第2章 电阻应变式传感器.ppt.ppt

第2章 电阻应变式传感器 Resistance Strain Gage,电阻应变式传感器概述,工作原理：金属丝、箔、薄膜在外界应力作用下电阻值变化的效应电阻应变效应,结构简单，使用方便,可测力、压力、位移、应变、加速度等物理量；,易于实现自动化、多点及远距离测量、遥测；,灵敏度高，测量速度快，适合静态、动态测量；,应变片用于各种电子衡器,磅秤,电子天平,材料应变的测量,斜拉桥上的斜拉绳应变测试,汽车衡称重系统,汽车衡,2.1 电阻应变片的工作原理,金属的电阻应变效应,金属丝的电阻随着它所受的机械变形的大小而发生相应的变化的现象称为金属的电阻应变效应。,金属丝受拉时，l变长、r变小，导致R变大。,金属丝的轴向应变；,金属丝的径向应变（dS/S=2dr/r）,y=-x；泊松系数；(Poisson ratio),式中：KS 金属丝的灵敏系数；(gage factor),令：,在金属丝的弹性范围内，灵敏系数KS 为常数，即：,线性关系,x通常很小，常用10-6表示之。例如，当 x为0.000001时，在工程中常表示为110-6或m/m。在应变测量中，也常将之称为微应变()。对金属材料而言，当它受力之后所产生的轴向应变最好不要大于110-3，即1000m/m，否则有可能超过材料的极限强度而导致断裂。,2.2.1应变片的基本结构,2.2 电阻应变片的结构、种类和材料,2.2.2应变片的种类,1.金属丝式应变片(bonded metal-wire gage)直径在0.0120.05mm的金属丝；,2.金属箔式应变片(bonded metal-foil gage)厚度在0.0010.01mm的金属箔；,箔式应变片中的箔栅是金属箔通过光刻、腐蚀等工艺制成的。箔的材料多为电阻率高、热稳定性好的铜镍合金。箔式应变片与片基的接触面积大得多，散热条件较好，在长时间测量时的蠕变较小，一致性较好，适合于大批量生产。还可以对金属箔式应变片进行适当的热处理，使其线胀系数、电阻温度系数以及被粘贴的试件的线胀系数三者相互抵消，从而将温度影响减小到最小的程度，目前广泛用于各种应变式传感器中。,3.金属薄膜式应变片(vacuum-deposited thin-metal-film gage,sputter-deposited thin-metal-film gage)厚度在0.1m以下的金属箔；,2.2.3 应变片的材料,1.敏感栅材料,2.基底材料,3.黏合剂材料,2.3应变片的主要参数,2.绝缘电阻：要求1010欧姆；,3.应变片的灵敏系数（K）,4.机械滞后,5.零漂和蠕变,6.应变极限、疲劳寿命,7.允许电流,8.横向效应(transverse effect),9.动态响应特性,当被测应变值随时间变化的频率很高时，需考虑应变片的动态特性。因应变片基底和粘贴胶层很薄，构件的应变波传到应变片的时间很短(估计约0.2s)，故只需考虑应变沿应变片轴向传播时的动态响应。设一频率为 f 的正弦应变波在构件中以速度 v 沿应变片栅长方向传播，在某一瞬时 t，应变量沿构件分布如图所示。,0,应变片,1,l,xt,x,设应变波波长为，则有=v/f。应变片栅长为L，瞬时t时应变波沿构件分布为 应变片中点的应变为 xt为t瞬时应变片中点的坐标。应变片测得的应变为栅长 l 范围内的平均应变m，其数值等于 l 范围内应变波曲线下的面积除以 l，即,平均应变m与中点应变t相对误差为,由上式可见，相对误差的大小只决定于 的比值，表中给出了为1/10和1/20时的数值。,由表可知，应变片栅长与正弦应变波的波长之比愈小，相对误差愈小。当选中的应变片栅长为应变波长的（1/10-1/20）时，将小于2%。因为式中 应变波在试件中的传播速度；f应变片的可测频率。取，则若已知应变波在某材料内传播速度，由上式可计算出栅长为L的应变片粘贴在某种材料上的可测动态应变最高频率。,基长l0（mm）1 2 3 5 10 15 20最高工作频率（KHz)250 125 83.3 50 25 16.6 12.5,下表为钢材，v=5000m/s,20的计算结果,2.4应变片的应用,2.4.1应变片的选择,应变片类型的选择,2.材料的选择,3.阻值的选择,4.尺寸的选择,2.4.2应变片的使用,1.去污：采用手持砂轮工具除去构件表面的油污、漆、锈斑等，并用细纱布交叉打磨出细纹以增加粘贴力，用浸有酒精或丙酮的纱布片或脱脂棉球擦洗。,2.贴片：在应变片的表面和处理过的粘贴表面上，各涂一层均匀的粘贴胶，用镊子将应变片放上去，并调好位置，然后盖上塑料薄膜，用手指揉和滚压，排出下面的气泡。,3.测量：从分开的端子处，预先用万用表测量应变片的电阻，发现端子折断和坏的应变片。,4.焊接：将引线和端子用烙铁焊接起来，注意不要把端子扯断。,5.固定：焊接后用胶布将引线和被测对象固定在一起，防止损坏引线和应变片。,2.5 转换电路,电路的作用：将电阻的变化量转换为电压输出。常采用直流电桥和交流电桥。,2.5.1恒压源直流电桥,如图所示。电源E为恒压源，其内阻为零。根据电路学中的克希霍夫定律，列出电路方程：,式中 R0为负载电阻，因而其输出电压U0为:,联立求解上述方程，求出检流计中流过的电流Io为:,当R1R4=R2R3时，I0=0，U0=0，即电桥处于平衡状态。若电桥的负载电阻R0为无穷大，则B、D两点可视为开路，上式可以化简为:,设R1为应变片的阻值，工作时R1有一增量R1，当为拉伸应变时，R1为正；压缩应变时，R1为负。在上式中以R1+R1代替R1，则,(2-12),由于R1 R1,略去(2-13)分母中的 R1/R1得：,定义桥臂比：,(2-14),(2-15)当dKU/dn=0时，dKU最大，此时n=1；即R2=R1；R4=R3当n=1时，电桥为等臂电桥，其输出电压为：(2-16),定义电桥灵敏度：,单臂直流电桥的非线性误差如果不略去（2-13）式中分母的R1/R1项，则电桥实际输出值为U0，非线性误差为：当n=1时，,对于一般金属应变片来说,所受应变通常在510-3以下，若取灵敏度K=2,则R1/R1=K=0.01,计算得非线性误差为0.5%；若半导体应变片灵敏度K=130,=10-3时,R1/R1=0.130，则得到非线性误差为6.5%,故当非线性误差不能满足测量要求时,必须予以消除。,差动电桥,两臂差动电桥的输出电压为：,设初始时为R1=R2=R3=R4=R；则上式为,若采用四臂差动电桥（全桥），如图，并设初始时R1=R2=R3=R4=R；工作时各个桥臂中电阻应变片电阻的变化为：R1、R2、R3、R4；则电桥输出为：,若R1=R4=R2=R3=R，则有,2.5.2恒流源电桥,设供电电流为I，当R1=0时，且负载电阻很大，通过各臂的电流为,输出电压为：,若电桥初始处于平衡状态，且R1=R2=R3=R4=R；当R1变为R+R时，电桥输出电压为,2.5.3交流电桥,交流载波放大器具有灵敏度高、稳定性好、外界干扰和电源影响小及造价低等优点，但存在工作频率上限较低、长导线时分布电容影响大等缺点。直流放大器工作频带宽，能解决分布电容问题，但它需配用精密稳定电源供桥，造价较高。近年来随着电子技术的发展，在数字应变仪、超动态应变仪中已逐渐采用直流放大形式的测量线路。,1交流电桥的平衡条件交流电桥电路如图所示,输出电压为,平衡条件为：,设各臂阻抗为:,式中，ri、xi为相应各桥臂的电阻和电抗，Zi和i为复阻抗的模和幅角。,忽略分母中的阻抗相对变化量，则,当考虑导线电容时,则,2交流电桥的平衡调节,对于纯电阻交流电桥，由于应变片连接导线的分布电容，相当于在应变片上并联了一个电容，如图，所以在调节平衡时，除使用电阻平衡装置外，还要使用电容平衡装置，,2.6电阻应变片的温度误差及其补偿 1.温度误差及其产生原因,用作测量应变的金属应变片，希望其阻值仅随应变变化，而不受其它因素的影响。实际上应变片的阻值受环境温度(包括被测试件的温度)影响很大。由于环境温度变化引起的电阻变化与试件应变所造成的电阻变化几乎有相同的数量级，从而产生很大的测量误差，称为应变片的温度误差，又称热输出。因环境温度改变而引起电阻变化的两个主要因素：应变片的电阻丝(敏感栅)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。,环境温度变化时，敏感栅电阻随温度的变化引起的误差。,敏感栅的电阻丝阻值随温度变化的关系可用下式表示,式中:t金属丝的电阻温度系数;t温度变化值,tt t0。,当温度变化t时,环境温度变化时，试件材料的线膨胀引起的误差,应变片灵敏系数,被测试件膨胀系数,应变片敏感栅材料的膨胀系数,因此，由于温度变化形成总的电阻相对变化为,温度变化形成的总电阻相对变化：相应的虚假应变为上式为应变片粘贴在试件表面上，当试件不受外力作用，在温度变化t 时，应变片的温度效应。用应变形式表现出来，称之为热输出。可见，应变片热输出的大小不仅与应变计敏感栅材料的性能(,s)有关，而且与被测试件材料的线膨胀系数(g)有关。,例如：试件为钢材，电阻丝为康铜丝，,则,相当于作用的应变为,引起的应力误差为,当应变片的测量范围为100120N/mm2时，引起的误差为1，需补偿。,2.温度误差补偿方法,（1）自补偿法1）单丝自补偿由前式知，若使应变片在温度变化t时的热输出值为零，必须使每一种材料的被测试件，其线膨胀系数g都为确定值，可以在有关的材料手册中查到。在选择应变片时，若应变片的敏感栅是用单一的合金丝制成，并使其电阻温度系数和线膨胀系数s 满足上式的条件，即可实现温度自补偿。具有这种敏感栅的应变片称为单丝自补偿应变片。,单丝自补偿应变片的优点是结构简单，制造和使用都比较方便，但它必须在具有一定线膨胀系数材料的试件上使用，否则不能达到温度自补偿的目的。,如图（a）,应变片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,R1t=R2t,该方法补偿效果可达0.45。,2）双丝组合式自补偿,（a）,(b),温度补偿。这种应变片的自补偿条件要求粘贴在某种试件上的两段敏感栅，随温度变化而产生的电阻增量大小相等，符号相反，即,组合式自补偿应变片的另一种形式是用两种同符号温度系数的合金丝串接成敏感栅，在串接处焊出引线并接入电桥，如图(b)。适当调节R1与R2的长度比和外接电阻RB的值，使之满足条件 即可满足温度自补偿要求,（2）桥路补偿法,常用的最好的补偿方法是电桥补偿法。,补偿原理：桥路相临两臂增加相同电阻，对电桥输出无影响。电桥输出电压Uo与桥臂参数的关系为,Uo=A（R1 R4 RB R3),式中:R1工作应变片；RB补偿应变片,差动电桥补偿法,测量梁的弯曲应变时，将两个应变片分贴于上下,两面对称位置，特性相同，所以二电阻变化值相同而符号相反。但 按图接入电桥，因而电桥输出电压比单片时增加1倍。,当梁上下面温度一致时，可起温度补偿作用。,热敏电阻补偿法,热敏电阻Rt与应交片处在相同的温度下，当应变片的灵敏度随温度升高而下降时，热敏电阻的阻值下降，使电桥的输入电压随温度升高而增加，从而提高电桥的输出电压。选则分流电阻的值可以使应变片灵敏度下降对电桥输出的影响得到很好的补偿。,2.7电阻应变式传感器,2.7.1电阻应变式力传感器,1柱式力传感器,柱式力传感器的弹性元件分实心和空心两种，如图。其特点是结构简单，可承受较大载荷，最大可达107N，在测103105N载荷时，为提高变换灵敏度和抗横向干扰，一般采用空心圆柱结构。,根据材料力学，柱沿轴向的应变为,应变的大小取决于S、E、F，与轴长度无关。,即：F/S=b；S=d/4得：,BLR1型拉力传感器,应变式荷重传感器外形及受力位置,F,F,悬臂梁式：,等截面梁：,=6Fl0/Ebh,=6lF/Eb0h,等强度梁：,2梁式力传感器,双孔平行梁：,抗弯断面系数,差动电桥输出：,可见载荷的位置不影响输出,载荷可以施加在任何位置，都可以,简化为作用于梁端部的力F及一个力偶M,S型双孔梁,差动电桥输出：,抗弯断面系数,应变式力传感器,F,F,F,F,吊钩秤,便携式,各种悬臂梁,F,F,固定点,固定点,电缆,剪切弹性模量,梁长度的中间截面弯矩为零，中性层处是最大剪应变所在处，为此将电阻应变片安装在该截面的中性层上，栅丝与中性层成45方向，即最大正应变方向。,四片应变片接成全桥电路后，电桥输出指示的应变与外力的关系为：矩形截面梁：工字形截面梁：,减小弯矩影响的剪切力传感器贴片方式,轮辐式剪切力传感器,2.7.2 电阻应变式压力传感器,1平膜片式压力传感器,在膜片中心（R=0），r、t达到正最大值；当r0.635r0时，r=0；当r0.635r0时，r产生负值；当rr0时，t=0，r达到负最大值。一般用小栅长应变片在膜片中心沿切向贴两片，在边缘处沿径向贴两片，并接成全桥线路，以提高灵敏度和进行温度补偿。,2.筒式压力传感器,若筒壁较薄时，可用下式计算应变 式中，筒的外径与内径之差，=D0D。,(b)(c)贴片方式可实现温度补偿,2.7.3电阻应变式加速度传感器,加速度传感器系统模型,2.8电阻应变仪,2.9 压阻式传感器是利用硅的压阻效应和微电子技术制成的，是一种新的物性型传感器。优点：灵敏度高、动态响应好、精度高、易于微型化和集成化等。,2.9.1 基本工作原理 单晶硅材料在受到应力作用后，其电阻率发生明显变化，这种现象被称为压阻效应。,电阻相对变化量,用于制作半导体应变片的材料最常用的是硅和锗。在硅和锗中渗进硼、铝、镓、铟等杂质，可以形成P型半导体；如渗进磷、锑、砷等，则形成N型半导体。渗入杂质的浓度越大，半导体材料的电阻率就越低。,由表可见，半导体是各向异性材料，其压阻系数与晶向密切相关。N型硅的100晶向、P型硅的111晶向、N型锗的111晶向、P型锗的111晶向，其灵敏系数比金属丝应变片要大几十倍。,2.9.2半导体应变片,1压阻式压力传感器,2压阻式加速度传感器,2.9.4压阻式传感器输出信号调理,由MAXIM1450压阻式传感器专用芯片构成的测量电路,