第二章电阻式传感器2011.ppt

1、信息获取技术,主讲教师：应捷 办公室：光电学院309 Email: ,2,主要内容,3,第一节 应变式传感器,非电量,应变,电阻应变片 弹性元件,电阻变化,电量,传感器,一.金属电阻应变片的工作原理 1. 工作原理 导体的 应变电阻 效应,金属丝伸长后几何尺寸变化,Strain gage transducer,4,可得：,金属应变片工作原理,5,金属丝应变灵敏系数,材料几何 尺寸变化,材料物理特性变化,6,2、应变片的基本结构与测量原理,主要结构参数：,规格以使用面积和电阻值来表示：,Electronic resistance strain gage (计量器),7,应变计,金属应变片,8,灵

2、敏度高、精确度高； 尺寸小、重量轻，简单; 测量范围大； 适应性强； 便于多点测量; 频率响应特性好。,金属应变片的优点:,测量原理:,测量原理,9,二、金属电阻应变片的类型和材料,丝式应变片一般多用纸基，价格低、粘贴容易，但耐久性、耐湿性较差，横向效应大，在要求不高时可用；,要求：电阻系数高，电阻温度系数小，强度高，延展性好，对铜的热电势尽可能小，耐磨耐腐蚀，焊接性好。 常用材料：铜镍合金类、铜锰合金类、铂铱合金类、镍铬丝、卡玛丝及银钯丝等。,类型：金属丝式、箔式、薄膜式,(1) 丝式：金属丝 d=0.0120.05mm,10,几种箔式应变计,(2) 箔式：（厚膜） 膜厚 25um左右 光刻

3、,箔式应变片多用胶基，可用于150以下的中温和常温测试，它绝缘性能好，参数分散性小，精度高，在应变测量中应用最广泛。,11,（3）薄膜式： 膜厚 0.1um 沉积或真空蒸镀 金属膜式在玻璃或胶木基体上，用高温蒸镀或电镀方法，涂覆一层金属膜而制成。 优点：温度系数小，可在高温环境下工作。 缺点：耐磨性差、功率小、阻值不高(1k2k)。,12,三、金属应变片的工作特性,1、灵敏系数：,实验表明：,2、横向效应,直线段：轴向拉应变 ，电阻值增大,圆弧段：除存在轴向应变外，还存在横向负应变,，造成电阻值减小，因而灵敏度减小。,应变片的灵敏系数小于电阻丝的 灵敏系数。,13,3.机械滞后,原因：残余变形

4、,4.零漂和蠕变,零漂：,蠕变：,机械滞后,三、金属应变片的工作特性,14,5.应变极限和疲劳寿命,应变极限：表明应变片在不超过规定非线性误差（一般为10）时，所能经受的最大真实应变值。,疲劳寿命：在恒定幅值交变力的作用下，连续工作不产生疲劳损坏的循环次数N.,应变极限,三、金属应变片的工作特性,15,6、最大工作电流和绝缘电阻,最大工作电流： 允许通过应变片而不影响其工作的最大电流值。,静态测量约取25mA， 动态测量可高一些。,绝缘电阻：应变片引线和被测试件之间的电阻值,要求：,7、应变片的电阻值,应变片未经安装、不受力、室温下测得的电阻值,目前常用的电阻系列有：60、120、200、35

5、0、500、1000、1500等，其中以120最常用。,三、金属应变片的工作特性,16,8.动态特性,测量变化频率较高的动态应变时，应变片反映敏感栅长度内的平均应变。 应变波传播速度V=声波，,设某瞬间应变波传播过程：,1）正弦输入信号：,三、金属应变片的工作特性,17,应变片对正弦波响应的误差曲线,由此可计算给定误差情况下一定基长应变片的最高工作频率。,令 =v/f,n, (%),18,四.转换电路,(一)直流电桥,平衡条件：R1 R4 =R2 R3,不平衡时，求得负载电流：,输出电压,1.一般情况,19,当电阻引起增量时,设等臂电桥,2.当 时,20,此式表明：,a.电桥输出电压与应变成线

6、性关系。,b.若相邻两桥臂的应变极性一致，即同为拉应变或压应变时，输出电压为两相邻桥臂之差；若相邻两桥臂的极性不一致时，则输出电压为两者之和。,c.若相对桥臂的应变极性一致，输出电压为两者之和；反之为两者之差。,21,3.单臂工作,-n为桥臂比,电压灵敏度：,输出电压：,22,单臂工作的非线性误差,n1时，K最大。此时：,式中U0为实际值，U0为近似值。n=1时，有：,23,4.两臂差动工作,输出灵敏度提高一倍，并有温度补偿作用。,等臂时，,得：,24,四臂差动,进一步提高输出灵敏度。,25,五、温度误差及补偿,（一）温度误差 1) 电阻温度系数,2) 线膨胀系数不同，使电阻变化,t：电阻温度

7、系数 g：试件膨胀系数 s：敏感栅膨胀系数,26,温度误差的大小,例如试件为钢材，电阻丝为康铜丝，=2010-6/, g=1110-6/, s= 1510-6/，K=2,钢材的弹性模量E=20104N/mm2, 在t=1 时：,t= 1引起的应变变化：,因此，当电阻应变片的测量范围为100120N/mm时，如果温度变化1，则将造成1%以上的测量误差。,t= 1引起的电阻变化：,引起的应力变化：,27,1. 自补偿法 (1）单丝,（二）补偿方法,t与退火温度的关系曲线,28,常用材料的膨胀系数,29,(2)双丝串接,材料的电阻温度系数 符号不同,材料的电阻温度系数 符号相同,30,2、电路补偿法

8、,(2)直接补偿如图 应变片直接粘贴在试件上下两侧,(3)热敏电阻,R1工作应变片，安装在被测试件上； RB补偿应变片，安装在补偿块上，与被测试件温度相同，但不承受应变。,(1)采用温度补偿应变片,31,六. 应变式传感器,（一）应变式传感器的组成,应变片,1.受力构件,2.弹性元件,弹性元件设计主要要求：灵敏度高，刚度够足，线性好，固有振动频率高,（二）电阻应变式力传感器,测量范围广：,精度高：,线性好；工作性能稳定、可靠,32,其弹性元件如图,应变片粘贴处要大的曲率半径或平面，以保证粘贴质量。传感器对称布片，纵横向贴片，并用桥路连接方式,作用：减小横向力和弯矩的影响，并温度补偿且提高灵敏度

9、。,1.柱式力传感器,33,R2,R3,R1,R4,R1,R2,R3,R4,Uo,U,F,受力图及贴片示意图,电桥电路图,柱式力传感器示例,34,传感器所受力与输出电压成正比关系。,柱式力传感器示例,35,2、梁式应变力传感器,（b）等截面粱,（a）等强度粱,36,等强度梁式应变力传感器,37,（三）应变式压力传感器1.膜片,38,筒式压力传感器 测较大压力,机床液压系统的压力（106107Pa）， 枪炮的膛内压力（108Pa）， 动态特性和灵敏度主要由材料的E值和尺寸决定,39,（四）电阻应变式加速度传感器,原理图,(1) 质量块位移与加速度成正比线性关系；,(2)固有频率 越大，传感器灵敏

10、度愈低，适于低频测量；,(3)固有频率愈高，测量频率范围愈宽。,质量块,应变片,悬臂梁,硅油 阻尼液,40,举例：电阻应变式称重计,41,举例：电阻应变式称重计,42,举例：电阻应变式称重计,43,实例：振动式地音入侵探测器,适合于金库、仓库、古建筑的防范，挖墙、打洞、爆破等破坏行为均可及时发现。,电阻式传感器,44,应变式力传感器的应用-电子皮带秤,45,第二节 压阻式传感器,为压阻系数,固体受到作用力后，电阻率发生变化，这种效应称为压阻效应。,一. 压阻效应：,半导体应变片灵敏系数高，机械滞后和蠕变小，频率响应好；但参数离散度大，温度影响大，线性范围小。半导体应变计多用于测量小的应变。,46,1. 晶向,二. 影响压阻系数的因素,根据外界应力相对晶轴的方向，分为纵向应力和横向应力， 当半导体同时受到两向应力作用时：,47,表1 硅压阻系数的典型数据,48,压阻系数与表面杂质的浓度的关系,2.扩散杂质的表面浓度,压阻系数随扩散杂质浓度的增加而减小， 表面杂质浓度相同时，P型硅的压阻系数值比N型硅的(绝对)值高。,49,3. 环境温度,压阻系数与温度的关系,50,三.压阻式力传感器,半导体应变片,51,当圆形膜片半径电阻几何尺寸，则,在周边固定的圆形硅膜片上：,径向应力,切向应力,晶体的压阻系数又与晶向有关，可以计算或查表得出,52,四.压阻式加速度传感器,当质量块受加速