第2章 (34讲) 应变式传感器

第二章应变式传感器学习重点及要求掌握应变式传感器的工作原理；理解电阻应变效应和压阻效应；了解应变式传感器的应用。概述工作原理•电阻应变效应核心元件•电阻应变计（应变片）主要应用•力、力矩、压力、加速度、重量§2.1电阻应变效应一、工作原理当金属丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值将发生变化，这种现象称为金属的电阻应变效应。长度为l，截面积为S，电阻率为的金属或半导体丝，在未受力时，原始电阻为：当金属电阻丝受到轴向拉力后，长度将伸长l，横截面积将缩小s，电阻率因为晶格变化等因素的影响将改变，引起电阻值变化R。l/l称为轴向应变，用表示，常用单位（1=1x10-6mm/mm）r/r称为径向应变，纵向伸长和横向收缩的关系用泊松比表示。r/r=-l/lS/S=2r/rK0———灵敏度系数它受两个因素影响：一个是（1+2µ），它是材料的几何尺寸变化引起的，另一个是/（），是材料的电阻率随应变引起的（称为压阻效应）。对于金属材料而言，以前者为主，则K01+2µ；对于半导体，K0主要由电阻率的相对变化所决定。实验表明，在金属电阻丝拉伸比例极限内，电阻的相对变化与轴向应变成正比。半导体应变片的灵敏度要比金属大50~100倍。应力与应变的关系：T—试件应力—试件应变E—试件的弹性模量。E=1.67×1011allEET常用金属敏感材料：康铜（铜镍合金）、镍铬合金、铁铬铝合金、铁镍铬合金等。常温下使用的应变计多由康铜制成。二、应变片分类电阻应变片是一种能将被测试件上的应变转换成电阻变化的敏感元件。（1）金属应变片a.金属丝应变片回线式短接式b.金属箔式应变片箔式应变片是在绝缘基底上，将厚度为0.003-0.01mm电阻箔材，利用照相制版或光刻腐蚀的方法，制成使用于各种需要的形状。箔式应变片箔式应变片的优点(与金属丝应变片比较)•工艺上能保证线栅的尺寸正确,阻值离散程度小;•形状可以根据需要定制;•敏感栅截面积为矩形,表面积大,散热好,可以通过较大的电流;•厚度薄(0.003-0.01mm),有利于形变传递;•蠕变小;•横向效应小.c.金属薄膜应变片采用真空蒸发或真空沉淀等方法在薄的绝缘基片上形成厚度为0.1m以下的金属电阻材料薄膜敏感栅，最后加上保护层。优点：应变灵敏度系数大,允许电流密度大。缺点：难控制电阻与温度、时间的关系。（2）半导体应变片工作机理：硅材料的压阻效应在半导体晶体上施加作用力，晶体除产生应变外，其电阻率会发生变化。压阻效应：由外力引起半导体材料电阻率变化的现象称为半导体的压阻效应。半导体应变片灵敏系数很高，可达50～100。而金属仅为1.5～2。半导体应变片受轴向力作用时，其电阻相对变化为：(12)RRE式中—半导体材料的压阻系数。(12)RER实验证明，E比1+2µ大上百倍，因此1+2µ可以忽略。半导体应变计优点•灵敏度高•体积小•具有正、负两种符号的应力效应，可以实现差动输出•机械滞后小，可测量静态应变等。§2.2应变计的主要特性应变片的优点：•测量应变的灵敏度和精度高；•应变片尺寸小、重量轻、结构简单、使用方便、响应速度快。因此既可用于静态测量，又可用于动态测量，具有良好动态性能。•测量范围大；•能适应各种环境；•价格低，品种多。应变片的缺点：•非线性明显，尤其是半导体应变计；•输出信号微弱，抗干扰能力差。1、应变计的灵敏度系数RRk/注意：•指的是‘标称灵敏度系数’。因为应变计粘贴到试件上不能取下再用。•应变计的灵敏度k恒小于金属线材的灵敏度系数k0。（为什么？）半导体材料的灵敏度系数：sRRKE2、横向效应定义：将直的电阻丝绕成敏感栅以后，虽然长度相同，但应变状态不同，其灵敏系数降低了，这种现象称为横向效应。因此，应变片的灵敏系数K小于电阻丝的灵敏系数KO。为了减小横向效应，多采用直角线栅式应变计、箔式应变片。3.敏感栅尺寸•基长：敏感栅在纵轴方向上的长度。以大为好，可减小横向效应。•基宽：与应变片轴线相垂直的方向上，应变片敏感栅外侧之间的距离。以小为好，可减小尺寸。4.其他特性参数•初始电阻R0指应变片未粘贴前在室温下测得的静态电阻值，常见的有120、175、350、500、1000和1500等。•允许工作电流又称最大工作电流：是指允许通过应变片而不影响其工作特性的最大电流值。一般静态测量时为25mA左右，动态测量可高一点。•线性度0.05%1%•应变极限10%•机械滞后和热滞后•零漂和蠕变零漂：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。蠕变：恒定温度下，粘贴在试件上的应变计，在恒定机械应变长期作用下，应变随时间变化的特性。•疲劳寿命1,000,000次。•绝缘电阻绝缘电阻过低,造成应变计与试件之间漏电产生误差。M•几何尺寸0.2㎜——100㎜影响横向效应§2.3电阻应变片的测量电路一.直流电桥3101234()RRUERRRR电桥平衡条件：R1R4R3R2RfIfEabdcUo开路电压:内阻:))(()()(432111434321RRRRRRRRRRRRRR1R4=R2R3电压灵敏度应变片工作时，设应变片电阻变化为R1，其他桥臂电阻不变，此时电桥输出电压为：31101123414112344131124113()()()(1)(1)RRRUERRRRRRRERRRRRRRRRERRRRRRUoR1+∆R1R4R3R2Eabdc+-A设桥臂比n=R2/R1，由于R1R1，考虑到平衡条件：121[](1)oRnUEnR电桥电压灵敏度定义为：211(1)OUUnKERnR结论：（1）电桥电压灵敏度正比于电桥供电电压E；（2）电桥电压灵敏度是桥臂比n的函数。求得：令：114oREUR当n=1时，电压灵敏度最高，其中当R1=R2=R3=R4（等臂）时，输出电压为：4UEK由此可见，当电源电压(E)及电阻相对变化一定时，电桥输出电压及其电压灵敏度与各桥臂的阻值大小无关。10)1(142nnndndKU如何再提高灵敏度?非线性误差及其补偿方法输出电压如果不忽略分母的R1/R1，输出为：1'111(1)(1)oRnRUERnnR非线性误差为：1'1111ooLoRUURRUnR为了减小和克服非线性误差，可以采用差动电桥。在试件上安装两个工作应变片，一个受拉应变，一个受压应变，接入电桥相邻桥臂，称为半桥差动电路。输出电压为：311112234()oRRRUERRRRRR若R1=R2，R1=R2，R3=R4112oREUR差动电桥优点：•Uo与（R1/R1）成线性关系，•差动电桥无非线性误差，•电桥电压灵敏度KU=E/2，比单臂电桥提高一倍，•同时具有温度补偿作用。若电桥四臂接入四片应变片，两个受拉，两个受压，符号相同的接入相对桥臂，可构成全桥差动电路。如果R1=R2=R3=R4，且R1=R2=R3=R4，则：11oRUER二、交流电桥为什么要温度补偿？•电阻应变计由于温度改变引起的电阻变化与应变引起的电阻变化几乎具有相同的数量级，必须采取措施加以解决。一、温度误差产生的原因•敏感栅本身存在温度系数，当温度改变时，应变片的标称阻值发生变化；•当试件与敏感栅的热膨胀系数不同时，由于环境温度的变化，敏感栅会产生附加的变形，从而产生附加电阻。§2.4温度误差与补偿方法a.电阻温度系数的影响•敏感栅的电阻丝阻值随温度变化的关系可用下式表示：00(1)tRRt0——金属丝的电阻温度系数000ttRRRRtb.试件材料与电阻丝材料的热膨胀系数的影响0(1)ssLLt0(1)ggLLt0()gsgsLLLLt0()gsLtL0000()gsRKRKRt设电阻丝和试件在温度为0℃时的长度均为L0，线膨胀系数分别为sg，若二者不粘贴，则它们的长度分别为：附加变形为：附加应变为：可得，由温度变化而引起应变片总电阻相对变化量为：000()tgsRRRRRtKtt由此可见，由温度变化而引起附加电阻的变化除与温度有关外，还与应变片本身的性能参数K,α，β有关。线膨胀系数相同时二.温度补偿方法电桥补偿法0143()BUARRRRA—由桥臂电阻和电源电压决定的常数；))((431ARRRRUB测量应变时，工作应变片R1粘贴在被测试件表面上，补偿应变片RB粘贴在与被测试件材料完全相同的补偿块上，且仅工作应变片承受应变。初始状态：0143()0BUARRRR当温度变化t，而=0时:若此时被测试件有应变,则输出：014UARRK0])()[(3411RtRRRtRRAUBBO有时根据被测试件的应变情况，将补偿片也贴在被测试件上，让它承受与工作片大小相等，方向相反的应力，这样既可以进行温度补偿，又可以提高灵敏度，同时减小非线性，收到三重好处。R1RBMM应变片自补偿法1.选择式自补偿应变计0－敏感栅材料的温度系数；g－被测试件线膨胀系数；s－敏感栅材料线膨胀系数；k0－敏感系数。00()gsk•被测试件材料确定后，选择满足该式的敏感栅材料，达到温度自补偿。•一种应变计只能测一种材料的应变。2.双金属敏感栅自补偿（1）•把两个温度系数符号相反（一个为正，一个为负）的电阻丝串联绕制成敏感栅。•两段敏感栅R1和R2由于温度变化而产生的电阻变化为ΔR1t和ΔR2t,大小相等而符号相反,可以实现温度补偿。ΔR1与ΔR2的关系可由下式决定：焊点R1R2112221//RRRRRRttttR21R3.双金属敏感栅自补偿（2）•两个温度系数符号相同的应变片分别接入电桥相邻两臂上。•R1是工作臂,R2与外接串联电阻RB组成补偿臂。•适当调节R1R2之间的长度比和外接电阻RB的数值,使：R1R2abcR3R4UR1UscR2abRBcBttRRRRR2211注意：•补偿栅R2用温度变化产生的ΔR2t去补偿工作栅R1的ΔR1t,但同时也把工作栅灵敏系数抵消一部分。•因此补偿栅材料通常选用电阻温度系数大且电阻率小的铂或铂合金,这样只要几欧的铂电阻就能达到温度补偿,使应变计的灵敏系数少损失一些。•使用半桥电路。热敏电阻补偿法•热敏电阻Rk处在与应变计相同温度条件下；•当应变计的灵敏度随温度升高而下降时,热敏电阻Rk的值也下降,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,补偿因应变计引起的输出下降；•选择分流电阻R5的值,可以得到良好的补偿。R1R3R2R4R5Rk辅助测温元件微机补偿法•该方法的基本思想是在传感器内靠近敏感测量元件处安装一个测温元件,用以检测传感器所在环境的温度。•常用的测温元件有半导体热敏电阻以及PN结二极管等等。•测温元件的输出经放大及A/D转换送到计算机。传感器测温元件CPU放大器多路开关A/D隔离§2.5应变式传感器的应用应变式传感器基本构成：•弹性敏感元件•应变计应变式传感器特点：•测量范围广、精度高；•性能稳定可靠；•频率响应特性好；•能在恶劣环境下工作；•易于实现小型化、整体化。一.弹性敏感元件弹性敏感元件的作用•产生一个与被测物理量的变化成正比的应变。弹性敏感元件性能：•弹性储能（应变能）高•具有较强的抗压强度•受温度影响小•易于机械加工•具有良好的重复性和稳定性•热处理后组织均匀•具有高的抗氧化、抗腐蚀性能二.应变式传感器应用1.柱式（圆柱、圆筒、方柱）传感器T2T4C2C4T1T3C1C3U(a)(b)T1C1T4C4T2C2Usc补偿应变片：不受