2.1 应变式传感器

1、1,第2章 电阻式传感器原理与应用,2.1 应变式传感器 2.2 压阻式传感器,2,电阻式传感器概述,电阻式传感器的基本原理 就是将被测的非电量转化成电阻值的变化，再经过转换电路变成电量输出。根据传感器组成材料变化或传感器原理变化，产生了各种各样的电阻式传感器，主要包括应变式传感器和压阻式传感器。 优点：结构简单，体积小，使用方便，性能稳定，灵敏度高，动态响应快等。 应用范围：测量力、压力、位移、应变、加速度和温度等非电量参数。,3,2.1 应变式传感器,是利用电阻应变片将应变转换为电阻值变化的传感器。 工作原理： 当被测物理量作用于弹性元件上，弹性元件在力、力矩或压力等的作用下发生变形，产生

2、相应的应变或位移，然后传递给与之相连的应变片，引起应变片的电阻值变化，通过测量电路变成电量输出。输出的电量大小反映被测量的大小。 结构： 应变式传感器由弹性元件上粘贴电阻应变片构成。 应用： 广泛用于力、力矩、压力、加速度、重量等参数的测量。,4,2.1.1 工作原理 2.1.2 金属应变片的主要特性 2.1.3 测量电路 2.1.4 应变式传感器应用,5,2.1.1 工作原理,1.几个概念 应 变 物体在外部压力或拉力的作用下发生形变的现象。 弹性形变 当外力除去后，物体能够完全恢复其原来尺寸和形状的应变。 弹性元件 具有弹性应变特性的物体。 应变式传感器 利用应变片将应变转换为电阻变化的传

3、感器。,6,2.金属的电阻应变效应,电阻应变片的工作原理是基于应变效应。 什么是应变效应？ 即导体或半导体材料在外界力的作用下产生机械变形时，其电阻值相应发生变化， 这种现象称为“应变效应”。,7,应变和应力,应变（Strain）：当材料在外力作用下不能产生位移时，它的几何形状和尺寸将发生变化，这种形变称为应变。,8,应力（Stress）：材料发生形变时内部产生了大小相等但方向相反的反作用力抵抗外力，定义单位面积上的这种反作用力为应力。 或物体由于外因（受力、湿度变化等）而变形时，在物体内各部分之间产生相互作用的内力，以抵抗这种外因的作用，并力图使物体从变形后的位置回复到变形前的位置。在所考察

4、的截面某一点单位面积上的内力称为应力。,9,应力的分类： 按照应力和应变的方向关系，可以将应力分为正应力 和切应力，正应力的方向与应变方向平行，而切应力的方向与应变垂直。 按照载荷（Load）作用的形式不同，应力又可以分为拉伸压缩应力、弯曲应力和扭转应力。,10,如图2-1所示，一根金属电阻丝, 在其未受力时, 原始电阻值为：,式中: 电阻丝的电阻率; l 电阻丝的长度; S 电阻丝的截面积。,图2-1 金属电阻丝应变效应,11,F l、S 、 R,两边除以R，得：,当电阻丝受到拉力F作用时， 将伸长l，横截面积相应减小S，电阻率因材料晶格发生变形等因素影响而改变了，从而引起电阻值变化量为 ：

5、,电阻的灵敏系数,对于半径为r的圆导体，S=r2，S/S=2r/r 又由材料力学可知，在弹性范围内，,为导体的纵向应变，其数值一般很小，常以微应变度量； 为电阻丝材料的泊松比，一般金属=0.30.5； 为压阻系数，与材质有关；为应力值；E为材料的弹性模量；,13,材料力学：在弹性范围内，金属丝受拉力时，沿轴向伸长， 沿径向缩短， 轴向应变和径向应变的关系可表示为,为电阻丝材料的泊松比， 负号表示应变方向相反。,14,金属材料与半导体材料的电阻灵敏系数,材料的几何尺寸变化引起的 材料的电阻率随应变引起的（压阻效应）,金属材料：K0以前者为主，则K01+2=1.73.6； 半 导 体：K0值主要是

6、由电阻率相对变化所决定； 大量实验证明，在电阻丝拉伸极限内， 电阻的相 对变化与应变成正比，即K为常数。,15,半导体材料 分析：当半导体应变片受轴向力作用时， 其电阻相对变化为,半导体应变片的电阻率相对变化量与所受的应变力有关：,式中： 半导体材料的压阻系数; 半导体材料的所受应变力; E半导体材料的弹性模量; 半导体材料的应变。,16,因此：,实验证明， E比1+2大上几十甚至百倍，所以1+2可以忽略，因而半导体应变片的灵敏系数为：,半导体应变片的灵敏系数比金属丝式高5080倍， 但半导体材料的温度系数大，应变时非线性比较严重， 使它的应用范围受到一定的限制。,17,在外力作用下，被测对象

7、产生微小机械变形，应变片随着发生相同的变化，同时应变片电阻值也发生相应变化。当测得应变片电阻值变化量为R时，便可得到被测对象的应变值，根据应力与应变的关系，得到应力值为 ：,=E,结论：应变式传感器测量原理,3. 应变片的基本结构与种类,敏感栅：直径为0.025mm左右的合金电阻丝 丝绕式 基 底 绝缘 覆盖层 保护,位移、力、力矩、加速度、压力,弹性敏 感元件,应变,外力作用 被测对象表面产生微小机械变形 应变片敏感栅随同变形 电阻值发生相应变化,应变片,19,金属电阻应变片，材料电阻率随应变产生的变化很小，可忽略 ：,应变片电阻的相对变化与应变片纵向应变成正比， 并且对同一电阻材料， K0

8、=1+2是常数。 其灵敏度系数多在1.73.6之间。,20,应变片的类型和材料,金属丝式 金属箔式 金属薄膜式,21,金属丝式应变片,金属电阻丝应变片的基本结构 1-基片；2-电阻丝； 3-覆盖层；4-引出线,（1）敏感栅 由某种金属细丝绕成栅形。 金属细丝自径为0.015-0.05 mm。 栅长有100mm、200mm及1 mm、0.5mm、0.2mm等规格，分别适应于不同的用途。,22,对敏感栅材料的要求 较大的应变灵敏系数，尽量保持为常数； 高而稳定的电阻率； 电阻温度系数要小； 抗氧化能力高，耐腐蚀性能强； 在工作温度范围内能保持足够的抗拉强度； 加工性能良好； 易于焊接，对引线材料的

9、热电势小。,23,（2）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。 最早的基底和盖片多用专门的薄纸制成，基底厚度一般为(0.020.04)mm，基底的全长称为基底长，其宽度称为基底宽。,24,（3）引线,它是从应变片的敏感栅中引出的细金属线。 常用直径约(0.10.15)mm的镀锡铜线，或扁带形的其他金属材料制成。 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。,25,金属箔式应变片,在绝缘基底上，将厚度为0.0030.01mm电阻箔材，利用照相制板或光刻腐

10、蚀的方法，制成适用于各种需要的形状。,箔式应变片,26,优点 ：,（1）尺寸准确，线条均匀，适应不同的测量要求， （2）可制成多种复杂形状尺寸准确的敏感栅 （3）与被测试件接触面积大，粘结性能好。 散热条件好，允许电流大，灵敏度提高。 （4）横向效应可以忽略。 （5）蠕变、机械滞后小，疲劳寿命长。 缺点： 电阻值的分散性大。,27,金属薄膜应变片,采用真空蒸镀或真空沉积等方法在薄的绝缘基片上形成厚度在0.1m以下的金属电阻材料薄膜敏感栅，再加上保护层，易实现工业化批量生产 。 优点：应变灵敏系数大，允许电流密度大，工作范围广，易实现工业化生产。 问题：难控制电阻与温度和时间的变化关系。,28,

11、常用应变片的形式,29,应变计型号命名规则,应变计类别 B: 箔式； T: 特殊用途； 基底材料类别 F: 酚醛类；H:环氧类；A:聚酰亚胺；B:玻璃纤维浸胶 ； 标称电阻 120；175；350；500；700；1000；1500等； 应变计栅长 mm； 敏感栅结构形状 AA:单轴片；HA:45度双联片；GB:半桥片；FG:全桥片；KA：圆片 材料线膨胀系数 铜Cu:11；铝Al:23；不锈钢:16 。,30,2.1.2 金属应变片的主要特性,（一）灵敏系数 （二）横向效应 （三）温度误差及其补偿,31,应变片的电阻值 R,应变片在未经安装也不受外力情况下，于室温下测得的电阻值。 电阻系列：

12、60、120、200、350、500、1000等。 可以加大应变片承受电压； 电阻值大 输出信号大； 敏感栅尺寸也增大 。,32,（一）灵敏系数,“标称灵敏系数”：受轴向单向力（拉或压），试件材料为泊松系数=0.285的钢等。一批产品中只能抽样5的产品来测定，取平均值。 实验证明，RR与的关系在很大范围内仍然有很好的线性关系，即: R/R=K K为电阻应变片的灵敏系数。,电阻应变片的灵敏系数K 电阻丝的灵敏系数K0,粘结层传递变形失真 还存在有横向效应,原因：,33,（二）横向效应,敏感栅是由多条直线和圆弧部分组成 直线段：沿轴向拉应变x，电阻 圆弧段：垂直于轴向压应变y电阻,K (箔式应变片

13、),34,横向效应,如图所示的应变片粘贴在被测试件上时, 由于其敏感栅是由n条长度为l1的直线段和（n-1）个半径为r的半圆组成: 若该应变片承受轴向应力而产生纵向拉应变x时, 则各直线段的电阻将增加, 但在半圆弧段则同时受到纵向拉应变x和和横向压y 作用, 使其阻值减小。,35,横向效应,应变片的横栅部分将纵向丝栅部分的电阻变化抵消了一部分，从而降低了整个电阻应变片的灵敏度，带来测量误差，其大小与敏感栅的构造及尺寸有关。 敏感栅的纵栅愈窄、愈长，而横栅愈宽、愈短，则横向效应的影响愈小。,36,（三）温度误差及其补偿,温度误差：由于测量现场环境温度的改变而给测量带来的附加误差， 称为应变片的温

14、度误差。 应变片的阻值受环境温度（包括被测试件的温度）影响很大。 原因： 应变片的电阻丝具有一定温度系数； 电阻丝材料与测试材料的线膨胀系数不同。,37,（三）温度误差及其补偿,1、敏感栅电阻随温度的变化引起的误差。当环境温度变化t 时，敏感栅材料电阻温度系数为，则引起的电阻相对变化为 2、试件材料的线膨胀引起的误差。当温度变化t时，因试件材料和敏感栅材料的线膨胀系数不同，应变片将产生附加拉长（或压缩），引起的电阻相对变化,温度误差,38,（1）电阻温度系数误差,敏感栅的电阻丝阻值随温度变化的关系可用下式表示： RT=R 0(1+T) 式中: RT温度为t时的电阻值； R0温度为t0时的电阻值

15、； 温度为t0时金属丝的电阻温度系数； T温度变化值，T=T-T0。 当温度变化T时，电阻丝电阻的变化值为： RTa=RT-R0=R0T,39,（2）试件材料和电阻丝材料的线膨胀系数的影响,当试件与电阻丝材料的线膨胀系数相同时： 不论环境温度如何变化，电阻丝的变形仍和自由状态一样，不会产生附加变形。 当试件与电阻丝材料的线膨胀系数不同时： 环境温度变化，电阻丝会产生附加变形，从而产生附加电阻变化。,40,设粘贴在试件上电阻丝长度为l0, 它们的线膨胀系数分别为s和g，当温度变化T时，应变丝膨胀至lT1，试件伸长为lT2，则应变丝和试件的膨胀量分别为：,41,由于二者黏结在一起，若sg，则应变丝

16、被迫产生附加形变lT。,42,相应的虚假应变输出,可得由于温度变化而引起的总电阻变化为,43,温度补偿,44, 电桥补偿法,45,电桥输出电压U0与桥臂参数的关系为 由上式可知,当R3和R4为常数时，R1和RB对电桥输出电压U0的作用方向相反。 测量应变时, 工作应变片R1粘贴在被测试件表面上, 补偿应变片RB粘贴在与被测试件材料完全相同的补偿块上, 且仅工作应变片承受应变。 当被测试件不承受应变时，R1和Rb处于同一环境温度为T（C）的温度场中，调节电桥参数使电桥达到平衡：,46,一般取四个桥臂电阻相等。 当温度升高或降低时， R1和Rb变化量相同，电桥仍处于平衡状态。 当有应变作用时，工作

17、应变片又有新的增量 而补偿应变片不承受应变，不产生新增量，此时电桥输出电压为：,47,注意补偿条件： 在应变片工作过程中，保证R3=R4。 R1和RB两个应变片应具有相同的电阻温度系数、线膨胀系数、应变灵敏度系数K和初始电阻值R0。 粘贴补偿片的补偿块材料和粘贴工作片的被测试件材料必须一样，两者线膨胀系数相同。 两应变片应处于同一温度场。,48,电桥补偿法,优点：简单、方便，在常温下补偿效果较好； 缺点：在温度变化梯度较大的条件下，很难做到工作片与补偿片处于温度完全一致的情况，因而影响补偿效果。,49, 应变片的自补偿法,粘贴在被测部位上的是一种特殊应变片，当温度变化时，产生的附加应变为零或相

18、互抵消，这种应变片称为温度自补偿应变片。利用这种应变片来实现温度补偿的方法称为应变片自补偿法。 a. 选择式自补偿应变片 b. 双金属敏感栅自补偿应变片,50,a.选择式自补偿应变片,由式(2.1.16)可知，实现温度补偿的条件为 当被测试件的线膨胀系数g已知时，通过选择敏感栅材料，使下式成立，可达到温度自补偿目的。,51,上式表明，当被测试件的线膨胀系数g已知时，如果合理选择敏感栅材料， 即其电阻温度系数、灵敏系数K0以及线膨胀系数s，满足上式，则不论温度如何变化，均有 =0，从而达到温度自补偿的目的。优点：容易加工，成本低。 缺点：只适用特定试件材料，温度补偿范围也较窄。,52,组合自补偿

19、法,b. 双金属敏感栅自补偿应变片,敏感栅丝由两种不同温度系数的金属丝串接组成。,选用两者具有不同符号的电阻温度系数，调整R1和R2的比例，使温度变化时产生的 电阻变化满足,通过调节两种敏感栅的长度来控制应变片的温度自补偿，可达0.45m/的高精度。,53,热敏电阻补偿,URt,54,2.1.3 电阻应变片的测量电路,1 直流电桥 2 非线性误差及其补偿,55,直流电桥,1不平衡直流电桥的工作原理及灵敏度,当电桥后面接放大器时, 电桥输出端看成开路，电桥的输出式为：,应变片工作时，其电阻变化R,56,采用等臂电桥，即R1= R2= R3=R4=R 。此时式(2.1.24)可写为,当Ri R (

20、 i=1,2,3,4) 时，略去上式中的高阶微量，则,57,上式表明：, Ri R时，电桥的输出电压与应变成线性关系。 若相邻两桥臂的应变极性一致，即同为拉应变或压应变时，输出电压为两者之差；若相邻两桥臂的应变极性不同，则输出电压为两者之和。,58, 若相对两桥臂应变的极性一致，输出电压为两者之和；反之则为两者之差。 电桥供电电压U越高，输出电压U0越大。但是，当U大时，电阻应变片通过的电流也大，若超过电阻应变片所允许通过的最大工作电流，传感器就会出现蠕变和零漂。 增大电阻应变片的灵敏系数K，可提高电桥的输出电压。,59,略去分母中的R1/R1项 ,假设R1/R11,单臂电桥，即R1桥臂变化R

21、，理想的线性关系,实际输出电压,电桥的相对非线性误差为,2.非线性误差及其补偿,60,减小非线性误差 采用的措施为：,（1）采用半桥差动电桥,61,R1R2R3R4=R，R1R2=R,严格的线性关系 电桥灵敏度比单臂时提高一倍 温度补偿作用,62,输出电压为：,全桥差动电路,63,练习,如图所示一直流应变电桥。图中U=4V，R1=R2=R3=R4=120 ， 试求： （1）R1为金属应变片，其余为外接电阻。当R1的增量为 R1=1.2 时，电桥输出电压U0为多少？ （2）R1、R2都是应变片，且批号相同，感受的极性和大小都相 同，其余为外接电阻，电桥输出电压U0为多少？ （3）题（2）中，如果

22、R1、R2感受应变的极性相反，且| R1|= | R2 | =1.2 ，电桥输出电压U0为多少 ？,2.1.4 电阻应变式传感器的应用,1应变式力传感器 2 应变式压力传感器 3 应变式液体重量（或液位）传感器 4 应变式加速度传感器,65,应变式传感器的应用,应变片能将应变直接转换成电阻的变化 其他物理量（力、压力、加速度等），需先将这些量转换成应变弹性元件 应变式传感器的组成：弹性元件、应变片、附件（补偿元件、保护罩等）,66,1 应变式力传感器,被测物理量：荷重或力 主要用途：作为各种电子称与材料试验机的测力元件、 发动机的推力测试、 水坝坝体承载状况监测等。 力传感器的弹性元件：柱式、

23、筒式、环式、悬臂式等。,67,柱式力传感器,（1）柱(筒)式力传感器,（a）实心圆柱；（b）空心圆筒；,68,圆柱（筒）式力传感器 （a） 柱式；（b） 筒式；（c） 圆柱面展开图；（d） 桥路连线图,69,JLBZ 型柱式拉压力传感器。采用了箔式应变片贴在合金钢弹性体上，具有精度高、长期运行稳定、密封性好。适用于各种配料秤、吊钩秤及各类专用秤等。,70,(2)梁式力传感器,等截面梁,结构简单，易加工，灵敏度高 适合于测5000N以下的载荷, 等截面悬臂梁,71, 等强度悬臂梁,这种梁的特点是：在自由端加上作用力时，在梁上各处产生的应变大小相等。因此，应变片沿纵向的粘贴位置误差为零，但上、下对

24、应位置要求仍然严格。,72, 双端固定梁,梁的两端都固定，中加加载荷，应变片要在中间的位置， 并且按图组成全桥。,73,悬臂梁,悬臂梁是一端固定、一端自由的弹性敏感元件。它的特点是灵敏度比较高。所以多用于较小力的测量。 例如，民用电子称中就多采用悬臂梁。 当力F（例如苹果的重力）以垂直方向作用于电子秤中的铝质悬臂梁的末端时，梁的上表面产生拉应变，下表面产生压应变，上下表面的应变大小相等符号相反。粘贴在上下表面的应变片也随之拉伸和缩短。得到正负相间的电阻值的变化，接入桥路后，就能产生输出电压。,74,75,BK-2S称重传感器,产品详细介绍采用国际流行的双梁式或剪切S梁结构，拉、压输出对称性好、

25、 测量精度高、结构紧凑，安装方便，广泛用于机电结合秤、料斗秤、包装秤等各种测力、称重系统中 供桥电压 12VDC 输入阻抗 38020 输出阻抗 35010 绝缘电阻 2000M 工作温度 -10+50,76,物料定值分装控制系统,称重传感器是影响电子秤测量精度的关键部件，选用应变式称重测力传感器。 四片电阻应变片构成全桥桥路，在所加桥压U不变的情况下，传感器输出信号与作用在传感器上的重力和供桥桥压成正比，而且，供桥桥压U的变化直接影响电子称的测量精度，所以要求桥压很稳定。,77,计数器1的计数值反映了测量电压大小即物料的重量。在显示的同时，计算机还根据设定值与测量值进行定值判断。 测量值与给

26、定值进行比较，取差值提供PID运算，当重量不足，则继续送料和显示测量值。 一旦重量相等或大于给定值，控制接口输出控制信号，控制外部给料设备停止送料，显示测量终值，然后发出回答命令，该袋装料结束，可进行下袋装料称重。,78,每个装料的箱子或袋子沿传送带运动，直到装有料的电子称下面，传送带停止运动。 电磁线圈2通电，电子称料斗翻转，使料全部倒入箱子或袋子中，当料倒完，传送带马达再次通电，将装满料的箱子或袋子移出，并保护传送带继续运行，直到下一次空袋或空箱切断光电传感器的光源。 与此同时，电子称料箱复位，电磁线圈1通电，漏斗给电子秤自动加料，重量由微机控制，当电子秤中的料与给定值相等时，电磁线圈1断

27、电，弹簧力使漏斗门关上。 装料系统开始下一个装料的循环。,79,原理： 将物品重量通过悬臂梁转化结构变形再通过应变片转化为电量输出。,电子秤,80,磅秤,超市打印秤,远距离显示,电子秤,81,电子天平,电子天平的精度可达十万分之一,82,吊钩秤,便携式,83,柱（筒）式力传感器,84,调整Rg使电路满量程输出为010V,85,汽车衡示意图,86,87,汽车衡示意图,88,薄壁圆环式力传感器,在外力作用下，各点的应力差别较大,89,HCET-型板环式系列拉力传感器，采用了箔式应变片贴切在合金钢弹性体上，具有测量精度高、密封性能好，长期可靠性好等特点，可用于电子皮带秤、小型料仓秤、失重秤等场所。 可选择内置式变送器，标准信号010mA、420mA或05V输出。,90,2. 应变式压力传感器,t,r,r,t,膜片式压力传感器,91,应变式压力传感器主要用来测量流动介质的动态或静态压力 应变片压力传感器大多采用膜片式或筒式弹性元件。 在压力p作用下，膜片产生径向应变r和切向应变t，表达式分别为,92,应变变化曲线的特点： 当x=0时，rmax=tmax； 当x=R时，t=0， r=2rmax。 ,特点的应用：一般在平膜片圆心处切向粘贴R1、R4两个应变片， 在边缘处沿径向粘贴R2、R3两个应变片，然后接成全桥测量电路，提高灵敏度和进行温度补