第三章应变式传感器

1、1,应变式传感器：是利用电阻应变效应制成的传感器，是常用的传感器之一。核心元件是电阻应变片。 电阻应变片：也称应变计或应变片，是一种能将机械构件上应变的变化转换为电阻变化的传感元件。 电阻应变效应：金属导体的电阻值随其机械变形而发生变化的现象。,3.1 概述,3.1.1 定义,2,3.1.2 电阻应变片的结构,1为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； 2为绝缘的基片； 3为盖片（保护片）； 4为引线。,1. 构造简图,l称为应变计的标距（栅长）； a称为栅宽； la称为应变计的使用面积。,3,3.2.1 工作原理,l,l+dl,2r,2(r-dr),:电阻系数 l :金属

2、导线长度 A:金属导线截面积,4,5,3.2.2 横向效应,应变片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。,6,可见kk0 ，而H即为横向效应引起的误差，H为横向效应系数。,ls越小，l1越大，H越小。即敏感栅越窄，基长越长，横向效应误差越小。,7,按尺寸：长应变计（几百mm），短应变计（0.2mm） 按结构形式：单片、双片、应变花和各种特殊形状的图案。 按使用环境：高温、低温、水、核辐射、高压、磁场等。 按安装形式：粘贴、非粘贴、焊接、火焰喷涂等。,3.2.3 应变计的分类,8,主要的分类方法是根据敏感元件材料不同，将应变计分为金属式和半导体式两大类。,9,一、金

3、属式电阻应变计 1.丝式应变计：,最早，常用的形式，制作简单，横向效应较大。,横向效应较小，但是制作工艺复杂。,10,2.箔式应变计 是通过光刻、腐蚀等工艺制成的很薄的金属薄栅。,11,1.尺寸小、线条均匀、图形准确，阻值离散程度小。 2.可根据需要制备任意形状，扩大了使用范围。 3.散热好，可通过较大电流，提高测量灵敏度。 4.厚度薄，利于传递形变。 5.蠕变小，疲劳寿命高。 6.横向效应小。 7.生产效率高，便于批量生产。,箔式应变计优点：,缺点：,生产工艺较为复杂，不适合高温环境。,12,3.金属薄式应变片 采用真空蒸镀或溅射式阴极扩散等方法，在薄的基底材料上制成一层金属电阻材料薄膜以形

4、成应变片。 特点： 具有较高的灵敏度，允许的电流密度大，工作温度范围较广。,13,二、半导体应变计 是利用半导体材料的压阻效应而制成的一种纯电阻性元件。 分类： 体型 薄膜型 扩散型 外延型,14,灵敏度高； 体积小，耗电省； 具有正负两种符号的应力效应，可以制成同一应力方向的电桥两臂，提高灵敏度； 机械滞后小，可测量静态应变、低频应变等。,半导体应变计的优点：,缺点：,温度系数大，非线性较严重。,15,3.2.4 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

5、1000 1500 应变计栅长（mm）: 3等,16,敏感栅结构形状: AA单轴片 HA45双联片 GB半桥片 FG全桥片 KA圆片 材料线膨胀系数: 铜Cu11 铝Al23 不锈钢16,17,可自补偿蠕变标号: T5 T3 T1 T8 T6 T4 T2 T0 N2 N4 N6 N8 N0 N1 N3 N5 N7 N9 蠕变由负到正。 举例: B F 350-3 AA 23 T0 （箔式B, 酚醛类基底材料F, 标称电阻350, 应变计栅长 3 mm, 单轴片AA, 材料线膨胀系数铝Al23, 可自补偿蠕变标号T0。 ）,18,当试件或弹性体元件的应变大小和方向随时间改变时，应变处于动态工作状

6、态。 这时： 应变从试件或者弹性元件传到敏感栅要多久？ 在进行高频的动态应变测量时，哪些因素影响应变片对动态应变的响应？ 等等。,3.3 应变计的特性动态特性,19,当输入为阶越波时：,如以输出从10上升到90的这段时间作为上升时间，则：,20,当输入波为正弦波时：,应变波长为，应变片的基长为L，则当两端点的坐标为:,时，应变计在基长L内测得平均应变P最大。,21,当输入波为正弦波时：,应变波幅测量的相对误差,22,应变计的特性静态特性,1) 线性度 试件的应变和电阻的相对变化R/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%或1

7、%以内。,2) 应变极限 粘贴在试件上的应变计所能测量的最大应变值称为应变极限。 在一定的温度 (室温或极限使用温度) 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%时, 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。 ,23,3)机械滞后和热滞后迟滞 贴有应变计的试件进行加载和卸载时, 其R/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。,24,4)零漂 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。 零漂的主要原因是, 敏感栅通过工

8、作电流后的温度效应, 应变计的内应力逐渐变化, 粘接剂固化不充分等。,5) 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。 所谓疲劳损坏是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。,25,6) 最大工作电流 最大工作电流是指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。但过大的工作电流会使应变计本身过热, 使灵敏系数变化, 零漂、蠕变增加, 甚至烧坏应变

9、计。 工作电流的选取, 要根据散热条件而定, 主要取决于敏感栅的几何形状和尺寸、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以及试件的散热性能等。通常允许电流值在静态测量时约取25mA左右, 动态测量时可高一些, 箔式应变计可取更大些。在测量塑料、玻璃、陶瓷等导热性差的材料时, 工作电流要取小些。,26,27,3.4 应变计的粘贴,粘合剂的选择和粘贴质量的好坏直接关系到应变计的工作情况，影响测量结果的正确性。,要求：,1.有一定的粘度 2.能准确传递应变 3.蠕变小 4.机械滞后小 5.耐疲劳性能好,6.具有足够的稳定性能 7.对弹性元件和应变计不产生化 学腐蚀作用 8.有适当的储存

10、期 9.应有较大的温度使用范围,28,3.4.1 应变计的粘贴,分类：,有机粘合剂：通常用于低温、常温和中温。,无机粘合剂：常用于高温。,选用粘合剂时，要根据应变片的工作条件、工作温度、潮湿程度、有无化学腐蚀、稳定要求、加温加压、固化的可能性、粘贴时间长短要求等因素考虑。并注意粘合剂的种类是否与应变片基底材料相适应。,如何选用粘合剂,29,30,优良的电阻应变片和粘合剂，只有在正确的粘贴工艺基础上才能得到良好的测试结果。因此，正确的粘贴工艺对保证粘贴质量，提高测试精度关系很大。,3.4.2 应变计粘贴工艺,31,一、应变片检查 1.外观检查 线栅或箔栅的排列是否整齐均匀，是否有造成短路、断路的

11、部位或有锈蚀斑痕；引出线焊接是否牢固；上下基底是否有破损部位。 2.电阻值检查 对经过外观检查合格的应变片，要逐个进行电阻值测量，其值要求准确到0.05，配对桥臂用的应变片电阻值应尽量相同。,32,二、修整应变片 1.对没有标注中心线标记的应变片，应在其上基底上标出中心线； 2.如果有需要应对应变片的长度和宽度进行修整，但修整后的应变片不可小于规定的最小长度和宽度； 3.对基底较光滑的胶基应变片，可用细砂布将基底轻轻少许打磨，并用溶剂洗净。,33,三、试件表面处理 为了使应变片牢固地粘贴在试件表面上，必须将要贴应变片的试件表面部分使之平整光洁、无油漆、锈斑、氧化层、油污和灰尘等。 四、划粘贴应

12、变片的定位线 为了保证应变片粘贴位置的准确，可用划笔在试件表面画出定为线。粘贴时，应使应变片的中心线与定为线对准。,34,五、粘贴应变片 在处理好的粘贴位置上和应变片基底上，各涂抹一层薄薄的粘合剂，稍待一段时间（视粘合剂的种类而定），然后将应变片粘贴到预定的位置上。在应变片上面放一层玻璃纸或一层透明的塑料薄膜，然后用手滚压挤出多余的粘合剂，使粘合剂层的厚度尽量减薄。 六、粘合剂的固化处理 对粘合好的应变片，依粘合剂固化要求进行固化处理。,35,七、应变片粘贴质量的检查 1.外观检查 观察粘合层是否有气泡，整个应变片是否全部粘贴牢固，有无造成断路、短路等危险部位，还要观察应变片的位置是否正确；

13、2.电阻值检查 应变片的电阻值在粘贴前后不应有较大的变化； 3.绝缘电阻检查 应变片电阻丝与试件之间的绝缘电阻一般应大于200M。用于检查绝缘电阻的兆欧表，其电压不应高于250V，而且检查通电时间不宜过长，以防应变片击穿。,36,八、引出线的固定保护 粘贴好的应变片引出线与测量用导线焊接在一起，为了防止应变片电阻丝和引出线被拉断，用胶布将导线固定于试件表面，但固定时要考虑使引出线有呈弯曲形的余量和引线与试件之间的良好绝缘。 九、应变片的防潮处理 应变片粘贴好固化之后，要进行防潮处理，以免潮湿引起绝缘电阻和粘合强度降低，影响测试精度。 简单的方法是在应变片上涂一层中性凡士林，有效期为数日。最好用

14、石蜡或蜂蜡熔化后涂在应变片表面（厚约2mm），可常时间防潮。,37,3.5 电桥原理-电阻应变片的测量电路,电桥测量电路是将非电量输入转换为电量输出的最常用的办法。,分类：直流供桥放大和交流供桥载波放大,3.5.1直流供桥放大,38,12两点的开路电压：,电桥平衡时If = 0，或USC = 0，有：,电桥平衡条件：邻臂之比相等或对臂乘积相等。,39,40,分析:电桥电压U一定时，n取何值，电桥灵敏度最高。,41,42,对于一般应变片来说，所受应变通常在5000以下，若取K=2，则： 但若对半导体应变计，K=130，当承受应变为1000时：,43,（1）提高桥臂比 提高桥臂比n可以减小线性误差

15、，但n增大同时会降低灵敏度，为了不降低灵敏度，必须适当提高供桥电压U 。 （2）采用差动电路 半桥差动电路或全桥差动电路,减小或消除非线性误差、提高灵敏度的方法,44,半桥差动电路,如果桥臂电阻R1和邻边桥臂电阻R2都用应变片代替，且使其中一个应变片受拉力，另外一个受压力，这种接法就称为半桥差动工作电路。,45,半桥差动电路,46,全桥差动电路：,如果四个桥臂电阻都由应变片代替，且使两个应变片受拉,另两个受压，并将应变片符号相同的应变片接到相对的桥臂上，这种接法称为全桥差动工作电路。,47,全桥差动电路,48,（3）采用高内阻的恒流源电桥,49,优点： 1.高稳定的直流电源容易获得，输出是直流

16、量，精度高； 2.连接导线要求低，不会引起分布参数； 3.在实现预调平衡时电路简单，仅需对纯电阻加以调整即可。 缺点： 1.容易引起工频干扰。 2.由于电桥输入电压都很小，后续电路要采用直流放大器，易产生零点漂移，线路比较复杂。,直流电桥的优缺点：,50,FQJ-型教学用非平衡直流电桥,51,实验所用装置,52,当采用交流供桥载波放大时，应变电桥也需交流电源供电。这时应考虑分布电容的影响，相当于应变计并联一个电容。,3.5.2 交流电桥的平衡条件和电压输出,53,平衡条件： 不仅各桥臂复阻抗的模要满足一定的比例关系，且相对桥臂的幅角和必须相等。,其中：r1r4，x1x4分别为各桥臂的电阻和电抗

17、； z1z4，14分别为各复阻抗的模值和复角。,54,交流电桥的调平方法,电阻调平法：,55,电容调平法：,56,当Z1Z时，同直流电桥分析方法得出：,57,交流电压的不平衡输出：,58,3.6 温度误差及其补偿方法,3.6.1温度误差产生的原因,应变计的温度误差：（热输出）由于环境温度改变而带来的误差，称为应变计的温度误差。,电阻应变计由于温度的变化引起的电阻变化与试件应变造成的电阻变化几乎具有相同的数量级，如果不采取适当措施加以解决，应变计将无法正常工作。,59,热输出是由应变计敏感栅材料的电阻温度系数和敏感栅材料与被测试件材料之间线膨胀系数的差异共同作用、迭加的结果。,原因有二点：,1.

18、敏感栅金属丝电阻本身随温度发生变化。,为应变丝的电阻温度系数,60,2.试件材料与应变丝材料的线膨胀系数不一致，使应变丝产生附加变形而造成的电阻变化。,61,62,由上式可知：由于温度变化引起了附加电阻变化或造成了虚假应变，从而给测量带来了误差。 电阻变化除与环境温度变化T有关外，还与应变计本身的性能参数k，构件，丝有关。,视应变（总附加虚假应变量）：,63,热输出是静态应变测量中最大的误差源，而且应变计的热输出误差随着热输出值的增大而增大。当测试环境存在温度梯度或瞬变时这种差异就更大。因此，理想的情况是应变计的热输出值等于零。,温度变化还可以通过其他的途径来影响应变计的工作。例如温度变化将影

19、响到粘合剂传递变形的能力，温度过高甚至会使粘合剂软化完全丧失传递变形能力。,在常温和正常工作条件下，这两个因素是造成应变计温度误差的主要原因。,64,1.电桥补偿法； 2.辅助测温元件微型计算机补偿法； 3.应变计自补偿法； 4.热敏电阻补偿法。,3.6.2 温度补偿方法,65,在被测试件上安装一个工作应变计，在另外一个与被测试件的材料相同，但不受力的补偿件上安装一个补偿应变计。 要求：补偿件与被测试件处于完全相同的温度场内。 测量时， 使两者接入电桥的相邻臂上。 例如：R1为工作应变片，R2为 温度补偿片。,1.电桥补偿法（补偿片法）,66,由于补偿片R2与工作片R1完全相同，且都贴在同样材

20、质的试件上，并处于同样的温度下，这样由于温度变化使工作片产生的电阻变化R1,与补偿片电阻变化R2相等。,67,即电桥平衡条件仍成立,68,电阻R1,R2必须属于同一个批号的，即他们的电阻温度系数、线膨胀系数、应变灵敏系数K都相同，两片的初始电阻值也要求相同； 用于粘贴补偿片的构件和粘贴工作片的试件二者材料必须相同，即要求两者线膨胀系数相等； 两应变片处于同一温度环境中。,电桥补偿要达到完全补偿，需满足下列三个条件：,69,桥路补偿的优点： 方法简单、方便，在常温下补偿效果较好。 其缺点： 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。,70,2.辅

21、助测温元件微型计算机补偿法,该方法的基本思想是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结二极管等等。 测温元件的输出和应变计感受到的信号一样均被传送给计算机，通过软件进行补偿。,71,自补偿应变计是一种特殊的应变计。当温度变化时，产生的附加应变为0或者相互抵消。 用自补偿应变计进行温度补偿的方法叫应变计自补偿法。 选择式自补偿应变计 双金属敏感栅自补偿应变计,3.应变计自补偿法,72,（1）选择式自补偿应变计（单丝自补偿） 实现温度补偿的条件为：,缺点： 一种值的应变计只能用于一种材料上，局限性大。,73,（2）双金属敏感栅自补偿应变计（组合式自补偿应变计1） 该种应变计是利用两种不同电阻丝材料的电阻温度系数符号不同（一个正、一个负）