第2章 应变式传感器(4)

1、 电阻式应变传感器作为测力的主要传感器，测电阻式应变传感器作为测力的主要传感器，测力范围小到肌肉纤维，大到登月火箭，精确度可到力范围小到肌肉纤维，大到登月火箭，精确度可到 0.010.1%0.010.1%。有拉压式（柱、筒、环元件）、弯曲。有拉压式（柱、筒、环元件）、弯曲式、剪切式。式、剪切式。 应变式传感器特征：应变式传感器特征： 材料类型材料类型: :金属应变片、半导体应变片金属应变片、半导体应变片 应用范围应用范围: :应变力、压力、转矩、位移、加速度；应变力、压力、转矩、位移、加速度； 优优 点点: :使用简单、精度高、范围大体积小。使用简单、精度高、范围大体积小。 各种电子秤各种电子

2、秤广泛应用于广泛应用于高高 精精 度度 电电 子子 汽汽 车车 衡衡 动态电子秤动态电子秤电子天平电子天平lRSRlSRlS结论：金属材料的结论：金属材料的 主要受主要受影响；非金属材料主要受影响；非金属材料主要受影响！影响！0/12RRk LLLLLLpRR)21()21(设0)21(KLLpRRRR/(12 ) 1敏感元件 2、4基底 3引线应变片组成应变片组成 应变片结构应变片结构箔式应变片结构箔式应变片结构1 应变片的检查与选择应变片的检查与选择2 试件的表面处理试件的表面处理3 底层处理底层处理4 贴片贴片5 固化固化6 粘贴质量检查粘贴质量检查7 引线焊接与组桥连接引线焊接与组桥连

3、接v 半导体应变片又称压阻式传感器半导体应变片又称压阻式传感器 优点：灵敏度高、耗电少、有正负两种应力效应。优点：灵敏度高、耗电少、有正负两种应力效应。 缺点：受温度影响较大。缺点：受温度影响较大。 l 半导体材料的灵敏系数半导体材料的灵敏系数主要由压阻效应引起的电阻主要由压阻效应引起的电阻 率率的变化；灵敏系数远大于金属应变片的灵敏系数。的变化；灵敏系数远大于金属应变片的灵敏系数。 012KE050100K 对半导体对半导体 0/12/R RK 已知固体受力引起的电阻变化为：已知固体受力引起的电阻变化为： 按材料分：按材料分： 金属式：金属式： 丝式、箔式、薄膜型丝式、箔式、薄膜型 半导体式

4、：半导体式： 体型体型、薄膜型、扩散型、外延型、薄膜型、扩散型、外延型、PNPN结型结型 按结构分：单片、双片、特殊形状按结构分：单片、双片、特殊形状 按使用环境：高温、低温、高压、磁场、水下按使用环境：高温、低温、高压、磁场、水下 体型半导体电阻应变片体型半导体电阻应变片对比对比 半导体 压阻效应 内部结构 电阻率变化 金属导体 电阻效应 机械形变 电阻值变化 性能指标性能指标使用面积电阻值灵敏度系数基底材料和形式最大允许工作电流极限温度电阻温度系数灵敏度温度系数应变极限动态特性被测体应变片应变片 应变片温度误差。应变片温度误差。v 因环境温度改变引起的附加电阻变化与环境温因环境温度改变引起

5、的附加电阻变化与环境温 度变化度变化tt有关；有关； v 应变片本身的性能参数应变片本身的性能参数t t、ss； v 试件参数试件参数gg有关。有关。电阻丝阻值与温度关系：电阻丝阻值与温度关系： 0001tttRRtRRt0tgsRRKt因试件使应变片电阻产生附加形变造成的电阻变化因试件使应变片电阻产生附加形变造成的电阻变化00tttRRRRt温度变化温度变化tt时电阻丝的电阻变化时电阻丝的电阻变化当温度变化时当温度变化时 RR1 1=R=RB B，电桥平衡，电桥平衡， 当有应变时当有应变时 R R1 1有增量有增量, ,正比于正比于KK， 补偿片补偿片R RB B无变化无变化 RRB B=0

6、 =0 电桥输出电桥输出 U U0 0与温度无关与温度无关 双丝法双丝法 R1、R2 温度系数互补 直流电桥平衡条件直流电桥平衡条件 负载负载R RL L（开路）（开路） 3101234RRRUERRRRR 1423R RR R1234/RRRR电桥平衡时电桥平衡时 I I0 0=0 U=0 U0 0=0=0 对臂积相等对臂积相等 邻臂比相等邻臂比相等 设设R R1 1为应变片，应变时为应变片，应变时R R1 1变化量为变化量为RR1 1， 这时电桥失衡，不平衡输出电压为：这时电桥失衡，不平衡输出电压为： 3101234RRRUERRRRR 4311112143(/)(/)(1/) 1/RRR

7、RERRRRRR21unkEn电桥灵敏度定义为：电桥灵敏度定义为： 11/RR0211nRUERn电桥输出：电桥输出：在分母在分母中忽略中忽略设设 n=R2/R1=R4/R3即即 R1 R1讨论：讨论： 电桥电压灵敏度电桥电压灵敏度KuKu越大，越大， 应变变化相同情况输出电压越大应变变化相同情况输出电压越大 ; ; Ku Ku是桥臂比是桥臂比n n的函数的函数KuKu（n n），）， 恰当选择恰当选择n n可提高电压灵敏度可提高电压灵敏度Ku;Ku; Ku Ku与电桥电源与电桥电源E E成正比成正比KuEKuE， 但供电受应变片允许功耗限制但供电受应变片允许功耗限制; ; 讨论：讨论： 显然

8、显然 n=1 R1=R2 R3=R4时，时，Ku最大最大 210udkndndn4uEK 单臂工作片电压灵敏度：单臂工作片电压灵敏度： 104REUR 桥路输出电压：桥路输出电压： 等臂电桥等臂电桥n=1n=1时时, , 由上式近似得到：由上式近似得到： 112LRR11011(1) (1)RnRUERnnR实际输出值为：实际输出值为：0011011/1/LUURRUnRR非线性误差：非线性误差： 可见非线性误差与可见非线性误差与RR1 1/R/R1 1成正比成正比 为减小非线性误差常采用差动电桥为减小非线性误差常采用差动电桥 u差动电桥：在试件上安装两个工作片，一个受拉、差动电桥：在试件上安

9、装两个工作片，一个受拉、 一个受压接在电桥的相邻两个臂，电桥输出为：一个受压接在电桥的相邻两个臂，电桥输出为：3110112234RRRUERRRRRR12RRR 2uEK 半桥电压灵敏度为半桥电压灵敏度为： 讨论：讨论： 输出电压输出电压U U0 0与与 R/RR/R呈线性关系，无非线性误差；呈线性关系，无非线性误差； 电压灵敏度是单桥的两倍；电压灵敏度是单桥的两倍； 具有温度补偿作用。具有温度补偿作用。02ERUR半桥半桥电桥输出电桥输出： 全桥：全桥： 将四臂按对臂同性接四个工作片称全桥。将四臂按对臂同性接四个工作片称全桥。 若若RR1 1=R=R2 2=R=R3 3=R=R4 4 10

10、1RUER 全桥电压输出：全桥电压输出： uKE 全桥电压灵敏度为：全桥电压灵敏度为： 在在 R R R1 R1时，时，U UO O与应变成线性关系与应变成线性关系 相邻两臂，方向相反相邻两臂，方向相反 相对两臂，方向相同相对两臂，方向相同 lFlESE 012RUER v 等截面梁：等截面梁： 悬臂梁的横截面积处处相等，所以称等截面梁。悬臂梁的横截面积处处相等，所以称等截面梁。 当外力当外力F F作用在梁的自由端时，固定端产生的应作用在梁的自由端时，固定端产生的应 变最大，粘贴在应变片处的应变为：变最大，粘贴在应变片处的应变为：026 F lb hE0l26 F lb hE 壳体壳体机座机座aFR1R2m充满硅油Fma 膜片式压力传感器-P28 固态压阻式传感器-P29 结构特点: 单晶硅, 4片桥路集成; 性能特点: 灵敏度高, 固有频率高. 基本原理基本原理: 应变效应和压阻效应应变效应和压阻效应 (横向效应) 应变