2电阻式传感器原理与应用

第二章电阻式传感器及其应用1.掌握传感器工作原理及性能2.了解传感器结构、种类3.掌握测量电路及其补偿方法4.掌握应变片的布置及接桥方式5.了解传感器的应用电阻式传感器的基本原理：将被测物理量的变化转换成电阻值的变化，再经相应的测量电路显示或记录被测量值的变化。其种类繁多，应用广泛。按照其工作原理可分为：变阻器(电位器)式、电阻应变式、固态压阻式、热敏电阻式、气敏电阻式、磁敏电阻式等电阻应变式传感器是基于测量物体受力变形所产生应变的一种传感器，最常用的传感元件为电阻应变片。应用范围：用于位移、加速度、力、压力、力矩等各种参数测量。电阻应变式传感器特点：①精度高，测量范围广；②使用寿命长，性能稳定可靠；③结构简单，体积小，重量轻；④频率响应较好，既可用于静态测量又可用于动态测量；⑤价格低廉，品种多样，便于选择和大量使用。3.1电阻应变片的工作原理及特性1、工作原理􀂾电阻应变片的基本结构：􀂾电阻应变片的工作原理电阻应变效应是指金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着所受机械变形(伸长或缩短)的变化而发生变化的现象。压阻效应：半导体材料在受到外力作用时，其电阻率ρ发生变化的现象。rdrLdLrdrAdAyx2r为金属丝半径εx为金属丝轴向应变εy为金属丝横向应变轴向应变εx的数值一般很小，常以微应变度量；μ为电阻丝材料的泊松比，一般金属μ=0.3-0.5；对金属材料，电阻率几乎不变：λ为压阻系数，与材质有关；σ为应力值；E为材料的弹性模量；定义：电阻丝的灵敏度系数S0——表示单位应变所引起的电阻相对变化。电阻应变片灵敏度系数S称为“标称灵敏度系数”，由实验测定。分析：应变片的纵向形变与测量的形变方向一致；但圆弧部分产生了一个负的电阻变化→降低了应变片的灵敏度系数;必须采取措施减小横向效应的影响（改进结构等）。2、电阻应变片的种类及材料电阻应变片的种类常用有丝式、箔式、半导体式和薄膜式应变片等。丝式应变片：金属电阻应变片的典型结构。将一根高电阻率金属丝（φ0.025mm左右）绕成栅形，粘贴在绝缘的基片和覆盖层之间并引出导线构成。丝式应变片制作简单、性能稳定、成本低、易粘贴。分为丝绕式和短接式两种。丝绕式应变片因圆弧部分参与变形，横向效应较大；短接式应变片敏感栅平行排列，两端用直径比栅线直径大5～10倍的镀银丝短接而成，其优点是克服了横向效应。箔式应变片：利用照相制版或光刻技术，将厚约为0.003～0.01mm的金属箔片制成敏感栅。箔式应变片优点:①可制成多种复杂形状、尺寸准确的敏感栅，其栅长最小可做到0.2mm，以适应不同的测量要求；②横向效应小；③散热条件好，允许电流大，提高了输出灵敏度；④蠕变和机械滞后小，疲劳寿命长；⑤生产效率高，便于实现自动化生产。金属箔的材料常用康铜和镍铬合金等。目前使用的应变片大多是金属箔式应变片。半导体应变片：分为体型和扩散型两种。由于半导体(如单晶硅)是各向异性材料，因此它的压阻效应不仅与掺杂浓度、温度和材料类型有关，还与晶向有关(即对晶体的不同方向上施加力时，其电阻的变化方式不同)。半导体应变片的特性（与金属应变片相比较)：优点：灵敏度高；机械滞后小、横向效应小、体积小、频响高；易于集成化.缺点：温度稳定性能差；灵敏度分散度大；较大应力作用下，非线性误差大；机械强度低.薄膜应变片：采用真空沉积或高频溅射等方法，在绝缘基片上形成厚度在0.1mm以下的金属电阻材料薄膜的敏感栅——厚度大约为箔式应变片的十分之一以下。优点：应变灵敏系数大，可靠性好，精度高，容易做成高阻抗的小型应变片，无迟滞和蠕变现象，具有良好的耐热性和冲击性能等。用化学气相淀积法制备薄膜，具有成膜温度低、可靠性好、系统简单等优点。薄膜应变片是今后的发展趋势3、电阻应变片的性能参数电阻值：应变片原始阻值——标准化，120Ω常用几何参数：敏感栅基长L和宽度b，制造厂常用b×L表示。灵敏系数S：表示应变片变换性能的重要参数。绝缘电阻：应变片与试件间的阻值，越大越好。一般大于1010Ω。其它性能参数（允许电流、工作温度、应变极限、滞后、蠕变、零漂以及疲劳寿命、横向灵敏度等）。3.2测量电路及温度补偿电阻应变片将应变转换为电阻的变化量，测量电路将电阻的变化再转换为电压或电流信号，最终实现被测量的测量。1）测量电桥电桥按其电源性质的不同可以分为直流电桥和交流电桥。直流电桥只能测量电阻，而交流电桥可用于测量电阻、电感和电容的变化。􀂾直流电桥的工作原理实际使用中，为了简化桥路设计，同时也为了得到电桥的最大灵敏度，通常R1=R2=R3=R4=R0,即为等臂电桥.直流电桥的联接方式:电桥的工作特性:1）不同的接桥方式具有不同的电桥灵敏度，尽量采用半桥双臂或全桥方式。可以保证电桥的输出U0与ΔR0/R0成正比；可以获得最大的输出，例如全桥接法其灵敏度就为半桥单臂接法的4倍。2）电桥的和差特性全桥接法：4桥臂均为工作应变片相邻桥臂：应变极性相同时，电桥输出电压与两应变差有关；应变极性相反时，电桥输出电压与两应变和有关。相对桥臂：输出电压与应变的关系和相邻桥臂正好相反。电桥的和差特性的实际应用：①提高灵敏度——半桥双臂或全桥联接相对桥臂：应变同极性相邻桥臂：应变反极性②实现温度补偿——采用全桥或半桥双臂的邻臂结构，要求处于同一温度场，这样温度应变是同极性，可以相互抵消。③消除非测量载荷的干扰影响2、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（附加应变）tKRKRRsgtt)(0000tRRRRtt00s应变丝的线膨胀系数；g试件的线膨胀系数相应的虚假应变输出tKtKRRsgtt)(/000可得由于温度变化而引起的总电阻变化为tKRtRRRRsgttt)(000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温度补偿方法：①电桥补偿法U0R1R4R3URbFFR1RbR1+⊿RRb-⊿RU0R1＋⊿RR4R3URb－⊿R电桥补偿法优点：简单、方便，在常温下补偿效果较好.缺点：在温度变化梯度较大的条件下，很难做到工作片与补偿片处于温度完全一致的情况，因而影响补偿效果。②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。由式(2.1.16)可知，实现温度补偿的条件为当被测试件的线膨胀系数βg已知时，通过选择敏感栅材料，使下式成立即可达到温度自补偿的目的。0)(0tKtsgt)(0sgKR1R2组合自补偿法b.双金属敏感栅自补偿应变片敏感栅丝由两种不同温度系数的金属丝串接组成选用两者具有不同符号的电阻温度系数调整R1和R2的比例，使温度变化时产生的电阻变化满足t2t1)()(RR通过调节两种敏感栅的长度来控制应变片的温度自补偿，可达±0.145*10-6ε/℃的高精度上一页返回下一页)()(//111222112221ggttKKRRRRRR③热敏电阻补偿TKRtUiR1＋⊿RR4R3U0R2RtR5分流电阻UURtU=Ui-URtK3、应变片的布置和接桥方式利用适当的布片和组桥方式消除温度变化和复合载荷作用的影响，获得最大的输出灵敏度。1）应变片应布置在弹性元件产生应变最大的位置，并沿主应力方向贴片；贴片处的应变尽量与外载荷呈线性关系（避开非线性区），同时应注意使该处不受非待测载荷的干扰影响。2）根据电桥的和差特性，选择适当的接桥方式，可以使输出的灵敏度最大，同时又能排除非待测载荷的影响并进行温度补偿。柱式元件——尽可能消除偏心和弯矩的影响。上一页返回下一页E为材料的弹性模量结构简单，易加工，灵敏度高适合于测5000N以下的载荷,也可用于小压力测量l0lFh①等截面悬臂梁EbhFl206XlFh②等强度悬臂梁EhblF206③双端固定梁EbhlF243薄壁圆环式21)]2/([32EbhhRF在外力作用下，各点的应力差别较大平面膜片——应变节点膜片式压力传感器εtεrR4R3R1R2UU0膜片PR1R2R3R4膜片式压力传感器筒式压力传感器测较大压力机床液压系统的压力（106～107Pa），枪炮的膛内压力（108Pa），动态特性和灵敏度主要由材料的E值和尺寸决定组合式压力传感器应变片不直接粘贴在压力感受元件上压力敏感元件为膜片或膜盒、波纹管、弹簧管等通常用于测量小压力。其缺点是固有频率低，不适于测量瞬态过程。BK-2S称重传感器产品详细介绍采用国际流行的双梁式或剪切S梁结构，拉、压输出对称性好、测量精度高、结构紧凑，安装方便，广泛用于机电结合秤、料斗秤、包装秤等各种测力、称重系统中供桥电压12VDC输入阻抗380±20Ω输出阻抗350±10Ω绝缘电阻≥2000MΩ工作温度-10~+50℃3电阻应变式传感器的应用BK－4轮辐式传感器系列采用轮辐式结构，高度低，抗偏抗侧能力强，测量精度高，性能稳定可靠安装方便，是大、中量程精度传感器中的最佳形式，广泛用于各种电子衡器和各种力值测量，如汽车衡、轨道衡、吊勾秤、料斗秤技术参数量程（t）：1，2，5，10，20，30，50；供桥电压：12VDC灵敏度：1．5-2mV/V；输入阻抗：730±20Ω非线性（%FS）：0.03,0.05,0.1；输出阻抗：700±10Ω重复性（%FS）：0.03,0.05,0.1；绝缘电阻：≥2000MΩ滞后（%FS）：0.03,0.05,0.1；工作温度：-10~+50℃允许过负荷：120%FS；热零点偏移：（%FS/10℃）AK-1型应变式脉动压力传感器产品特点：采用外壳和膜片为一体的圆膜片结构尺寸小，安装方便频响高，精度高，性能稳定可靠适用于各种动，静态、气、液体介质的压力测量容器内液体重量（液位）传感器该传感器有一根传压杆，上端安装腰形筒微压传感器，下端安装感压膜，在三者空腔内充满传压介质并密封。由于空腔内传压介质的高度比被测溶液的高度高，因而腰形筒微压传感器处于负压状态。为了提高测量的灵敏度，安装了两只性能完全相同的微压传感器。hgAAUUU)(21210液位传感器：当容器中液体多时，感压膜感受的压力大，将两只微压传感器的电桥接成正向串联的形式，则输出电压为：式中A1、A2——传感器的传输系数；g——重力加速度(m/s2)；ρ——被测溶液的密度(Kg/m3)。如ρ不变，则与h有关，构成液位计溶液重量DQAAU)(210式中Q——容器内感压膜上面溶液的重量(N)；D——柱形容器的截面积(m2)。0U可见电桥输出电压与柱形容器内感压膜上面溶液重量成正比，当传感器安装位置固定，电桥输出电压与容器内储存溶液重量成正比。溶液重量：SGAAU)(210由于hg表征着感压膜上面液体的压强，对于等截面圆柱形容器，有SGhg应变式加速度传感器在低频（10-60Hz）振动测量中得到广泛的应用,但不适用于频率较高的振动和冲击。应变式加速度传感器结构示意图1—等强度梁2—质量块3—壳体4—电阻应变片应变式扭矩传感器式中，M为扭矩；F为作用力（N）；l为作用距离（m）FlM图2.1.20轴表面应力应变计算KMWME131表面沿着与轴线成45°和135°斜角方向产生主应力：图2.1.21电阻应变式扭矩传感器1—集流环2—应变片3—回转轴4—振荡器5—放大器6—显示记录