，如下图(a)所示。这样做，可以使上下两组应变片的应变大小相等符号相反，相应的测量桥路如图(b)所示。(a)应变片粘贴方法(b)测量桥路第69页/共77页典型例题典型例题70例2 解 (2)R1、R3粘贴在梁的上表面感受拉应变，R1、R3的电阻相对变化量为3312113261366 2 100 100 100.12%2 1020 10510RRKPbkRREwt R2、R4粘贴在梁的下表面感受压应变，感受到的压应变与R1、R3感受的拉应变大小相等符号相反，