第三章电阻式传感器.

11第7章磁电式传感器11第7章磁电式传感器传感器原理及应用第3章电阻应变式传感器22第7章磁电式传感器22第7章磁电式传感器第3章电阻式传感器广泛应用于各种电子秤33第7章磁电式传感器33第7章磁电式传感器第3章电阻式传感器应变片用于各种电子衡器磅秤电子天平44第7章磁电式传感器44第7章磁电式传感器第3章电阻式传感器材料应变的测量斜拉桥上的斜拉绳应变测试55第7章磁电式传感器55第7章磁电式传感器第3章电阻式传感器汽车衡称重系统66第7章磁电式传感器66第7章磁电式传感器第3章电阻式传感器汽车衡77第7章磁电式传感器77第7章磁电式传感器第3章电阻式传感器电阻应变式传感器概述结构简单，使用方便可测力、压力、位移、应变、加速度等物理量；弹性敏感元件力、压力、位移电阻应变片电桥电路RU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；88第7章磁电式传感器88第7章磁电式传感器第3章电阻式传感器教学目标1）掌握应变片的工作原理及基本特性；2）掌握应变片的温度误差形成及补偿；3）掌握应变式传感器测量电路的结构形式及特点；4）了解应变式传感器的基本应用。99第7章磁电式传感器99第7章磁电式传感器第3章电阻式传感器3.1应变片的工作原理应变片按材料不同可分为：金属应变片半导体应变片---应变效应---压阻效应1010第7章磁电式传感器1010第7章磁电式传感器第3章电阻式传感器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。lRS3.1应变片的工作原理3.1.1金属的应变效应1111第7章磁电式传感器1111第7章磁电式传感器第3章电阻式传感器dSLdSSLdLSdR2ρρdd-d=dSSLLRRεx=dL/L为电阻丝的轴向应变；εy=dr/r为电阻丝的径向应变。xyε-=ε电阻丝变形时LFFdL图3-1金属导体的电阻―应变效应μ-金属材料的泊松系数1212第7章磁电式传感器1212第7章磁电式传感器第3章电阻式传感器ρρεμRRxd)21(=d++xxSRRKερ/ρd)2(1=ε/d=KS称为金属丝的灵敏系数，表示金属丝产生单位变形时，电阻相对变化的大小。通常由实验测定。令1313第7章磁电式传感器1313第7章磁电式传感器第3章电阻式传感器讨论:金属丝的灵敏系数KS受两个因素影响：第一项（1+2μ）是由于金属丝受拉伸后，材料几何尺寸发生变化而引起的；第二项是由于材料发生变形时，其自由电子的活动能力和数量均发生了变化，从而引起材料电阻率的变化。这项可能是正值，也可能是负值，但作为应变片材料都选为正值，否则会降低灵敏度。实验表明:在金属丝变形的弹性范围内，电阻的相对变化dR/R与应变εx是成正比的，因而KS为一常数。1414第7章磁电式传感器1414第7章磁电式传感器第3章电阻式传感器3.1.2半导体的压阻效应半导体材料的电阻率随作用应力的变化而发生变化的现象称为压阻效应。ρρεμRRxd)21(=d++半导体和金属丝一样可以把应变转换成电阻的变化：1515第7章磁电式传感器1515第7章磁电式传感器第3章电阻式传感器对于金属电阻丝金属应变片灵敏系数Ks由材料的几何尺寸决定的。对于半导体：12xd12SKxdE半导体材料的压阻系数12ESKE半导体材料的灵敏系数ＫS主要由压阻效应引起的电阻率ρ的变化；灵敏系数远大于金属丝的灵敏系数。1616第7章磁电式传感器1616第7章磁电式传感器第3章电阻式传感器3.1.3应变片的结构1717第7章磁电式传感器1717第7章磁电式传感器第3章电阻式传感器bl32411-基底2-电阻丝3-覆盖层4-引线图3-2丝绕式应变片的基本结构图3-2为丝绕式应变片的构造示意图。它以直径为0.025mm左右的、高电阻率的合金电阻丝2，绕成敏感栅。作用是敏感应变变化和大小。1.金属应变片1818第7章磁电式传感器1818第7章磁电式传感器第3章电阻式传感器敏感栅基底引线粘合剂盖层•敏感栅：高电阻率金属细丝或栅状。要求灵敏系数大、温度系数小，如：康铜、镍铬丝等。•基底：纸质或胶质。要求机械强度高、绝缘性好、抗潮、耐热。厚度0.03～0.06mm.•引线：低阻镀锡铜线•盖层：保护层•沾结剂：沾接力强、机械性能可靠。如：环氧树脂、聚脂树脂、酚醛树脂类。1919第7章磁电式传感器1919第7章磁电式传感器第3章电阻式传感器2.半导体应变片图3-3半导体应变片结构常见半导体应变片是用锗或者硅等半导体材料做敏感栅，一般为单根状。2020第7章磁电式传感器2020第7章磁电式传感器第3章电阻式传感器3.1.5电阻应变片种类电阻应变片的种类繁多，分类方法各异，典型可分为：丝式应变片箔式应变片半导体应变片2121第7章磁电式传感器2121第7章磁电式传感器第3章电阻式传感器丝式应变片回线式应变片粘贴性能好，能保证有效地传递形变,但横向效应明显.短接式应变片克服了回线式的横向效应，缺点是由于焊点多，在冲击、振动试验条件下易出现疲劳破坏，且制造工艺要求高。(a)回线式应变片(b)短接式应变片图3-4丝式应变片2222第7章磁电式传感器2222第7章磁电式传感器第3章电阻式传感器箔式应变片图3-5箔式应变片2323第7章磁电式传感器2323第7章磁电式传感器第3章电阻式传感器主要优点①能保证敏感栅尺寸正确、线条均匀，可制成任意形状以适应不同的测量要求；②粘合面积大，粘结情况好，传递试件应变性能好；③散热性能好，允许通过较大的工作电流，从而增大输出信号；④敏感栅弯头横向效应可忽略，蠕变、机械滞后较小，疲劳寿命高。2424第7章磁电式传感器2424第7章磁电式传感器第3章电阻式传感器半导体应变片优点：尺寸、横向效应、机械滞后都很小，灵敏系数大，因而输出也大，可不需放大器连接，使得测量系统简化；缺点：半导体材料对温度敏感，存在较大的温度误差。2525第7章磁电式传感器2525第7章磁电式传感器第3章电阻式传感器3.2电阻应变片的温度误差及补偿3.2.1温度误差产生的原因1）温度变化引起应变片敏感栅电阻变化产生附加应变。电阻与温度关系：tRRtaRRtαΔ=)Δ1(=000++tRRRRttaαΔ=-=Δ00将温度变化t时的电阻变化折合成应变，则KtKRRtataαΔ=/Δ=ε0)/(xKRdR2626第7章磁电式传感器2626第7章磁电式传感器第3章电阻式传感器2）试件材料与敏感材料线膨胀系数不同，使应变片产生附加应变。tβlltβlltΔ=)Δ1(=0001丝丝如粘贴在试件上一段长度为l0的应变丝，当温度变化△t时，应变丝受热膨胀至lt1，而试件伸长为lt2。tβllllttΔ=-=Δ0011丝tβlltβlltΔ=)Δ1(=0002试试tlllltt试00222727第7章磁电式传感器2727第7章磁电式传感器第3章电阻式传感器显然，若21ttllβ，则试丝应变丝产生附加变形，引起电阻变化tKRKRRtt)(00丝试由温度引起的总电阻变化tKRtRRRRttt)(00丝试总附加虚假应变量tKtKRRtt)(/0丝试2828第7章磁电式传感器2828第7章磁电式传感器第3章电阻式传感器3.2.2温度补偿方法图3-17桥路补偿法R1工作片，R2补偿片，为同类应变片，贴在相同材料上。优点：简单、方便，常温下补偿效果较好；1桥路补偿法采用原理：电桥相邻相减缺点：在温度变化梯度较大条件下，很难做到工作片与补偿片处于完全一致的温度情况，因而影响补偿效果2929第7章磁电式传感器2929第7章磁电式传感器第3章电阻式传感器2应变片自补偿法采用一种特殊应变片，当温度变化时，产生的附加应变为零或相互抵消。1）选择式自补偿应变片实现温度补偿的条件为εt=00tKtt丝试丝试K缺点：一种α值的应变片只能在一种材料上应用，局限性大。3030第7章磁电式传感器3030第7章磁电式传感器第3章电阻式传感器2）双金属敏感栅自补偿应变片（组合式自补偿应变片）利用两种电阻丝材料的电阻温度系数不同(一个为正，一个为负)的特性，将二者串联绕制成敏感栅。图3-18双金属线栅3131第7章磁电式传感器3131第7章磁电式传感器第3章电阻式传感器3.3测量电路3.3.1直流电桥1.直流电桥平衡条件433211RRRRRREUoR1R2R4R3ACBEDIoRLUo＋－当RL→∞时，电桥输出电压为：3232第7章磁电式传感器3232第7章磁电式传感器第3章电阻式传感器当电桥平衡时，Uo=0，则有：R1R4=R2R3或：4321RRRR电桥平衡条件：欲使电桥平衡，其相邻两臂电阻的比值应相等，或相对两臂电阻的乘积应相等。电桥平衡条件3333第7章磁电式传感器3333第7章磁电式传感器第3章电阻式传感器2.应变片工作时：电阻值变化很小，电桥相应输出电压也很小，一般需要加入放大器进行放大。由于放大器的输入阻抗比桥路输出阻抗高很多，所以此时仍视电桥为开路情况。当受应变时：若应变片电阻变化为ΔR，其它桥臂固定不变，电桥输出电压Uo≠0，则电桥不平衡，输出电压为3434第7章磁电式传感器3434第7章磁电式传感器第3章电阻式传感器3111123414112344131124113()()11oRRRUERRRRRRRERRRRRRRRRERRRRRR433211RRRRRREUo3535第7章磁电式传感器3535第7章磁电式传感器第3章电阻式传感器设桥臂比n=R2/R1，由于ΔR1R1，分母中ΔR1/R1可忽略，并考虑到平衡条件R2/R1=R4/R3，则上式可写为：ERRnnUo112)1(电桥电压灵敏度定义为：EnnRRUKoU211)1(413112411311oRRRRUERRRRRR3636第7章磁电式传感器3636第7章磁电式传感器第3章电阻式传感器分析：①电桥电压灵敏度正比于电桥供电电压，供电电压越高，电桥电压灵敏度越高，但供电电压的提高受到应变片允许功耗的限制，所以要作适当选择；②电桥电压灵敏度是桥臂电阻比值n的函数，恰当地选择桥臂比n的值，保证电桥具有较高的电压灵敏度。？当E值确定后，n取何值时才能使KU最高？EnnRRUKoU211)1(3737第7章磁电式传感器3737第7章磁电式传感器第3章电阻式传感器分析：思路：dKU/dn=0求KU的最大值2410(1)UdKndnn求得n=1时，KU为最大值。即在供桥电压确定后，当R1=R2=R3=R4时，电桥电压灵敏度最高，此时有：114RREUo结论：当电源电压E和电阻相对变化量ΔR1/R1一定时，电桥的输出电压及其灵敏度也是定值，且与各桥臂电阻阻值大小无关。4EKU3838第7章磁电式传感器3838第7章磁电式传感器第3章电阻式传感器3.非线性误差及其补偿方法)1(11111'nRRnRRnEUo与ΔR1/R1的关系是非线性的，非线性误差为'oU1111'1RRnRRUUUoooLERRnnUo112)1(理想情况（略去分母中的ΔR1/R1项）：实际情况（保留分母中的ΔR1/R1项）：3939第7章磁电式传感器3939第7章磁电式传感器第3章电阻式传感器如果桥臂比n=1，则：11112LRRRR例如：对于一般应变片：所受应变ε通常在5000μ以下，若取K=2，则ΔR1/R1=Kε=0.01，计算得非线性误差为0.5%；若K=130，ε=1000μ时，ΔR1/R1=0.130，则得到非线性误