02 - 电阻式传感器3.ppt

1、,（1）电阻应变效应 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”。 （1856年英国物理学家 W. Thomson 发现）,第二章 电阻式传感器原理与应用 2.1 应变式传感器 一、工作原理,金属电阻丝，在其未受力时，原始电阻值为,图 金属电阻丝应变效应,式中： 电阻丝的电阻率； l电阻丝的长度； A电阻丝的截面积。,F l、A 、 R,电阻值相对变化量为,式中：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=2r dr，则,由材料力学可知，在弹性范围内，金属丝受拉力时，沿轴向伸

2、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。,综合以上各式,可得:,电阻丝的灵敏系数（物理意义）： 单位应变所引起的电阻相对变化量,一是受力后材料几何尺寸的变化,即1+2 二是受力后材料电阻率的变化,即(d/）/ 对金属材料： 1+2(d/)/ 对半导体材料：(d/)/1+2 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?,灵敏系数K受两个因素影响:,分析：,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;

3、E半导体材料的弹性模量; 半导体材料的应变。,因此：,实验证明， E比1+2大上百倍，所以1+2可以忽略，因而半导体应变片的灵敏系数为,（2） 应变片的基本结构和测量原理,基本结构,金属电阻丝应变片的基本结构 1-基片；2-电阻丝；3-覆盖层(保护层)；4-引出线,电阻丝是应变片的核心部分，它粘贴在绝缘的基片上，其上再粘贴起保护作用的覆盖层，两端焊接引出导线。基片要将被测体的应变准确地传递到敏感栅上，因此它很薄，一般为0.030.06mm,使它与被测体及敏感栅能牢固地粘合在一起，此外它还应有良好的绝缘性能、抗潮性能和耐热性能。基片和覆盖层的材料有胶膜、纸、玻璃纤维布等。,金属电阻丝应变片的基本

4、结构 1-基片；2-电阻丝；3-覆盖层(保护层)；4-引出线,测量原理,将应变片粘贴于被测对象(试件)或弹性元件的表面,在外力作用下，被测对象产生微小机械变形，应变片敏感栅随着发生相同的变化，同时应变片电阻值也发生相应变化。通过转换电路获得电压或是电流的变化，便可得到被测对象的应变值。,二、应变片的类型、材料及粘贴,(一)、应变片的材料和类型,电阻应变片分为：金属丝式、金属箔式及 金属薄膜式等结构。,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,直径约为0.025mm 回线式：横向效应较大。 短接式：镀银丝短接，克服横向效应。 区别:圆弧结构和直接连接,金属丝式应变

5、片,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：沿轴向压应度y 电阻,K,l,y,x,横向效应,横栅,纵栅,横向效应,减小横向效应,金属箔式应变片,在绝缘基底上，将厚度为110 m电阻箔材，利用照相制板或光刻腐蚀的方法，制成适用于各种需要的形状,箔式应变片,金属薄膜应变片,采用真空蒸发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,是一种很有前途的新型应变片(趋势),采用各种结构的原因：稳定性

6、、可靠性,0.025mm,110m,0.1m,横向效应越来越小;电阻变薄 传递应变的效率提高,(二)、粘合剂和粘帖技术,粘合剂和粘贴技术对测量结果有直接影响。 粘合剂的选择： 考虑应变片材料和被测件材料性能。 要求粘接力强。 粘合层要有足够大的剪切弹性模量。,常用的粘贴剂有：硝化纤维素粘贴剂、酚醛树脂胶、 环氧树脂胶、502胶水等。 应变片的粘贴包括下列工艺步骤： 试件的表面处理 确定贴片位置 贴片 固化 粘贴质量检查,三、应变片的主要特性,（1）灵敏系数 用实验方法对应变片的电阻应变特性重新测定。 （2） 横向效应,粘结层传递变形失真 还存在有横向效应,应变片灵敏系数和金属丝灵敏相比,谁大?

7、为什么?,（3） 机械滞后 应变片粘贴在被测试件上，当温度恒定时，其加载特性与卸载特性不重合，即为机械滞后。,（4）零漂和蠕变,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。,恒定温度下, 粘贴在试件上的应变计, 在承受载荷的条件下, 电阻随时间变化的特性称为应变计的零漂。,（5）应变极限,粘贴在试件上的应变片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, 当应变片的指示应变值对真实应变值的相对误差大于10%时, 就认为应变片已达到破坏状态, 此时的真实应变值就作为该应变计的

8、应变极限。,（6）绝缘电阻和最大电流 绝缘电阻 已安装的应变片的引线与被测试件之间的电阻值,称为应变片的绝缘电阻 Rm检查应变片的粘贴质量与粘合剂是否干燥或固化的重要指标。 绝缘电阻越高越好。在室温下,应变片的绝缘电阻在5005000M之间。 绝缘电阻下降将使测量系统的灵敏度降低,最大工作电流: 允许通过敏感栅而不影响其工作特性的最大电流Imax. I过大，I2R过大，过热烧毁应变片，胶水的性能降低，不能准确反映应变,（7）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：60、120、200、350、500、1000 以120最为常用 可以加大应变片承受

9、电压 电阻值大 输出信号大 敏感栅尺寸也增大,1. 直流电桥,直流电桥的工作原理,IL=0时电桥平衡 平衡条件 :,R1R4=R2R3 R1/R2=R3/R4,四 电阻应变片的测量电路,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,采用等臂电桥，即R1= R2= R3=R4=R,当Ri R ( i=1,2,3,4) 时，略去上式中的高阶微量，则,Ri R时， U0与应变成线性关系。 U ,U0 但是，电阻应变片通过的电流 K， U0,单臂电桥，即R1桥臂变化R，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

10、.非线性误差及其补偿,减小非线性误差采用的措施为：,（1）采用半桥差动电桥,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,电桥电压灵敏度定义为:,输出电压为：,（2）全桥差动电路,严格的线性关系 电桥灵敏度比单臂时提高四倍 温度补偿作用,五、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,相应的虚假应变输出,可得由于温

11、度变化而引起的总电阻变化为,温度补偿,单丝自补偿法 自补偿法 组合式自补偿法 线路补偿法电桥补偿法、热敏电阻,温度补偿, 电桥补偿法,USC,R2,R4,R1,R3,E,桥路补偿法,当R3、R4为常数时，Rl和R2对输出电压的作用方向相反。,使用两个应变片: 在工作过程中补偿块不承受应变，仅随温度发生变形。,工作应变片,补偿应变片,当被测试件不承受应变时，R1和R2处于同一温度场，调整电桥参数，可使电桥输出电压为零，即 上式中可以选择R1=R2=R及R3=R4=R。 当温度升高或降低时，若R1t=R2t，即两个应变片的热输出相等，由上式可知电桥的输出电压为零，即,=,若此时有应变作用，只会引起

12、电阻R1发生变化，R2不承受应变。故由前式可得输出电压为,由上式可知，电桥输出电压只与应变有关，与温度无关。,根据被测试件承受应变的情况，可以不另加专门的补偿块，而是将补偿片贴在被测试件上，这样既能起到温度补偿作用，又能提高输出的灵敏度,图为一个梁受弯曲应变时，应变片R1和R2的变形方向相反，上面受拉，下面受压，应变绝对值相等，符号相反，将它们接入电桥的相邻臂后，可使输出电压增加一倍。当温度变化时，应变片R1和R2的阻值变化的符号相同，大小相等，电桥不产生输出，达到了补偿的目的。, 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互抵消，这种应变片称为

13、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,a.选择式自补偿应变片,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。,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 选择敏感栅材料,b 双金属敏感栅自补偿应变片 是由两种不同电阻温度系数（一种为正值，一种为负值）的材料串联组成敏感栅，以达到一定的温度范围内在一定材料的试件上实现温度补偿的,热敏电阻补偿,T K,Rt,URt,U = Ui - URt,K,六 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

14、式加速度传感器,将应变片粘贴于被测试件上，直接用来测定构件的应变或应力.,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,弹性元件：物体在外力作用下而改变原来尺寸或形状的现象称为变形， 而当外力去掉后物体又能完全恢复其原来的尺寸和形状，这种变形称为弹性变形。具有弹性变形特性的物体称为弹性元件。 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值。,(1)柱式力传感器,1 应变式力传感器,（a）实心圆柱；（b）空心圆筒；,(2)梁式力传感器,等截面梁, 等截面悬臂梁, 等强度悬臂梁, 双端固定梁,2. 应变式压力传感器,t,r,r,t,膜片式压力传感器,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。,筒式压力传感器,上一页,返 回,下一页,为了研究或验证机械、桥梁、建筑等某些构件在工作状态下的受力、