传感器第3章(1)应变式

1、电阻式传感器的基本原理是将被测非电量电阻式传感器的基本原理是将被测非电量 转换成电转换成电阻值，通过对电阻值的测量来达到测量非电量的目阻值，通过对电阻值的测量来达到测量非电量的目的。的。主要学习：电阻应变式和固态压阻式。主要学习：电阻应变式和固态压阻式。电阻式传感器电阻式传感器第第 3 3 章章 电阻式传感器电阻式传感器 电阻应变式传感器是一种利用电阻应变片将应变转换为电阻应变式传感器是一种利用电阻应变片将应变转换为 电阻变化的传感器，任何非电量，只要能设法转换为应电阻变化的传感器，任何非电量，只要能设法转换为应变，都可以利用电阻应变片进行测量，因此可用来测量变，都可以利用电阻应变片进行测量，

2、因此可用来测量力、压力、位移、应变、扭矩、加速度等力、压力、位移、应变、扭矩、加速度等 。1.1.电阻应变式传感器构成原理及信号变换原理电阻应变式传感器构成原理及信号变换原理1 1）电阻应变式传感器的构成原理）电阻应变式传感器的构成原理第第 3 3 章章 电阻式传感器电阻式传感器 2) 2) 信号变换原理信号变换原理被测非电量被测非电量x弹性敏感元件弹性敏感元件一定关系x应力应力应变应变挠度挠度y一定关系R电阻变化电阻变化测量电路测量电路一定关系电压电压U电流电流变化量变化量I用符号表示为：用符号表示为：),(yRIU ,反映反映3) 3) 电阻应变式传感器的特点电阻应变式传感器的特点（1 1

3、）理论技术成熟，得到广泛应用于各个领域，）理论技术成熟，得到广泛应用于各个领域，是是 测试和控制的主要方法；测试和控制的主要方法；第第 3 3 章章 电阻式传感器电阻式传感器 （2 2）结构简单、尺寸小，使用方便、性能稳定可靠；）结构简单、尺寸小，使用方便、性能稳定可靠；（3 3）可实现过程中的自动化和多点同步测量及遥测；）可实现过程中的自动化和多点同步测量及遥测；（4 4）灵敏度较高、测量速度快，适合静、动态测量；）灵敏度较高、测量速度快，适合静、动态测量；（5 5）分辨力高能测出极小的应变。）分辨力高能测出极小的应变。（6 6）价格便宜可实现多种物理量的测量。）价格便宜可实现多种物理量的测

4、量。2. 2. 应变片的工作原理应变片的工作原理1 1）构成原理及信号变换原理）构成原理及信号变换原理（1 1）构成原）构成原理理（2 2）变换原）变换原理理x),(R反映反映第第 3 3 章章 电阻式传感器电阻式传感器 3.13.1应变式传感器常用的弹性敏感元件（自学）应变式传感器常用的弹性敏感元件（自学）弹性圆柱（弹性圆柱（F F与与 关系）关系）悬臂梁（等截面梁，变截面梁）悬臂梁（等截面梁，变截面梁） （挠度或位移与（挠度或位移与F F的关系）的关系）弹性圆环（应变挠度与弹性圆环（应变挠度与F F的关系）的关系）周边固支圆形平膜片周边固支圆形平膜片弹性筒弹性筒扭转圆柱扭转圆柱,3.2 3

5、.2 金属应变式传感器金属应变式传感器 电阻应变片可分为电阻应变片可分为金属电阻应变片金属电阻应变片与半导体应变片两类。与半导体应变片两类。3.2.13.2.1金属电阻应变片金属电阻应变片 （一）常见的金属电阻应变片有丝式和箔式两种。（一）常见的金属电阻应变片有丝式和箔式两种。1 1）丝式：主要结构是由做成栅状的电阻丝（敏感栅）、）丝式：主要结构是由做成栅状的电阻丝（敏感栅）、 绝缘基片、覆盖层和引线四部分组成。绝缘基片、覆盖层和引线四部分组成。1 1 基底基底2 2 敏感栅敏感栅3 3 覆盖层覆盖层4 4 引线引线第第 3 3 章章 电阻式传感器电阻式传感器 (1)(1)基底基底 为保持敏感

6、栅固定的形状、尺寸和位为保持敏感栅固定的形状、尺寸和位 置，通常用粘结剂将它固结在纸质或胶质的基置，通常用粘结剂将它固结在纸质或胶质的基 底上。一般为底上。一般为0.020.020.04mm0.04mm(2)(2)敏感栅敏感栅 应变计中实现应变应变计中实现应变- -电阻转换的敏感电阻转换的敏感 元件。其电阻值一般在元件。其电阻值一般在100100以上以上(3)(3)盖层盖层 用纸、胶作成覆盖在敏感栅上的保护用纸、胶作成覆盖在敏感栅上的保护 层；起着防潮、防蚀、防损等作用层；起着防潮、防蚀、防损等作用(4)(4)引线引线 它起着敏感栅与测量电路之间的过渡它起着敏感栅与测量电路之间的过渡 连接和引

7、导作用。连接和引导作用。第第 3 3 章章 电阻式传感器电阻式传感器 （二）金属的电阻应变特性（二）金属的电阻应变特性AlRdAdAldlRdR当金属丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值将发生当金属丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值将发生变化，这种效应称为电阻应变效应。变化，这种效应称为电阻应变效应。设有一段长为设有一段长为l l，截面积为，截面积为A A，电阻率为，电阻率为的导体的导体( (如金属如金属丝丝) )，它具有的电阻为：，它具有的电阻为： 当它受到轴向力当它受到轴向力F F而被拉伸而被拉伸( (或压缩或压缩) )时，其时，其l l、A A和和均发生均发生变化，如图所示，因而导

8、体的电阻随之发生变化。通过对式变化，如图所示，因而导体的电阻随之发生变化。通过对式两边取对数后再作微分，即可求得其电阻相对变化：两边取对数后再作微分，即可求得其电阻相对变化： 第第 3 3 章章 电阻式传感器电阻式传感器 dAdAldlRdR式中式中 材料的轴向线应变，常用单位材料的轴向线应变，常用单位(1(1=1=11010-6-6mm/mm);mm/mm); 其中其中 r r导体的半径，受拉时导体的半径，受拉时r r缩小；缩小； 导体材料的泊松比。导体材料的泊松比。可得：可得： 勃底特兹明勃底特兹明() )通过实验研究发现，金属材通过实验研究发现，金属材料的电阻率相对变化与其体积相对变化之

9、间有如下关系：料的电阻率相对变化与其体积相对变化之间有如下关系： VdVCd xldlxrdrAdA22dRdRx)21 (第第 3 3 章章 电阻式传感器电阻式传感器 式中式中 C C由一定的材料和加工方式决定的常数；由一定的材料和加工方式决定的常数； )21 (/)/()/(SdSldlVdVmKCRdR2121xSK - -金属丝材的应变灵敏系数金属丝材的应变灵敏系数( (简称灵敏系数简称灵敏系数) )。 上式表明：金属材料的电阻相对变化与其线应变成正比。上式表明：金属材料的电阻相对变化与其线应变成正比。这就是金属材料的应变电阻效应。这就是金属材料的应变电阻效应。SKx)21 ( （三）

10、横向效应（三）横向效应金属应变计的敏感栅通常都呈栅状。它由轴向纵栅和圆弧横金属应变计的敏感栅通常都呈栅状。它由轴向纵栅和圆弧横栅两部分组成，如图栅两部分组成，如图(a)(a)所示。由于试件承受单向应力时，所示。由于试件承受单向应力时，其表面处于平面应变状态中，即轴向拉伸其表面处于平面应变状态中，即轴向拉伸xx和横向收缩和横向收缩yy。粘贴在试件表面上的应变计，其纵栅和横栅各自粘贴在试件表面上的应变计，其纵栅和横栅各自主要分别敏感主要分别敏感xx和和yy（如图（如图(b)(b)），从而引起总的电阻相），从而引起总的电阻相对变化为对变化为: :yyxxKKRR第第 3 3 章章 电阻式传感器电阻式

11、传感器 因为因为 ，又令，又令 ，得：，得：xy/CKKxy/xxyyxxCKKKRR)1 ( 结论：结论：1）单丝应变片工作式为）单丝应变片工作式为xKRR / 2）应变栅工作式为）应变栅工作式为xxKCRR)1 (/ 3）因栅灵敏度小于单丝灵敏度，故称横向效应。）因栅灵敏度小于单丝灵敏度，故称横向效应。第第 3 3 章章 电阻式传感器电阻式传感器 ( (四）四）1 1）金属丝式应变片有回线式和短接式二种，如图所示。）金属丝式应变片有回线式和短接式二种，如图所示。回线式最为常用，制作简单，性能稳定，成本低，易粘贴，回线式最为常用，制作简单，性能稳定，成本低，易粘贴，但其应变横向效应较大。但其

12、应变横向效应较大。短接式应变片两端用直径比栅线直径大短接式应变片两端用直径比栅线直径大5 51010倍的镀银丝短倍的镀银丝短接。优点是克服了横向效应，但制造工艺复杂。接。优点是克服了横向效应，但制造工艺复杂。常用材料：康铜、镍铬铝合金、铁铬铝合金以及铂、常用材料：康铜、镍铬铝合金、铁铬铝合金以及铂、铂乌合金等。铂乌合金等。 应变片应变片 a a、回线式、回线式 b b、d d短接式短接式第第 3 3 章章 电阻式传感器电阻式传感器 注：注：应变片的基长用应变片的基长用 表示，基宽用表示，基宽用b表示，表示， 为应变为应变 片的使用面积。片的使用面积。 应变片的阻值系列有：应变片的阻值系列有：6

13、0 ，120 ，350 ， 600 ，1000 。 应变片的规格一般使用面积和电阻值表示例如：应变片的规格一般使用面积和电阻值表示例如： （3x10）mm2，120 。lbl2 2）箔式应变片：是通过光刻、腐蚀等工艺制成一种很薄的）箔式应变片：是通过光刻、腐蚀等工艺制成一种很薄的 金属箔栅，厚度一般在金属箔栅，厚度一般在0.0030.0030.01mm0.01mm之间，任意形状之间，任意形状 线条均匀，尺寸准确，散热好，易粘贴。线条均匀，尺寸准确，散热好，易粘贴。第第 3 3 章章 电阻式传感器电阻式传感器 3 3） 半导体应变片半导体应变片 锗、硅等单晶半导体材料具有压阻效应，即在材料只受拉

14、锗、硅等单晶半导体材料具有压阻效应，即在材料只受拉（压）力，且应力方向与电流方向一致时，电阻率与应力（压）力，且应力方向与电流方向一致时，电阻率与应力成正比，即：成正比，即：xLLEd第第 3 3 章章 电阻式传感器电阻式传感器 xnK1半导体应变片的特点：半导体应变片的特点：1）灵敏度高，比金属应变片要高）灵敏度高，比金属应变片要高5070倍。倍。2）横向效应和机械滞后小，体积小。）横向效应和机械滞后小，体积小。3）温度稳定性差。）温度稳定性差。4）在较大的应变下，灵敏度和非线）在较大的应变下，灵敏度和非线 性误差大。性误差大。由单晶硅、锗一类半导体材料经切型、由单晶硅、锗一类半导体材料经切

15、型、切条。光刻、腐蚀成形，然后粘贴而切条。光刻、腐蚀成形，然后粘贴而成称为体型半导体应变片。成称为体型半导体应变片。另外：薄膜型半导体应变片，扩散型半导体应变片。另外：薄膜型半导体应变片，扩散型半导体应变片。xLERR)21(第第 3 3 章章 电阻式传感器电阻式传感器 3.3 3.3 应变片的主要特性应变片的主要特性3.3.1 3.3.1 应变片的静态特性应变片的静态特性应变片的静态特性时指当应变不随时间变化或缓慢变化时应变片的静态特性时指当应变不随时间变化或缓慢变化时电阻输出值。其主要指标如下：电阻输出值。其主要指标如下： 1.1.灵敏系数灵敏系数K K当具有初始电阻值当具有初始电阻值R

16、R的应变计粘贴于试件表面时，试件受力的应变计粘贴于试件表面时，试件受力引起的表面应变，将传递给应变计的敏感栅，使其产生电引起的表面应变，将传递给应变计的敏感栅，使其产生电阻相对变化阻相对变化R/RR/R 。实验证明，在一定的应变范围内，有。实验证明，在一定的应变范围内，有下列关系：下列关系：xxRRKKRR/第第 3 3 章章 电阻式传感器电阻式传感器 必须指出，应变计的灵敏系数并不等于其敏感栅整长应变必须指出，应变计的灵敏系数并不等于其敏感栅整长应变丝的灵敏系数丝的灵敏系数KK，一般情况下，一般情况下，K KKK。这是因为，在单向。这是因为，在单向应应力产生双向应变的情况下，力产生双向应变的

17、情况下，K K除受到敏感栅结构形状、成型除受到敏感栅结构形状、成型工艺、粘结剂和基底性能的影响外，尤其受到栅端圆弧部分工艺、粘结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。应变计的灵敏系数直接关系到应变测量的横向效应的影响。应变计的灵敏系数直接关系到应变测量的精度。因此精度。因此,K,K值通常采用从批量生产中每批抽样，在规定条值通常采用从批量生产中每批抽样，在规定条件下通过实测确定件下通过实测确定 即应变计的标定。故又称即应变计的标定。故又称K标定灵敏标定灵敏系数。上述规定条件是：系数。上述规定条件是：试件材料取泊松比试件材料取泊松比=0.285=0.285的钢；的钢；试件单向受

18、力；试件单向受力；应变计轴向与主应力方向一致。应变计轴向与主应力方向一致。第第 3 3 章章 电阻式传感器电阻式传感器 2. 2. 机械滞后机械滞后它是指粘贴在试件上的应变计，在恒温条件下增它是指粘贴在试件上的应变计，在恒温条件下增( (加载加载) )、减减( (卸载卸载) )试件应变的过程中，对应同一机械应变所指示试件应变的过程中，对应同一机械应变所指示应变量应变量( (输出输出) )之差值。之差值。通常在室温条件下，要求机械滞后通常在室温条件下，要求机械滞后3 31010。实测中，。实测中，可在测试前通过多次重复预加、卸载，来减小机械滞后产生可在测试前通过多次重复预加、卸载，来减小机械滞后

19、产生的误的误差。差。第第 3 3 章章 电阻式传感器电阻式传感器 粘贴在试件上的应变计，在恒温恒载条件下，指示应变量随粘贴在试件上的应变计，在恒温恒载条件下，指示应变量随时间单向变化的特性称为时间单向变化的特性称为蠕变蠕变。当试件初始空载时，应变计示值仍会随时间变化的现象称为当试件初始空载时，应变计示值仍会随时间变化的现象称为零漂零漂。蠕变反映了应变计在长时间工作中对时间的稳定性，。蠕变反映了应变计在长时间工作中对时间的稳定性，通常要求通常要求3 315 15 。引起蠕变的主要原因是，制作应。引起蠕变的主要原因是，制作应变计时内部产生的内应力和工作中出现的剪应力，使丝栅、变计时内部产生的内应力

20、和工作中出现的剪应力，使丝栅、基底，尤其是胶层之间产生的基底，尤其是胶层之间产生的“滑移滑移”所致。选用弹性模量所致。选用弹性模量较大的粘结剂和基底材料，适当减薄胶层和基底，并使之充较大的粘结剂和基底材料，适当减薄胶层和基底，并使之充分固化，有利于蠕变性能的改善。分固化，有利于蠕变性能的改善。3. 3. 蠕变和零漂蠕变和零漂第第 3 3 章章 电阻式传感器电阻式传感器 当试件输入的真实应变超过某一限值时，应变计的输出特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。在恒温条件下，使非线性误差达到性将出现非线性。在恒温条件下，使非线性误差达到10%10%时时的真实应变值，称为应变极限。的真实应变值，称为应变极限。 4.4.应变极限应变极限 应变极限是衡量应变计测量范围和过载能力的指标，通常要应变极限是衡量应变计测量范围和过载能力的指标，通常要求求limlim80008000。影响。影响limlim的主要因素及改善措施，与蠕的主要因素及改善措施，