ch2电阻应变式传感器及其应用(传感器原理及其应用(精)

1、第 2 章电阻应变式传感器及应用血第 2 章电阻应变式传感器及其应用电阻式传感器；将被测非电量转变成电阻值，通过 测量电阻值达到测量非电量的目的。分类：电阻应变式、压阻式和热电阻式利用电阻式传感器可以测量形变、压力、力、位移、 加速度和温度等非电量参数。血第 2 章电阻应变式传感器及其应用思考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？思考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?2.1应变式传感器内容安排金属：应变式传感器按材料分彳半导体：压阻式传感器掌握重点：品第 2 章电阻应变式传感器及其应用金属应变片式传感

2、器的核心元件是金属应变片，它可将试 件上的应变变化转换成电阻变化。优点：精度高，测量范围广2频率响应特性较好3结构简单，尺寸小，重量轻4可在高（低）温、高速、高压、强烈振动、强磁场及核辐射和化学腐蚀等恶劣条件下正常工作价格低廉，品种多样，便于选择血第 2 章电阻应变式传感器及其应用缺点：具有非线性，输出信号微弱，抗干扰能力较差，因 此信号线需要采取屏蔽措施；只能测量一点或应变栅范围 内的平均应变，不能显示应力场中应力梯度的变化等；不 能用于过高温度场合下的测量。易态化第 2章电阻应变式传感器及其应用各种电子秤各种电子秤M 碁第 2 章 电阻应变式传感器及其应用高#电子九车衡1、金属电阻应变效应

3、基于金属的应变效应：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。若导电丝在轴向受到应力的作用，其长度变化AZ,截面积变 化AA,电阻率变化Ap,而引起电阻变化AR,则A=A/_AA+ApR I A p血第 2 章电阻应变式传感器及其应用金属电阻应变片工作原理长为人截面积为A、电阻率为P的金属或半导体丝,电阻：R=4A电阻应变式传感器及其应用d ,_N.AA 2AJA = 7T 1- =-4A dd IdA=xnr（材料的泊松系数）A/? A/Zi xfA/=（1 + 2“）+厶=心R Ip0IAT?/ R , f/ p=-= 1 + 2“ + _M/lMil为单根导电

4、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。物理意义：单位应变引起的电阻相对变化。伦由两部分组成：前一部分（1+2/） :由材料的几何尺寸变化引起， 一般金属 严0.3,因此（1+2 ）1.6；式中后一部分先需:电阻率随应变而引起的（称“压阻效应”p =0.250. 5,故k0=l+2p 1. 52；对半导体：TTE比l+2p大得多，並值主要由电阻率相对变化 所决定。压阻系数TT =(40-50) X 10-1 Iiu2/N,杨氏模量E=l. 67X1011Pa,则TTE50100,故(l+2p )可忽略不计。可见，半导体灵敏度要比金属大50100倍。实验表明，在金属丝拉伸比

5、例极限内，电阻相对变化与轴向应变成正比。器及其应用2、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，但基本构造人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o敏感栅上贴有盖片(即保护血第 2 章电阻应变式传感器及其应用A/?/=1 +2“ +对金属材料:以前者为TT E很小，可忽略不计,片)。11)馭感悯由金属细丝绕成栅形。电阻应变片的电阻值为600、120Q、200Q等多种规格,以120Q最为常用。应变片栅长大小关系到所测应变的准确度，应变片测得的应变大小是应变片栅长和栅宽所在面积内的平均轴向应

6、(2)基底和盖片基底和盖片基底用于保持敏感栅、引线的几何形状和相对位置，盖片既保持敏感栅和引线的形状和相对位置，还可保护敏感栅(3)引线引线是从应变片的敏感栅中引出的细金属线。对引线材料的性能要求：电阻率低、电阻温度系数小、抗 氧化性能好、易于焊接。大多数敏感栅材料都可制作引线。(4)粘结剂粘结剂用于将敏感栅固定于基底上，并将盖片与基底粘贴在一起分，粘贴在绝缘的基片上，其上变量。敏感粘贴起保护作用的覆盖层，两端焊接引出导线。电阻应变式传感器及其应用图示为其构造简图：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，川粘合剂贴在绝缘的基片上。敏感 栅上贴有盖片（即鑒庄丄.血第 2 章

7、电阻应变式传感器及其应用应变计的分类: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:按金属式*半导:常用金属应变片的敏感栅有丝式、箔式、薄膜式等对金属:金属丝式应变片:金属箔式应变片:薄膜应变片: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结及其它品第 2 車电阻应变式|（1）丝式应变计丝式应变计是最早应用的品种。金属弯曲部分可做成圆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）横向

8、效应：应变片除了有纵向的丝栅外，还有圆弧形或直线形的横栅。横栅即对轴向的应变敏感，也对垂直于轴向的横向应变敏感。当把应变片粘贴在一维应力F作用下的工件上时，纵向丝栅由于产生纵向应变，电阻值增加。而横栅由于纵向应变和横向应变的影响，电阻值减小。实际上横向丝栅将纵向丝栅电阻的变化抵消了一部分。应变片的这种既受轴向应变影响，又受横向应变影响而引起电阻变化的现象称为横向效应。图2.3弧、 锐角或即U型、V点私第 2 章电阻应变式传感器及其应用金属丝弯曲部分成 弧（U）形，是最早常 用的一种形式，制作 简单但横向效应较大血第 2 章电阻应变式传感器及其应用（2）金属箔式应变计:箔式应变计的线栅是通 过光

9、刻、腐蚀等工艺制 成很薄的金属薄栅（厚度一般在0.0030.01mm）)(c) （3）薄膜应变计薄膜式应变计是釆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197317C）,也可用于核辐射等特 殊情况下。敏感元件常用的材料：康铜（铜謀合金）、镰铅合金、铁钻铝合金、铁葆辂合金等，常温下使用的应变计多由康铜制成。二、金属电阻应变计的主要特性1、应变计的特点优点:A 灵敏度和精确度高：能测12微应变，误差一般小于1%；A 测量范围大：从弹性变形一直可测至塑性变形;具有良好的动态响应；

10、A 能适应高温、高压、强磁场以及辐射等恶劣环境;血第 2 章电阻应变式传感器及其应用重: 轻， 对价格低廉、品种多样，便于选择和大量使用。血第 2 章电阻应变式传感器及其应用缺点：在大应变下具有较大的非线性；A 输出信号较微弱，抗T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。应变应变丝的灵敏度系数金属电阻A7?R应变计k 坐标为X和w Wxi=)V4-L/2, x2=k/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。线性度试件的应变和电阻的相对变化AR/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%

11、或1 %以内。為第 2 章电阻丿应变极限频率的增应变计正处于5.应变计的其他特性参数粘贴在试件上的应变计所能测量的最大应变值。在一定的温度下，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%吋,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AR/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。0零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。应变计的内应力逐渐变化；粘接剂固化不充分等。固体材料在保持应

12、力不变的条件下，应变随时间延长而 增加的现象。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。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。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。零漂的主要原因是:【感栅通过工作电流后的温度效应;变式传感器及其应用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。但是：过大的工作电流使应变计过热，灵敏系数变化,零漂i蠕变增加i甚至烧坏座变讦一一一_-=一 工作电流选取：根据散热

13、条件而定，主要取决于敏感栅的几何尺寸；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；试件的散热性能等。通常静态测量时约取25 mA左右，动态测量时可高一些,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。国内应变计系列习惯上选用120、175、350、500、1000、15000。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100

14、mm或更 长一一最大工作A/?,=Rt %=傀/其应用A 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 2章电阻应应变计安装在自由膨胀的试件上, 及时试件不受任何外力作用，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。温度温度为为t(/c时的时的电阻电阻值值应变片阻值随爾度的关系:Rf电阻温电阻温度系数度系数温度变化At,电阻的变化值：=凡(1A 电阻温度系数的影响温度温度为为t

15、C时时 的的电阻电阻值值宓第 2 章电阻应变式传感器及其应用(-)温度补偿方法1、电桥补偿法常用且效果较好的补偿法工作应变片贴在试件上，补偿片贴在相同材料的补 偿件上，补偿件不受力，并接入电桥相邻臂。补偿件与被 测件处于完全相同的温度场内。温度变化使工作片与补偿片产生的电阻变化温度变化使工作片与补偿片产生的电阻变化AR”的的 电电阻变化阻变化ARB珅笋珅笋, ,电桥输出电桥输出Ug与温度无关，从与温度无关，从 両补偿了両补偿了議而温度误差議而温度误差RiRe血第 2 章电阻应变式传感器及其应用工作片、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。o U o2、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。3、应变计自补偿法方法：釆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:测温元件的输出经