第4章 应变式传感器(电阻应变式)

1、,传感器与检测技术,第4章应变式传感器,传感器与检测技术,第4章应变式传感器,主要内容1.电阻应变片原理2.金属应变片的主要特性3.应变片测量电路4.应变式传感器的应用,传感器与检测技术,第4章应变式传感器,概述,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0.010.1%。有拉压式（柱、筒、环元件）、弯曲式、剪切式。应变式传感器特征：不同材料类型；金属应变片、半导体应变片应用范围；应变力、压力、转矩、位移、加速度；主要优点；使用简单、精度高、范围大体积小。,传感器与检测技术,第4章应变式传感器,概述,各种电子秤,广泛应用于,传感器与检测技术,第4章应变

2、式传感器,概述,传感器与检测技术,第4章应变式传感器,概述,电阻应变式传感器有弹性敏感元件与电阻应变片构成,弹性体是传感器中的敏感元件，应变片是转换元件,传感器将被测量的变化转换成电阻变化，再经过转换电路变成电信号输出,传感器与检测技术,第4章应变式传感器,3.1电阻应变片原理（1）应变效应,金属电阻应变片的基本原理基于电阻应变效应：即，导体产生机械形变时它的电阻值发生变化。一根长L，截面积为A，电阻率为的金属丝电阻为:,当电阻丝受到轴向拉力F作用时，电阻值R的变化引起电阻的相对变化为:,传感器与检测技术,第4章应变式传感器,3.1电阻应变片原理（1）应变效应,当电阻丝受到轴向拉力F作用时，金

3、属丝几何尺寸变化引起电阻的相对变化,传感器与检测技术,第4章应变式传感器,3.1电阻应变片原理（1）应变效应,dl/l长度相对变化量，用应变表示为,dA/A圆形电阻丝的截面积相对变化量，设r为电阻丝的半径，微分后可得dA=2rdr，则,金属丝受拉力时，沿轴向伸长，沿径向缩短，令dl/l=为金属电阻丝的轴向应变，那么轴向应变和径向应变的关系可表示为,式中,为电阻丝材料的泊松比，负号表示应变方向相反。,传感器与检测技术,第4章应变式传感器,3.1电阻应变片原理（1）应变效应,用横向、径向应变、泊松系数带入后电阻变化率为：,受力后材料几何尺寸变化（1+2），材料电阻率的变化（/）/。,或：,令灵敏系

4、数,传感器与检测技术,第4章应变式传感器,3.1电阻应变片原理（1）应变效应,对于金属电阻丝=0.250.5(钢=0.285)k01+2k01.52金属应变片灵敏系数k0由材料的几何尺寸决定的应力=E可见应变R/R应力R/R通过弹性元件可将位移、压力、振动等物理量将应力转换为应变进行测量，这是应变式传感器测量应变的基本原理。,传感器与检测技术,第4章应变式传感器,3.1电阻应变片原理（2）压阻效应和压阻式传感器,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。缺点：受温度影响较大。,半导体材料的灵敏系数主要由压阻效应引起的电阻率的变化；灵敏系数远大于金属应变片的灵敏系数

5、。,已知固体受力引起的电阻变化为：,对半导体,压阻系数,传感器与检测技术,第4章应变式传感器,3.1电阻应变片原理（3）应变片种类,按材料分：金属式：体型、丝式、箔式、薄膜型半导体式体式：体型、薄膜型、扩散型、外延型、PN结型按结构分：单片、双片、特殊形状按使用环境：高温、低温、高压、磁场、水下,传感器与检测技术,第4章应变式传感器,3.1电阻应变片原理（3）应变片种类,金属应变片结构：网状敏感栅高阻金属丝(直径0.01-0.05mm)、金属箔(厚0.003-0.01mm)基片绝缘材料（0.03-0.06mm）盖片保护层,传感器与检测技术,第4章应变式传感器,3.1电阻应变片原理（3）应变片种

6、类,传感器与检测技术,第4章应变式传感器,3.1电阻应变片原理（3）应变片种类,箔式应变片结构,传感器与检测技术,第4章应变式传感器,3.1电阻应变片原理（3）应变片种类,各种金属箔式应变片,体型半导体电阻应变片,传感器与检测技术,第4章应变式传感器,3.1电阻应变片原理（4）应变片材料,对电阻丝材料应有如下要求：灵敏系数大，且在相当大的应变范围内保持常数；值大，即在同样长度、同样横截面积的电阻丝中具有较大的电阻值；电阻温度系数小，否则因环境温度变化也会改变其阻值；与铜线的焊接性能好，与其它金属的接触电势小；机械强度高，具有优良的机械加工性能。,传感器与检测技术,第4章应变式传感器,3.1电阻

7、应变片原理（5）应变片的粘贴,选择粘结剂和正确的粘结工艺与应变片的测量精度有着极为重要的关系。应变片是用粘结剂粘贴到被测件上的。粘结剂形成的胶层必须准确迅速地将被测件应变传递到敏感栅上。选择粘结剂时必须考虑多种因素。粘贴工艺包括被测件粘贴表面处理、贴片位置确定、涂底胶、贴片、干燥固化、贴片质量检查、引线的焊接与固定以及防护与屏蔽等。,传感器与检测技术,第4章应变式传感器,3.2金属应变片的主要特性（1）弹性元件的刚度和灵敏度,弹性元件在应变片测量技术中占有极其重要的地位。它首先把力、力矩或压力变换成相应的应变或位移，然后传递给粘贴在弹性元件上的应变片，通过应变片将力、力矩或压力转换成相应的电阻

8、值。刚度是弹性元件受外力作用下变形大小的量度，其定义是弹性元件单位变形下所需要的力，用C表示，,传感器与检测技术,第4章应变式传感器,3.2金属应变片的主要特性（1）弹性元件的刚度和灵敏度,用刚度的倒数来表示弹性元件的特性，称为弹性元件的灵敏度,传感器与检测技术,第4章应变式传感器,3.2金属应变片的主要特性（2）应变片的灵敏系数,金属丝做成应变片后电阻应变特性与单根金属丝不同；实验证明，应变片灵敏系数KK0电阻丝灵敏系数，产品的灵敏系数称“标称灵敏系数”。,传感器与检测技术,第4章应变式传感器,直线电阻丝绕成敏感栅后，虽然长度相同，但应变不同，园弧部分使灵敏系数K下降，这种现象称为横向效应。

9、,3.2金属应变片的主要特性（3）横向效应,传感器与检测技术,第4章应变式传感器,应变片绝缘电阻是指已粘贴的应变片的引线与被测件之间的电阻值Rm。通常要求Rm在50-100M以上。绝缘电阻下降将使测量系统的灵敏度降低，使应变片的指示应变产生误差。最大工作电流是指已安装的应变片允许通过敏感栅而不影响其工作特性的最大电流Imax。工作电流大，输出信号也大，灵敏度就高。,3.2金属应变片的主要特性（4）绝缘电阻和最大工作电流,传感器与检测技术,第4章应变式传感器,电阻应变片在测量频率较高的动态应变时，应变是以应变波的形式在材料中传播的，它的传播速度与声波相同，应变片的敏感栅相对较长，当应变波在纵栅长

10、度方向上传播时，只有在应变波通过敏感栅全部长度后，应变片所反映的波形经过一定时间的延迟，才能达到最大值。,3.2金属应变片的主要特性（5）动态响应特征,传感器与检测技术,第4章应变式传感器,3.2金属应变片的主要特性（6）应变片温度误差及补偿,应变片安装在自由膨胀的试件上，如果环境温度变化，应变片的电阻也会变化，这种变化叠加在测量结果中称应变片温度误差。应变片温度误差来源有两个主要因素：t误差应变片本身电阻温度系数影响；g试件材料的线膨胀系数影响因环境温度改变引起的附加电阻变化与环境温度变化t有关；应变片本身的性能参数K、t、s；试件参数g有关。,传感器原理及应用,第3章应变式传感器,3.2金

11、属应变片的主要特性（6）应变片温度误差及补偿,电阻丝阻值与温度关系：,温度变化t时电阻丝的电阻变化,传感器原理及应用,第3章应变式传感器,3.2金属应变片的主要特性（6）应变片温度误差及补偿,试件材料和电阻丝材料的线膨胀系数的影响当试件与电阻丝线膨胀系数相同时，无附加变形。当试件与电阻丝线膨胀系数不同时，产生附加变形。设电阻丝和试件在温度为0时的长度均为l0,它们的线膨胀系数分别为s和g，若两者不粘贴，则它们的长度分别为,ls=l0(1+st)lg=l0(1+gt),传感器原理及应用,第3章应变式传感器,3.2金属应变片的主要特性（6）应变片温度误差及补偿,当两者粘贴在一起时，电阻丝产生的附加

12、变形l、附加应变和附加电阻变化R分别为,传感器原理及应用,第3章应变式传感器,3.2金属应变片的主要特性（6）应变片温度误差及补偿,传感器原理及应用,第3章应变式传感器,3.2金属应变片的主要特性（6）应变片温度误差及补偿,自补偿方法,传感器与检测技术,第4章应变式传感器,3.3电阻应变片测量电路（1）直流电桥,直流电桥的平衡条件负载RL（开路）,电桥平衡时I0=0U0=0对比积相等邻臂比相等,传感器与检测技术,第4章应变式传感器,3.3电阻应变片测量电路（1）直流电桥,设R1为应变片，应变时R1变化量为R1，这时电桥失衡，不平衡输出电压为：,电压灵敏度,传感器与检测技术,第4章应变式传感器,

13、3.3电阻应变片测量电路（1）直流电桥,电桥灵敏度定义为：,电压灵敏度,传感器与检测技术,第4章应变式传感器,讨论：电桥电压灵敏度Ku越大，应变变化相同情况输出电压越大；Ku与电桥电源E成正比KuE，但供电受应变片允许功耗限制；Ku是桥臂比n的函数Ku（n），恰当选择n可提高电压灵敏度Ku。,3.3电阻应变片测量电路（1）直流电桥,电压灵敏度,传感器与检测技术,第4章应变式传感器,3.3电阻应变片测量电路（1）直流电桥,单臂工作片电压灵敏度：,桥路输出电压：,电压灵敏度,讨论：显然n=1R1=R2R3=R4时有Ku最大,传感器与检测技术,第4章应变式传感器,3.3电阻应变片测量电路（1）直流电

14、桥,电压灵敏度,例：,U0,Ui,R1,R2,R3,R4,传感器与检测技术,第4章应变式传感器,3.3电阻应变片测量电路（2）交流电桥,直流电桥优点：电源稳定电路简单，仍是主要测量电路；缺点：直流放大器较复杂，存在零漂工频干扰。交流电桥优点：放大电路简单无零漂，不受干扰，为特定传感器带来方便；缺点：需专用测量仪器或电路不易取得高精度。,传感器与检测技术,第4章应变式传感器,3.3电阻应变片测量电路（2）交流电桥,交流电桥输出特征方程：,电桥平衡条件：,传感器与检测技术,第4章应变式传感器,3.3电阻应变片测量电路（2）交流电桥,交流电桥,传感器与检测技术,第4章应变式传感器,3.3电阻应变片测

15、量电路（2）交流电桥,交流电桥需满足对臂复数的模积相等，幅角之和相等。,每一桥臂上复阻抗分别为,传感器与检测技术,第4章应变式传感器,3.3电阻应变片测量电路（2）交流电桥,传感器与检测技术,第4章应变式传感器,3.3电阻应变片测量电路（2）交流电桥,交流电桥输出：,传感器与检测技术,第4章应变式传感器,3.3电阻应变片测量电路（2）交流电桥,传感器与检测技术,第4章应变式传感器,3.3电阻应变片测量电路（2）交流电桥平衡电路：,电容平衡电路,电阻平衡电路,传感器与检测技术,第4章应变式传感器,3.4应变式传感器的应用（3）力传感器（测力与秤重）,力传感器的弹性元件有：柱式、梁式、环式、轮辐式

16、等：柱式力传感器有空心（筒形）、实心（柱形）在圆筒（柱）上按一定方式粘贴应变片，圆柱（筒）在外力F作用下产生形变，实心圆柱因外力作用产生的应变为：,式中：L为弹性元件的长度，S为弹性元件的横截面积F外力；为应力，=F/S；E为弹性模量,传感器与检测技术,第4章应变式传感器,3.4应变式传感器的应用（3）力传感器（测力与秤重）,荷重传感器弹性元件形式,传感器与检测技术,第4章应变式传感器,3.4应变式传感器的应用（3）力传感器（测力与秤重）,圆柱面展开图,传感器与检测技术,第4章应变式传感器,3.4应变式传感器的应用（3）力传感器（测力与秤重）悬臂梁式力传感器,等截面梁：悬臂梁的横截面积处处相等

17、，所以称等截面梁。当外力F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：,式中：是梁上应变片至自由端距离，b、h分别为梁的宽度和梁的厚度。,传感器与检测技术,第4章应变式传感器,3.4应变式传感器的应用（3）力传感器（测力与秤重）,等强度梁：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。当力作用在自由端时，力距作用点任何截面积上应力相等，应变片的应变大小为：,传感器与检测技术,第4章应变式传感器,3.4应变式传感器的应用（3）力传感器,因为应变片的应变大小与力作用的距离有关，所以应变片应贴在距固定端较近的表面，顺梁的方向贴上下各贴两只。四个应变片组成全桥。上

18、面两个受压时下面两个受拉。这种传感器适用于测量500Kg以下荷重。,传感器与检测技术,第4章应变式传感器,3.4应变式传感器的应用（3）力传感器（测力与秤重）,各种平行双孔梁,传感器与检测技术,第4章应变式传感器,3.4应变式传感器的应用（3）力传感器（测力与秤重）,各种形式梁,传感器与检测技术,第4章应变式传感器,3.4应变式传感器的应用（3）力传感器（测力与秤重）,梁的形式较多，如平行双孔梁、工字梁、S型拉力,（a）双孔梁（b）S形,传感器与检测技术,第4章应变式传感器,3.4应变式传感器的应用（3）力传感器（测力与秤重）轮辐式测力传感器（剪切力）,轮辐式传感器结构主要由五个部分组成，轮轱、轮圈、轮辐条、受拉和受压应变片。,传感器与检测技术,第4章应变式传感器,上海卢浦大桥通车应变试验,传感器与检测技术,第4章应变式传感器,上海国际会议中心模型试验,传感器与检测技术,第4章应变式传感器,打桩船吊塔强度试验,传感器与检测技术,第4章应变式传感器,本章要点：,应变片金属丝拉长，电阻增加，反之减少。应变传感器力传感