电阻式传感器白.ppt

,第四章 电阻应变式传感器,绪论 4.1 电阻应变式传感器的工作原理 4.2 电阻应变片的种类，材料，参数 4.3 电阻应变片的动态响应特性 4.4 电阻应变片的温度误差及补偿 4.5 信号调节电路及电阻应变仪 4.6 电阻应变式传感器应用,弓形小载荷传感器,应变式称重组件,应变片图,测定金属结构应变量的应变计,绪 论1,电阻应变式传感器是应用最广泛的传感器，历史悠久，其金属电阻应变效应是1856年发现的，1936年制成第一个应变片。1938年美国麻省理工学院发明了粘贴式电阻应变计，至今已有60余年，在这60年中，由于科学技术，材料科学，工艺技术及半导体工艺集成电路技术等新技术的发展，促进了电阻应变计的进步。50年代中期，发明了箔式应变计，半导体应变计。60年代出现了薄膜应变计及扩散硅半导体应变计。80年代又出现了厚膜应变计。这些都为电阻应变式传感器的发展提供了良好的物质原理。,绪 论2,优点：a 精度高，测量范围广.b 频率响应特性较好 c 结构简单，尺寸小，重量轻.d 可在高(低)温、高速、高压、强烈振动、强 磁场 及核辐射和化学腐蚀等恶劣条件下正常工作.e 易于实现小型化、固态化 f 价格低廉，品种多样，便于选择,缺点：具有非线性，输出信号微弱，抗干扰能力较差，因此信号线需要采取屏蔽措施；只能测量一点或应变栅范围内的平均应变，不能显示应力场中应力梯度的变化等；不能用于过高温度场合下的测量。,应用范围：适应于动态和静态测量，测多种非电量。电阻应变片 转换电路 被 测 量 电阻阻值变化 电 信 号 非电量 R 电量,绪 论3,4.1 电阻应变片的工作原理,4.1.1金属电阻的应变效应,4.1.2 电阻应变片的结构及测试原理,4.1.3 电阻应变片的横向效应,4.1.1金属电阻的应变效应金属丝在外力作用下发生机械变形，该变形会引起金属电阻阻值的变化,这种现象称为金属的电阻应变效应。,4.1 电阻应变片的工作原理1,L,L+dL,2r,2(r-dr),:电阻系数l:金属导线长度A:金属导线截面积,当电阻丝受到拉力F时,将伸长dL,截面积将减小dA。电阻率,因晶格发生形变等改变d,这些量引起的电阻改变dR,对其全微分得:,由材料力学可知，径向和轴向之间的关系为：-金属材料的泊松系数,4.1 电阻应变片的工作原理2,dA/A=2dr/r,K 为金属丝灵敏系数，即表示金属丝单位变形时，电阻相对变化的大小，它受两个因素影响：K由两部分组成：前一部分是（1+2），由材料的几何尺寸变化引起；d/后一部分为 由材料的电阻率变化引起（称“压阻效应”)x，,定义：,可得电阻的相对变化与轴向(线)应变的关系,4.1 电阻应变片的工作原理3,4.1 电阻应变片的工作原理4,栅长,栅宽,对金属材料来说，主要以(1+2)影响较大，K一般实验求得，一般金属0.3，因此（1+2）1.6,一般注明标称灵敏度弹性范围在1.7-3.61内.4.1.2 电阻应变片的结构及测试原理电阻丝应变片一般用直径为0.025的高电阻率的电阻丝绕制而成，将电阻丝排列成栅网状（称敏感栅），并粘贴在绝缘的基片上两端焊接引线而成。,当用应变片测量时，将其粘贴在被测量对象表面上，当被对象受力变形时，应变片的敏感栅随之变形，电阻值改变 R，根据 得到x，由=Ex 得到 值。E为材料的弹性模量。为试件应力.还需要通过转换电路（电桥），转换为电流电压。,4.1 电阻应变片的工作原理5,4.1.3 电阻应变片的横向效应 在直线段上金属丝受单向力拉伸时，任一端都感受相同的应变，但当弯成敏感栅之后，直线段上金属丝感受轴向拉应变x，但在原弧段上，轴向感受的应变是由+x 变到-y，所以原弧部分的电阻变化小于直线段电阻变化，产生负的电阻变化，从而降低应变片的灵敏系数，该现象称为横向效应。在设计时，应尽量减小横向效应的影响，如用箔式应变片，原弧部分尺寸大些。目前已有许多方法来减小横向效应。,b,O,l,r,r,dl,d,0,图为 应变片敏感栅半圆弧部分的形状。沿轴向应变为，沿横向应变为r。,4.1 电阻应变片的工作原理6,4.1 电阻应变片的工作原理7,若敏感栅有n根纵栅，每根长为l，半径为r，在轴向应变作用下，全部纵栅的变形视为L1半圆弧横栅同时受到和r的作用，在任一微小段长度d l=r d上的应变可由材料力学公式求得 每个圆弧形横栅的变形量l为纵栅为n根的应变片共有n-1个半圆弧横栅，全部横栅的变形量为,L1=n l,4.1 电阻应变片的工作原理8,应变片敏感栅的总变形为敏感栅栅丝的总长为L，敏感栅的灵敏系数为KS，则电阻相对变化为令 则 可见，敏感栅电阻的相对变化分别是和r作用的结果。,4.1 电阻应变片的工作原理9,当r=0时，可得轴向灵敏度系数同样，当=0时，可得横向灵敏度系数横向灵敏系数与轴向灵敏系数之比值，称为横向效应系数H。即 由上式可见，r愈小，l愈大，则H愈小。即敏感栅越窄、基长越长的应变片，其横向效应引起的误差越小。,4.2 电阻应变片的种类，材料和参数,4.2.1 电阻应变的种类,4.2.2 应变片的主要参数,4.2.1 电阻应变的种类 金属丝式应变片 绕制敏感栅式，制作简单，性质稳定，价格便宜。金属箔式应变片用照相制版并光刻腐蚀的方法，将金属箔材料制在绝缘基底上制成各种图形，如应变花。（第64页）金属薄膜应变片 用薄膜技术制作，一般用真空蒸发 或溅射方法在衬底上形成绝缘层，然后制作金属薄膜电阻，最后加 保护层。可制成各种形状。,4.2 电阻应变片的种类，材料和参数1,半导体应变片 体型半导体应变片 弹性体为金属 分类 薄膜型半导体应变片 弹性体为硅片 扩散硅型半导体应变片 弹性体为硅片 半导体应变片是目前使用较多的一种应变片，它是根据半导体材料受力后，电阻率会发变化，也就是所谓的“压阻效应”，也称为压阻式传感器。,对半导体材料,对金属材料,电阻相对变化量,4.2 电阻应变片的种类，材料和参数2,4.2 电阻应变片的种类，材料和参数3,由于E一般都比（1+2）大几十倍甚至上百倍，因此引起半导体材料电阻相对变化的主要原因是压阻效应，所以上式可近似写成 式中 压阻系数；E弹性模量；应力；应变。上式表明压阻传感器的工作原理是基于压阻效应,分类：厚膜陶瓷型 厚膜金属型方法：（丝网印刷，烧结）两者弹性体不同 厚膜应变片是用厚膜技术制作，是80年代开发出来的，它是在陶瓷或金属弹性体上制作厚膜电阻而成，利用了厚膜电阻受力后，阻值会发生变化的应变效应。,厚膜应变片,4.2 电阻应变片的种类，材料和参数4,各 种 电 阻 应 变 对 照 表,4.2.2 应变片的主要参数 应变电阻值：60，1K，120最多 事实上不同种类的应变片，阻值不同60-10K绝缘电阻：大于1010灵敏系数：金属1.7-3.6，半导体100，厚膜 10单位为单位应变的电阻的相对变化值允许电流：金属静态25mA，动态75-100mA应变极限：在一定温度下，指示应变和真实应变值的相对差值不超过一定数值时的最大真实 应变数值，一般规定10%。,4.2 电阻应变片的种类，材料和参数5,应变片的应变极限,z,4.2 电阻应变片的种类，材料和参数6,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.,零漂：一定温度下无机械应变时，指示应变随时间的变化。蠕变：一定温度下并承受一定机械应变时，指示应变随时间的变 化。,4.3 电阻应变片的动态响应特性,4.3.1应变波的传播过程,4.3.2 应变计的可测频率估算,电阻应变片在测量较高的动态应变时，也就是应变大小和方向随时间而改变时，应考虑其动态特性。动态应变是以应变波的形式在试件中传播的。常以输入阶跃和正弦两种信号来研究输出量的响应特性。4.3.1应变波的传播过程 应变波经过试件或弹性元件材料，粘合层等最后传播到应变片上，其响应电阻的变化量。整个传播过程可分为：应变波在试件材料中传播 应变波在粘合层和应变片基层中的传播(可忽略不计)应变波在应变片线栅长度（基长）的传播,4.3 电阻应变片的动态响应特性1,4.3.2 应变计的可测频率估算 在传播过程中，影响应变片频率响应特性的主要因素是应变片的基长和应变波在试件材料中的传播速度。所以，可测频率或称截止频率可按下面三种情况估算：,4.3 电阻应变片的动态响应特性2,应变波为正弦波 应变片为阶跃波其他,4.3 电阻应变片的动态响应特性3,A.应变波为正弦波 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。,应变片对应变波的动态响应,4.3 电阻应变片的动态响应特性4,设应变波波长为，则有=v/f。应变片栅长为l0，瞬时t时应变波沿构件分布为 应变片测得的应变为栅长l0 范围内的平均应变p，即,4.3 电阻应变片的动态响应特性5,平均应变p的相对误差为,由上式可见，相对误差的大小只决定于 栅长与正弦应变波的波长的比值，表中给出了为1/10和1/20时的数值。,4.3 电阻应变片的动态响应特性6,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（1/101/20）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L0的应变片粘贴在某种材料上的可测动态应变最高频率。,4.3 电阻应变片的动态响应特性7,B.应变波为阶跃波若以输出10%上升到90%的时间作为上升时间tk,则tk.lv，可测频率f=0.35/tk f=0.35v/0.8l0=0.44v/l0,4.4 电阻应变片的温度误差及其补偿,4.4.1 温度误差及产生原因,4.4.2 温度补偿方法,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。,4.4.1 温度误差及产生原因 用应变片测量时，希望电阻值只随应变而变，不受其它因素影响，但实际上环境温度变化后，会引起电阻的相对变化，从而产生温度误差，甚至由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具有相同的数量级，所以必须对其进行来补偿剔除温度的影响，否则无法保证测量精度。造成温度误差的因素主要有两个：电阻温度系数引起 设环境引起的构件温度变化为t（）时，粘贴在试件表面的应变片敏感栅材料的电阻温度系数为t，则应变片产生的电阻相对变化为,4.4 电阻应变片的温度误差及其补偿1,线膨胀系数不同引起（应变丝的与试件不同）,4.4 电阻应变片的温度误差及其补偿2,由于敏感栅材料和被测构件材料两者线膨胀系数不同，当t 存在时，引起应变片的附加应变，其值为,e试件材料线膨胀系数；g敏感栅材料线膨胀系数。,相应的电阻相对变化为K应变片灵敏系数,4.4 电阻应变片的温度误差及其补偿3,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(t,g)有关，而且与被测试件材料的线膨胀系数(e)有关。,4.4.2 温度补偿方法 桥路补偿法,如图，电桥输出电压与桥臂参数的关系为。,USC,R2,R4,R1,R3,E,桥路补偿法,由上式可知，当R3、R4为常数时，Rl和R2对输出电压的作用方向相反。利用这个基本特性可实现对温度的补偿，并且补偿效果较好，这是最常用的补偿方法之一。,4.4 电阻应变片的温度误差及其补偿4,4.4 电阻应变片的温度误差及其补偿5,测量应变时，使用两个应变片，一片贴在被测试件的表面，图中R1称为工作应变片。另一片贴在与被测试件材料相同的补偿块上，图中R2，称为补偿应变片。在工作过程中补偿块不承受应变，仅随温度发生变形。由于R1与R2接入电桥相邻臂上，造成R1t与R2t相同，根据电桥理论可知，其输出电压USC与温度无关。当工作应变片感受应变时，电桥将产生相应输出电压。,4.4 电阻应变片的温度误差及其补偿6,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,=,应变片的自补偿法 利用温度自补偿应变片来实现温度补偿的方法称为应变片的补偿法。1）选择式自补偿应变片由前式知，若使应变片在温度变化t时的热输出值为零，必须使即 每一种材料的被测试件，其线膨胀系数都为确定值，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选择式自补偿应变片。,4.4 电阻应变片的温度误差及其补偿7,4.4 电阻应变片的温度误差及其补偿8,2）双金属敏感栅自补偿应变片（组合式自补偿应变片法）,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，如图。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,(Ra)t=(Rb)t,补偿效果可达0.45。,4.4 电阻应变片的温度误差及其补偿9,3）热敏电阻补偿法,如图所示，热敏电阻Rt与应变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Rt的阻值下降，使电桥的输入电压随温度升高而增加，从而提高电桥输出电压。选择分流电阻R5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。T K U Rt V U,USC,R2,R4,R1,R3,E,R5,Rt,V,4.5 信号调节电路及电阻应变仪,信号调节电路,4.5.2 非线性误差及补偿,4.5.3 电阻应变仪,4.5 信号调节电路及电阻应变仪1,信号调节电路,电阻应变片可把应变转换成为电阻的变化，但还需把电阻的变化再转换成为电压式或电流的变化，这就需要采用测量电桥作为电阻应变式传感器的信号调节电路。a.直流电桥（平衡电桥）直流电桥可用直流电压式电流供电，臂中任一电阻可用应变片代替。,4.5 信号调节电路及电阻应变仪2,当R1R4=R2R3时，Ig=0，Ug=0，即电桥处于平衡状态。若电桥的负载电阻Rg为无穷大，则B、D两点可视为开路，上式可以化简为,式中 Rg为负载电阻，因而其输出电压Ug为,4.5 信号调节电路及电阻应变仪3,设R1为应变片的阻值，工作时R1有一增量R，当为拉伸应变时，R为正；压缩应变时，R为负。在上式中以R1+R代替R1，则,设电桥各臂均有相应的电阻增量R1、R2、R3、R4时,在实际使用时，一般多采用等臂电桥或对称电桥。,4.5 信号调节电路及电阻应变仪4,等臂电桥当R1=R2=R3=R4=R时，称为等臂电桥。此时电桥输出可写为 一般情况下，Ri（i=1，2，3，4）很小，即RRi，略去上式中的高阶微量，并利用 式得到,上式表明：,4.5 信号调节电路及电阻应变仪5,当RiR时，输出电压与应变呈线性关系。若相邻两桥臂的应变极性一致，即同为拉应变或压应变时，输出电压为两者之差；若相邻两桥臂的极性不同时，输出电压为两者之和。若相对两桥臂应变的极性一致时，输出电压为两者之和；相对桥臂的应变极性相反时，输出电压为两者之差。利用上述特点可进行温度补偿和提高测量的灵敏度等臂电桥可分为：单臂，双臂，全桥。单臂:仅一个应变片,4.5 信号调节电路及电阻应变仪6,双臂:（半桥）两个应变片全桥:四个应变片,b.交流电桥（平衡电桥）交流电桥是用交流供电，这时其平衡条件，引线分布参数的影响,平衡调节，信号放大电路等许多方面，与直流电桥不同，其中Z1 Z2 Z3 Z4为复阻抗。当电桥平衡时，u0=0Z1Z3=Z2Z4 其中Z=Z j 得交流电桥的平衡条件为：Z1Z3=Z2Z4 1+3=2+4即相对两臂复阻抗的模之积相等，幅角之和相等。,.4.5 信号调节电路及电阻应变仪7,Z1、Z2、Z3、Z4各阻抗的模；1、2、3、4阻抗角，是各桥臂电流与电压之间的相位差。,4.5.2 非线性误差及补偿,在以上研究的电桥中，一般R变化小，忽略分母中的R，一般为线性的，但当R变化较大时，不能忽略，否则会出现非线性误差。,当考虑单臂工作时，即AB桥臂变化R，则,由上式展开级数，得,则电桥的相对非线性误差为,可见，K愈大，愈大，通常K=1。,1/2K=1/2,4.5 信号调节电路及电阻应变仪8,消除方法有：（1）采用差动电桥（2）采用恒流源 非线性减小一倍，温度性能也好于恒压（3）电子线路硬件 非线性元件与运放适当组合实现非线性变换（4）计算机软件补偿 线性插值法 查表,4.5 信号调节电路及电阻应变仪9,4.5 信号调节电路及电阻应变仪10,4.5.3 电阻应变仪,1.电 桥 将应变片的电阻变化按一定的比例转换成电压或电流2.放 大 器 将电桥的输入信号进行不失真放大（常用负反馈电路）3.相敏检器 将放大的调幅波还原成与被测信号相同的波形，根据放大器输入的调幅波 的相位来鉴别原来的被测信号的极性（拉变式或压变式），通常由四个二极管组成的环行结构。4.低通滤波器 由LC 或 RL 或 电容C组成的滤波器，可滤去检波后波形的高频部分，取出所需要的正确波形。相敏检波器+滤波器=解调器5.振荡器 产生一种幅值稳定的高频正弦波，作电桥的供桥电压和相敏检波器的 参考电压。一般选择载波频率为测量频率的5-10倍。6.电源 供放大器和振荡器的直流电源。7.移相器 改变输出波形的相位，通过调整称相器来保证相敏检波器的输入电压和参考电压同频同相或反相，保证最佳传递效率。,4.6电阻应变式传感器应用,应变式传感器=弹性敏感元件+应变片,F（力）（应力F/S）（应变/E）R/R（）USC,电阻应变式传感器的应用：测力,4.6电阻应变式传感器应用1,1、柱力式传感器 圆柱式力传感器的弹性元件分为实心和空心两种。,在轴向布置一个或几个应变片，在圆周方向布置同样数目的应变片，后者取符号相反的横向应变，从而构成了差动对。由于应变片沿圆周方向分布，所以非轴向载荷分量被补偿，在与轴线任意夹角的方向，其应变为：,1沿轴向的应变；弹性元件的泊松比。,当=0时,当=90时,E：弹性元件的杨氏模量,4.6电阻应变式传感器应用2,2、梁力式传感器 等强度梁弹性元件是一种特殊形式的悬臂梁。梁的固定端宽度为b0，自由端宽度为b，梁长为L，粱厚为h。,R4,L,R1,R3,R2,x,F,h,等强度梁弹性元件,b0,力F作用于梁端三角形顶点上，梁内各断面产生的应力相等，故在对L方向上粘贴应变片位置要求不严。横截面梁双空梁S形弹性元件,b,R4,4.6电阻应变式传感器应用3,（b）,（a）,应变式压力传感器,3、应变式压力传感器 测量气体或液体压力的薄板式传感器，如图所示。当气体或液体压力作用在薄板承压面上时，薄板变形，粘贴在另一面的电阻应变片随之变形，并改变阻值。这时测量电路中电桥平衡被破坏，产生输出电压。,圆形薄板固定形式：采用嵌固形式，如图（a）或与传感器外壳作成一体，如图(b)。,应变片,4.6电阻应变式传感器应用4,4、应变式加速度传感器由端部固定并带有惯性质量块m的悬臂梁及贴在梁根部的应变片、基座及外壳等组成。是一种惯性式传感器。测量时，根据所测振动体加速度的方向，把传感器固定在被测部位。,L,应变片,质量块m,弹簧片,外壳,基座,a,应变式加速度传感器,当被测点的加速度沿图中箭头所示方向时，悬臂梁自由端受惯性力F=ma的作用，质量块向箭头a相反的方向相对于基座运动，使梁发生弯曲变形，应变片电阻也发生变化，产生输出信号，输出信号大小与加速度成正比。,标准产品,load,轮辐式传感器（低外型剪切力传感器）,作业,1.试述传感器的国内发展趋势。2.传感器的静态和动态特性有哪些技术指标？3.传感器的弹性敏感元件起什么作用，有那些要求？4.何为金属电阻的应变效应，其结构和测试原理是什么？5.用应变片测量时，为何要采取温度补偿？其补偿措施有那些？6.电阻应变式传感器分为哪几种？7.差动式传感器的意义是什么,试举例说明.,完,