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1、第二篇 传感器原理,检测技术及仪表唐山学院 信息工程系,第一章 电阻应变传感器,检测技术及仪表唐山学院 信息工程系,检测技术及仪表唐山学院 信息工程系,教学目标：1.通过对本章的学习，掌握金属应变片传感器构成原理及特点2.通过对电阻应变片测量桥路的分析，掌握测量电桥的结构、形式、特点及相关的测量计算。,检测技术及仪表唐山学院 信息工程系,补充:弹性敏感元件,1.轴向应变： l =L/L（微应变、毫应变） 2.横向应变： r=d/d 3.泊松系数： -= l/r（当应力未超过一定限度时，泊松系数为常数） 4.应力：=F/A（柱式弹性元件在远离端面的截面上应力 的分布是均匀的） 5.虎克定律：=E

2、（E为弹性模量，在弹性范围内，应变与应力有线性关系）,检测技术及仪表唐山学院 信息工程系,第一节 基本知识 1.理论推导：,检测技术及仪表唐山学院 信息工程系,式中K0为应变灵敏度系数，由两部分组成：式中第一项中= - l/r ，取决于导体的几何尺寸变化，对于给定材料是一常数。 式中第二项取决于材料电阻率变化。 对于金属导体而言，机械应变所引起的电阻率变化很小，可以忽略不计。金属丝电阻相对变化与轴向应变成正比。通常K0在1.83.6范围内。 半导体电阻的受应力变化主要由电阻率变化引起的（压阻效应）。,检测技术及仪表唐山学院 信息工程系,压阻效应：电阻率的变化率与应力成正比。,由虎克定律：=E,

3、在应力作用下，半导体电阻的变化主要由压阻效应引起的， 远大于第一项。,检测技术及仪表唐山学院 信息工程系,第二节 金属应变片 一、基本类型及构成材料： 1.基本类型： 1）丝式：线径0.0120.05mm金属电阻丝绕成敏感栅。 2）箔式：采用光刻技术刻成很薄的金属箔栅。 3）薄膜式：厚度0.1 m以下。,1基底2敏感栅 3盖层4引线,检测技术及仪表唐山学院 信息工程系,2.构成材料： 1） 敏感栅：由金属细丝绕成栅形。应变片栅长大小关系到所测应变的准确度，应变片测得的应变大小是应变片栅长和栅宽所在面积内的平均轴向应变量。 对敏感栅的材料的要求： 应变灵敏系数大，并在所测应变范围内保持为常数；

4、电阻率高而稳定，以便于制造小栅长的应变片； 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,易于拉制成丝或轧压成箔材； 易于焊接，对引线材料的热电势小。 对应变片要求必须根据实际使用情况，合理选择。,检测技术及仪表唐山学院 信息工程系,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。基底的全长称为基底长，其宽度称为基底宽。 资料： 1）金属丝式应变片分为圆角线栅和直角线栅。 圆角线栅是最常见的形式，制造的设备和技术都简单，但横向效应较直角线栅和箔式应变片大。线栅采用圆

5、断面的康铜（或其他材料）制成，线材直径0.0120.05mm（0.025最常用），电阻一般在100欧以上。 直角线栅是数条线材平行放置，焊上大面积铜条，形成横向线和引线，减小横向效应的影响。其缺点是耐疲劳性能差。由于箔式应变片的出现而没有得到推广。,检测技术及仪表唐山学院 信息工程系,箔式应变片是在电子工程中印刷板电路和集成制造技术上发展的，是由轧制成厚度在00010.01mm（最薄的可达0.00035mm）之间的金属箔片经光刻技术制成的，材料一般选用康铜、镍铬合金。制造时现在箔片的一面上涂上粘合剂并加热，使之固化成薄膜做基底，然后在箔片的另一面涂上光致抗蚀剂，在光线照射下，分子会发生化学反应

6、而产生抗腐蚀的性能，保护其下面的金属材料。用光学投影的方法将预先绘制好的线栅图象投影到光致抗蚀剂的表面，然后用强酸将没有受到光线照射的金属箔腐蚀掉，最后在栅面涂保护层。亦有使用冲压的方法来制造箔式应变片的，适用于不能用光刻制造的材料。 箔式应变片横向较粗，减少横向效应，焊接引线的位置较宽，避免截面积突然变化而折断。箔式线栅与粘合层的接触面积大，能更好随同试件形变。,检测技术及仪表唐山学院 信息工程系,箔式优点： 1）批量生产时电阻离散度小，可制成任意形状，纵向长度（基长）可以做的很小（最小的0.2mm），用于应变梯度大的场合。 2）散热好、电流大 3）横向效应小 4）疲劳寿命长 5）柔性好，可

7、以贴在复杂的零件上。 6）蠕变小 7）在大批量生产的基础上价格便宜 基于这些优点，逐渐取代丝式应变片。,检测技术及仪表唐山学院 信息工程系,二、主要特性参数： 1.几何尺寸： 栅长、栅宽、基长、基宽 注：栅长（基）通常情况下为230毫米，箔式最小为0.2毫米，最长的达100毫米或更长，基长相对于基宽较小时会增加横向效应，应变传递性能差，粘贴困难，一般不用基长过小的应变片，除非是应变梯度大的场合。 栅宽（基）以较小为佳，能使应变片的整体尺寸减少，但会使电阻值减小，散热条件变坏，基宽一般在10毫米以下。,检测技术及仪表唐山学院 信息工程系,2.应变片电阻值：在应力测量中，使用最多为120欧的。 3

8、.灵敏系数K0 4.横向效应系数：在同一单向应变作用下，应变片的横向灵敏度与纵向之比。(与K0的方向相反，降低了应变片的灵敏系数) 5.应变极限： 6.最大工作电流：在静态时允许电流值一般为25毫安，在动态测量时，允许电流可达到75100毫安，箔式允许电流较大。 7.极限工作温度：指应变片在规定条件下，能保持其工作特性不变或在允许范围内变化的最高工作温度或最低工作温度。,检测技术及仪表唐山学院 信息工程系,第三节 应变式传感器 一、构成原理： 弹性体，电阻应变片，测量电路，显示记录。 弹性体：试件（弹性元件），例如悬臂梁 二、测量桥路：,检测技术及仪表唐山学院 信息工程系,思考：后续电路搭建？

9、,检测技术及仪表唐山学院 信息工程系,检测技术及仪表唐山学院 信息工程系,三、技术特性： 1.静态特性： 1）非线性：在规定条件下所得到的传感器校准曲线与理论拟合直线之间的最大偏差。非线性误差为： L=L/n100% n：传感器的额定输出，是指传感器在额定输入时的输入信号与零输入是的输出信号之间的代数差。 2）滞后误差（回差）：上、下行程之间输出最大差值 H=|H|/n100% 3）重复性误差：输入量按同一行程作全量程连续多次变动时所得特性曲线不一定程度 R=|R|/n100%,检测技术及仪表唐山学院 信息工程系,三、技术特性： 1.静态特性 4）灵敏度允差： 输出灵敏度：单位激励电压时传感器

10、额定输出S=n/Ui，标准输出灵敏度通常规定为1，1.5，2，2.5，3mV/V。允差：指允许的误差值，通常用百分比表示。 灵敏度允差：传感器实际输出灵敏度与标准灵敏度相对误差。 S=S/S0100% 例：已知某应变片传感器输出灵敏度为1mV/V，电源电压为10V，A/D转换器的参考电压为5V，放大器的倍数应如何选择？,检测技术及仪表唐山学院 信息工程系,三、技术特性： 2.蠕变特性：当被测量不变，所有环境条件和其它变量也保持恒定的情况下，传感器输出量随时间变化的特性。 蠕变原因是在温度和载荷作用下，粘贴剂和基底内部结构变化而引起的。 3.电气特性：激励电压、输入电阻、输出电阻、绝缘电阻（敏感

11、删与基底）。 4.动态特性：,检测技术及仪表唐山学院 信息工程系,三、技术特性： 5.温度特性： 零点温度漂移：通常用环境温度每变化10度所引起的零点输出变化与额定输出的百分比来表示。 额定输出温度漂移：通常用环境温度每变化10度所引起的额定输出变化与额定输出的百分比来表示。 6.稳定性：传感器在规定的校准期内，按实验规范检查其各项性能指标仍保持不超过允许误差范围的能力。 对应变传感器是指在一定时间内（不小于6个月）和相同条件下，传感器输出灵敏度最大相对变化量。,检测技术及仪表唐山学院 信息工程系,四、误差补偿 1.蠕变误差补偿： 2.温度误差补偿： （1）零点温度补偿 温度影响也可以看作是由

12、于应变片感受到某种“应变”，称为“虚假应变”或称“视应变”。 1）由温度引起的电阻率变化引起的视应变：2）由温度引起的试件长度变化：3）由温度引起的敏感栅受到附加应变： 补偿方法：在相应的桥臂上插入适当的铜电阻作为补偿（切割式调阻法P42、摩擦法调阻法P43）,检测技术及仪表唐山学院 信息工程系,例如：某试件为合金钢，其线膨胀系数为g=11*10-6/OC,其电阻应变片敏感栅材质是康铜，灵敏度系数K0=2.05，其电阻温度系数为=15*10-6/OC，线膨胀系数为s=11*10-6/OC，当传感器温度从10度变化到50度时，引起的电阻相对变化率是多少？折合成附加应变为多少？,检测技术及仪表唐山

13、学院 信息工程系,补充： 1）单丝自补偿法：选择合理的参数、，让视应变为0，局限性大。 2）双丝补偿法：敏感栅由正负电阻温度系数两种合金串接而成。,检测技术及仪表唐山学院 信息工程系,（2）额定输出温度影响补偿：额定输出温度影响是由于温度对弹性模量E和应变片灵敏度K影响造成的。 1）温度升高，E减小，由虎克定律：=E得到对于相同的应力，应变增加。 2）温度升高，灵敏度系数K增加。 补偿办法：电源输入电路串联一个具有正温度系数的电阻。,检测技术及仪表唐山学院 信息工程系,五、电阻应变传感器应用： 1.用途：应变，力，压力，扭矩，加速度 2.特点：测试范围宽，输出特性好，测量精度高、工作可靠、能适

14、应恶劣环境条件。 3形式：柱式和梁式 1）柱式应变片：轴向应变：l=F/SE横向应变：r=-l,检测技术及仪表唐山学院 信息工程系,2）悬臂梁：,对于等强度悬臂梁：,检测技术及仪表唐山学院 信息工程系,例：已知100欧姆应变片贴在柱壮弹性试件上，试件的横截面积S=0.5*10-4m2，弹性模量E=2*1011N/m2，在F=5*104N拉力的情况下电阻变化为1欧姆，求该应变片的灵敏度系数。（K=2） 例：一电子称使用等强度梁作为弹性元件，在梁的上下各贴两片电阻应变片（K=2），已知l=100mm，b=11mm，h=3mm， E=2*104N/mm2，电桥电压为6V，物体重量为0.5kg时，电桥

15、的输出电压是多少？（17.8mV）,检测技术及仪表唐山学院 信息工程系,补充： 1.惠斯登电桥分类： 根据电源：直流和交流 根据臂电阻不同配置：等臂、 卧式（输出对称，第一电桥） 和立式桥 根据工作应变片情况： 单臂桥：R1为工作应变片，R2 为补偿应变片 双臂桥：R1R2为工作应变片，R3R4为固定电阻（半桥） 全桥：,检测技术及仪表唐山学院 信息工程系,2.测量桥路分析： 开路电压：,电桥平衡：R1R3=R2R4，输出为零，称为电桥平衡。1）单臂桥分析：,忽略分母中R1可得：,检测技术及仪表唐山学院 信息工程系,各种形式单臂桥输出情况： 等臂桥： 第一对称电桥：(同上）第二对称电桥：R1=R4=R，R2=R3=R，令k=R/R,结论：K=1时灵敏度最大，除此之外灵敏度变小。,检测技术及仪表唐山学院 信息工程系,第二对称电桥，灵敏度系数随k变化关系图,检测技术及仪表唐山学院 信息工程系,2）半桥分析：R1=R1+R1，R2=R2-R2， R1= R2,对于等臂电桥和第一电桥： 对于第二电桥： 3）全桥分析：,检测技术及仪表唐山学院 信息工程系,根据泰勒级数展开公式： 可得：,思考：已知某应变片灵敏度系数K=2，测量桥路为单臂第一