2.1应变式传感器

引题：我们买菜、买水果都需要在电子秤上进行称重，然后按斤两来付钱，那么在电子秤中存在何种传感器呢？第二章电阻式传感器原理与应用电阻式传感器的基本原理是将被测非电量的变化转变成电阻值的变化，通过测量电阻值达到测量非电量的目的。(分类及应用)按工作原理变阻器式（电位器式）电阻应变式压阻式热电阻式（温度检测时具体讲）精度高，测量范围广；频率响应特性好；结构简单，尺寸小，重量轻；可在高低温、高速、高压等恶劣环境下工作；易于实现小型化，固态化；价格低廉，品种多样，便于选择；但在大应变状态具有明显非线性；由于输出信号微弱，抗干扰能力差；只能测出为应变片区域的平均应变。特点：2.1应变式传感器各种电子秤广泛应用于－机械秤包装机吊秤当弹性元件感受被测物理量时，其表面产生应变，粘贴在弹性元件表面的电阻应变片的电阻值将随着弹性元件的应变而相应变化。2.1应变式传感器电阻应变式传感器由弹性元件和电阻应变片构成。应用原理：通过测量电阻应变片的电阻值变化，可以用来测量位移、加速度、力、力矩、压力等参数。应用：应变片外力作用被测对象表面产生微小机械变形电阻值发生相应变化应变片敏感栅随同变形位移、力、力矩加速度、压力弹性敏感元件应变应变传感器实物两端梁悬臂梁扭矩传感器压力传感器位移传感器测力传感器2.1.1金属电阻应变片工作原理2.1.2电阻应变片的主要特性2.1.3测量电路2.1.4应变式传感器应用2.1应变式传感器2.1.1金属电阻应变片的工作原理1.电阻应变效应SlR＝FΔl、ΔS、ΔρΔR电阻应变效应：金属丝的电阻值随着其在外力作用下发生机械形变（拉伸或压缩）的大小而发生相应变化的现象。设一根长度l，截面积S，电阻率为的金属丝，其电阻为SlRlnlnlnlnSdSldldRdRSlR＝SSllRR导数的概念：xy对于半径为r的圆导体，S=πr2，ΔS/S=2Δr/r又由材料力学可知，在弹性范围内，Errll/,/,/)21(ERRε为导体的纵向应变，其数值一般很小，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；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；电阻丝的灵敏系数/210RRk21/0k材料的电阻率ρ随应变引起的（压阻效应）金属电阻应变片：k0值主要由几何尺寸变化所决定，k0≈1+2μ半导体应变片：k0值主要是由电阻率相对变化所决定0kRR灵敏系数：通常为单位应变所引起的电阻值的相对变化。材料的几何尺寸变化引起的（应变效应）金属丝式金属箔式金属薄膜式回线式短接式金属半导体材料2.应变片的基本结构与种类敏感栅核心金属应变片基底绝缘覆盖层保护丝式敏感栅箔式薄膜式（1）金属丝式应变片0)21(KRR金属电阻丝应变片的基本结构1-基底；2-电阻丝；3-覆盖层；4-引出线对于金属电阻应变片，材料电阻率随应变产生的变化很小，可忽略，因此由此可见，应变片电阻的相对变化与应变片纵向应变成正比，并且对同一电阻材料，K0=1+2μ是常数。其灵敏度系数多在1.7～3.6之间。0K丝式应变片：由电阻丝、基底、覆盖层、引出线和粘结剂组成。敏感栅（2）金属箔式应变片在绝缘基底上，将厚度为0.003～0.01mm电阻箔材，利用照相制板或光刻腐蚀的方法，制成适用于各种需要的形状。①尺寸准确，线条均匀，适应不同的测量要求②可制成多种复杂形状尺寸准确的敏感栅③与被测试件接触面积大，粘结性能好。散热条件好，允许电流大，灵敏度提高。④横向效应可以忽略。⑤蠕变、机械滞后小，疲劳寿命长。①电阻值的分散性大阻值调整②工艺复杂，成本高，不适合高温环境工作优点：缺点：（3）金属薄膜应变片优点：①应变灵敏系数大②允许电流密度大③工作范围广④易实现工业化生产缺点：①难控制电阻与温度和时间的变化关系②电阻应变片必须被粘在试件或弹性元件上才能工作2.1.2电阻应变片的主要特性选用应变片时，要考虑应变片的性能参数，主要有：应变片的电阻值、灵敏度、允许电流和应变极限等。应变片在未经安装也不受外力情况下，于室温下测得的电阻值电阻系列：60、120、200、350、600、1000Ω可以加大应变片承受电压电阻值大输出信号大敏感栅尺寸也增大1.灵敏系数RRk/实验条件：①试件受一维应力作用，应变片的轴向与主应力方向一致②试件材料的泊松系数μ=0.285的钢材。电阻应变片的灵敏系数k电阻丝的灵敏系数k0粘结层传递变形失真存在有横向效应原因：当金属丝做成应变片后，其电阻的应变特性与金属单丝情况不同，必须用实验方法对应变片的电阻的应变特性重新测定。（实验结果）2.横向效应敏感栅是由多条直线和圆弧部分组成纵栅：纵向拉应变εx，电阻横栅：横向压应度εy电阻K(箔式应变片)εyεxεy应变片的横栅部分将纵向丝栅部分的电阻变化抵消了一部分，从而降低了整个电阻应变片的灵敏度，带来测量误差，其大小与敏感栅的构造及尺寸有关。敏感栅的纵栅愈窄、愈长，而横栅愈宽、愈短，则横向效应的影响愈小。3.温度误差及其补偿（1）温度误差温度误差：由于测量现场环境温度改变而给测量带来的附加误差。产生因素电阻温度系数的影响试件材料和电阻丝材料的线膨胀系数的影响①电阻温度系数的影响敏感栅电阻随温度的变化关系表示式为：——敏感栅材料电阻温度系数△T——温度变化值)1(0TRRT0TTT当环境温度变化△T时，电阻丝相对变化为00TTRRRRT②线膨胀系数的影响当温度变化△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。0000()TTgsRRKRKT2200TTgllllT210()TTTgsllllT0()TTgslTlTllllsTT00110lsg——粘贴在试件上的应变丝的长度——应变丝的线膨胀系数——试件的线膨胀系数相应的虚假应变输出为000/()TTgsRRTTKK由上面的推导可得，由于温度变化而引起的总电阻变化为000()TTTgsRRRRTRKT③总附加虚假应变量由此可知，由于温度变化而引起的附加电阻给测量带来误差，该误差不仅与环境温度有关，还与应变片本身的性能参数（，，）及试件的线膨胀系数有关。0Ksg①电桥补偿法U0R1R4R3UFFR10143()BUARRRR01143[()()]0tBBtUARRRRRR011143[()()]tBBtUARRRRRRR11RRKBRBR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)温度补偿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〕常用的最好的补偿方法014UARRK②应变片的自补偿法定义：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。应变片自补偿方法：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。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（组合式自补偿应变片）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±0.45μm/℃的高精度)()(//111222112221ggttKKRRRRRR③热敏电阻补偿TKRtUiR1＋⊿RR4R3U0R2RtR5分流电阻UURtU=Ui-URtK应变片主要性能指标举例电桥分类直流电桥交流电桥平衡电桥不平衡电桥单臂电桥半桥全桥2.1.3电阻应变片的测量电路1.直流电桥直流电桥的工作原理)()())((-214343214321L3241LRRRRRRRRRRRRRRRRRUI时电桥平衡平衡条件:R1R4=R2R3R1/R2=R3/R4R1R2R4R3UILRLL0I当电桥后面接放大器时,由于放大器的输入电阻远比电桥电阻大的多，所以电桥输出端可以看成开路.电桥的输出式为：))((432132410RRRRRRRRUU当电桥各臂均有相应的电阻增量时))(())(())((44332211332244110RRRRRRRRRRRRRRRRUU若采用等臂电桥，即R1=R2=R3=R4=R时，)2)(2()(4321324143210RRRRRRRRRRRRRRRUU当ΔRiR(i=1,2,3,4)时，略去上式中的高阶微小量，则RRRRRRRRUU432104432104UKU高阶分量包括：RRRRRRRRRRRR222243213241；上式表明：①ΔRiR时，电桥的输出电压与应变成线性关系。②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；若相邻两桥臂的应变极性不同，则输出电压为两者之和。③若相对两桥臂应变的极性一致，输出电压为两者之和；反之则为两者之差。④电桥供电电压U越高，输出电压U0越大。但是，当U大时，电阻应变片通过的电流也大，若超过电阻应变片所允许通过的最大工作电流，传感器就会出现蠕变和零漂。⑤增大电阻应变片的灵敏系数K，可提高电桥的输出电压。单臂电桥，即R1桥臂变化ΔR，理想的线性关系RRUU4'02.单臂电桥非线性误差及其补偿2R1R3R4R0ULIiULR实际输出电压10211424RRRRURRRUU电桥的相对非线性误差为KRRRRRRUU21211211121111'00减小非线性误差采用的措施为：（1）采用半桥差动电桥R1R2F][4332211110RRRRRRRRRUUU0R1＋⊿R1R4R3UR2－⊿R2RRUU20＝R1＝R2＝R3＝R4=R，ΔR1＝ΔR2=ΔR严格的线性关系电桥灵敏度比单臂时提高一倍温度补偿作用输出电压为：RRUU0如果四个桥臂电阻都由应变片替代，且使两个应变片受拉，另两个受压，并将应变符号相同的应变片接到相对的桥臂上，这种接法称为全桥差动工作电路。条件：R1＝R2＝R3＝R4=R且ΔR1＝ΔR2=ΔR3＝ΔR4=ΔR优点：没有非线性误差；电压灵敏度是使用单只应变片的4倍，能温度补偿U0UR3－⊿R3(2)采用全桥差动电路2.1.4应变式传感器的应用应变片能将应变直接转换成电阻的变化其他物理量（力、压力、加速度等），需先将这些量转换成应变－弹性元件应变式传感器的组成：弹性元件、应变片、附件（补偿元件、保护罩等）被测物理量：荷重或力主要用途：作为各种电子称与材料试验机的测力元件、发动机的推力测试、水坝坝体承载状况监测等。力传感器的弹性元件：柱式、筒式、环式、悬臂式等1.应变式力传感器R5R8R7R6R1R2R3R4R5R8R7R6R1R2R3R4UoUF（1）柱（筒）式力传感器（a）实心圆柱（b）空心圆筒lFlESEE——弹性元件的弹性模量（2）梁式力传