第二章电阻应变式传感器

00:062020/1/231第二章电阻应变式传感器一、电阻应变式传感器工作原理1、电阻应变效应导体电阻相对变化：dAdAldlRdRdl/l=：轴向应变，单位：微应变dA/A=2dr/r=-2：--材料泊松比d/：电阻率相对变化dRdR)21(金属材料的应变灵敏系数系数：正比金属材料：)21()(CAdAldlCVdVCdmKRdR)21()21(CKm金属材料的电阻应变效应以尺寸变化为主，电阻率变化为辅康铜：0.3，C1（1+2)1.6C(1-2)0.4轴向力拉伸/压缩电阻变化l、A、变化00:062020/1/232半导体材料：kEkd正比sKRdR半导体应变灵敏系数一般：kE(1+2)半导体材料的电阻应变效应以压阻效应为主：灵敏度极高：轴向应力E：弹性膜量k：压阻系数(压阻效应)kEKs)21(kEKsKs=(50~80)Km2、电阻应变式传感器结构1–敏感栅：敏感元件，金属丝/金属箔，电阻值100以上，康铜/硅,P442-基底：保持敏感栅的形状、尺寸、位置，传递应变，胶粘，薄0.02~0.04mm3-引线：与敏感栅连接，镀锡铜线，钎焊4-盖层：保护层，防潮、防蛀、防损，纸/胶5-粘接剂：制造时：盖层+敏感栅；使用时：基底+被测部位—传递应变(a)丝式(b)箔式(c)半导体00:062020/1/233（1）金属电阻应变片的结构和类型金属电阻应变片的基本结构如图3.1所示。它由盖层、敏感栅、基底及引线四部分组成。敏感栅可金属丝、金属箔制成，它是转换元件，被粘贴在基底上。用粘合剂粘贴在传感器弹性元件或试件上的应变片通过基底把应变传递到敏感栅上，同时基底起绝缘作用。盖层起绝缘保护作用。焊接于敏感栅两端引线连接测量导线之用。图3.1应变式电阻传感器的结构原理示意图1—敏感栅2—基底3—引线4—盖层5—粘贴剂00:062020/1/234•目前，常用的金属电阻应变片主要有：金属丝式应变片、箔式应变片、及金属薄膜应变片等结构形式。•金属丝式应变片的敏感栅由金属丝绕制而成。金属丝材料为电阻率大而电阻温度系数小的材料。丝式应变片的规格一般以使用面积（L×b）和敏感栅的电阻值来表示。阻值一般在50—1000Ω范围内，常用的为120Ω。•箔式应变片是利用光刻、腐蚀等工艺制成的一种很薄的金属薄栅，厚度在0.003-0.010mm。其优点是表面积与截面积之比大，散热条件好，允许通过电流较大，可制成各种需要的形状，便于大批量生产。•金属薄膜应变片是采用真空溅射或真空沉积的方法制成，它将可产生形变的金属或合金直接沉积在弹性元件上而不用粘合剂。这样应变片的性能更好，灵敏度高。所谓薄膜指厚度在0.1μm以下的金属膜。厚度在25μm左右的称厚膜箔式应变片即属厚膜。00:062020/1/2353、电阻应变式传感器的特性(1)静态特性：灵敏系数：KRR/RRK传感器灵敏系数敏感栅灵敏系数？横向系数：yyxxKKRRxyKKH/横向效应系数电阻变化率灵敏系数传感器=敏感栅+基底+盖层+粘接剂+引线00:062020/1/236机械滞后：应变极限：非线性误差达到10%的应变值，过载能力蠕变和零漂：(2)动态特性：力传导：机械应变基底胶层敏感栅滞后正弦响应：幅值降低阶跃响应：震荡粘接---过热/过载残余变形预载/重复加载不重合内应力滑移固化，增大弹性膜量粘接00:062020/1/2374、电阻应变式传感器的测量电路作用：组成：电桥放大器相敏检波滤波器振荡器(1)直流电桥：U：电源电压U0：输出电压RL：负载电阻初始状态：R1R3=R2R4平衡输出U0=0电压输出桥：RL=（接高阻抗放大器）I0=0输出电压：URRRRRRRRU))((432142310URRRRRRRRRRRRRRRRU))(())(())((44332211442233110等臂电桥：R1=R3=R2=R4=R)](211/[)(444332211443322110RRRRRRRRRRRRRRRRUU近似：RR)(4)(44321443322110KURRRRRRRRUU单臂工作：R1-应变片，R2-补偿片，R3、R4固定电阻1104RRUU相对桥臂相加相邻桥臂相减放大微弱信号R/RV/I；（信号转换）工作状态：R1R3R2R400:062020/1/238(2)交流电桥：平衡条件：交流电桥的调平：未受载，无应变时，输出=零原理：相同；输入输出：直流交流，电阻阻抗4231ZZZZjzeZ4231zzzz4231电阻调平法：串联电阻法/并联电阻法：可调R5导线的分布电容影响：容抗(频率)平衡输出32414231RCRCRRRR电容调平法：差动法---C3/C4同轴差动电容（大小相等、极性相反）阻容法---RC阻容电路平衡条件：214231CCRRRR一般电桥：全等臂电桥：00:062020/1/239(3)电桥的非线性及其补偿：近似：差动电桥补偿法：1104RRUU准确：)211/(41111'0RRRRUU非线性误差：1111111111111'0'002121)211/(4)211/(44KRRRRRRURRRRURRUUUUeL例：某金属应变传感器，K=2.5，max=5000，全等臂电桥，单臂工作，非线性误差：基本线性若为半导体应变传感器：K=120，非线性严重%625.0005.05.25.0Le%30005.01205.0LeRRUU'0相对桥臂受拉：R1+R1，R3+R3相邻桥臂受压：R2-R4，R4-R4全等臂电桥：R1=R2=R3=R4=RR1=-R2=R3=R4输出电压：线性，灵敏度*400:062020/1/2310恒流源电桥补偿法：111432113'04RRRRIRRRRRRRIU全等臂电桥，恒流源，单臂工作：非线性非线性误差：近似线性：RRIRRRRRRRIU143211304111111111'0'00/4/)4/()4/()4/(RRRRRRRIRRRRIRRRIRUUUeL(4)电桥的温度效应及其补偿：温度效应：标准状态（t=20C，p=760mmHg，f=10mmHg），（理想）实际温度：偏差---特性改变---输出改变两部分：敏感栅电阻变化，敏感栅与试件热胀失衡（不等）ttstttKRR)()(相对变化：K：传感器灵敏系数，s,t：被测试件和敏感栅热胀系数t：温度变化，at：电阻温度系数00:062020/1/2311单丝自补偿法：选择材料：(R/R)t=0制造简单、使用方便---用于设计过程)(tstK双丝自补偿法：应变片由两个电阻丝(Ra,Rb)串联，电阻温度系数一正一负，抵消,用于单个选定的试件，缺乏通用性桥路补偿块法：两个应变片，参数相同：R1—试件上，感受应变和温度R2—环境中，只感受温度变化接入相邻桥臂，相减，消除。简便，对环境有要求。温度补偿方法：双丝半桥补偿法：应变片由两个电阻丝(R1,R2)串联，温度系数符号相同R1-工作栅，R2-补偿栅，RB-外接电阻，对温度不敏感调整RB，使相邻桥臂热输出相等，相邻桥臂相减，消除使用方便，适用范围广；对RB精度要求高，灵敏度降低00:062020/1/2312二、典型电阻应变式传感器1、电阻应变式测力传感器组成：应变片---敏感元件弹性体---力-应变电桥---电阻-电压，全等臂弹性元件：筒式：结构简单，承载能力大，抗偏载和侧向力能力强环式：刚度大，固有频率高，内外差动，灵敏度高悬梁式：结构简单，粘贴方便，上下差动，灵敏度高，小载荷/精度高轮辐式：结构复杂；线性好，精度高，抗偏载和侧向力00:062020/1/23132、电阻应变式压力传感器应变式称重传感器：应用领域：流体的压力（液/气）类型：单一式/组合式筒式应变压力传感器：单一式：压力弹性体应变片电桥承载头：球面，高硬，弹性体：筒式结构，抗偏载和侧向力能力强；应变片：差动布片，灵敏度较高电桥：全等臂电桥，典型应用：电子秤，测力仪，轨道衡弹性题：厚底应变筒应变片：R1,R3-工作应变片R2,R4-温度补偿片电桥：全桥，消除温度效应00:062020/1/23142、电阻应变式压力传感器受压弹性体：膜片、膜盒、波纹管，承受压力应变弹性体：梁，产生应变优点：对高温、腐蚀等起隔离作用，使用范围广组合式：压力受压弹性体传力件应变弹性体应变片电桥丝式应变压力传感器：压力膜片导杆十字叉梁电阻丝非粘贴型：无需基底、粘结剂，滞后和蠕变极小，分辨力极高；复杂波纹管式应变压力传感器：压力波纹管U型梁应变片00:062020/1/23153、电阻应变式位移传感器静态测量：要求弹性体刚度小，反作用力小，动态测量：固有频率高，动态响应好位移弹性体变形/应变应变片00:062020/1/2316三、压阻式传感器kEkdRdR：轴向应力E：弹性膜量k：压阻系数1、压阻传感器原理半导体材料变形电阻变化应力电阻率变化电阻变化压阻效应：硅杯：硅膜片---基底无胶粘扩散硅技术半导体工艺敏感栅+基底同一块材料滞后/蠕变/老化减小放大电路、温度补偿、信号处理集成化微处理器智能传感器2、压阻式压力传感器四个电阻：扩散参杂法铝电极：真空蒸镀引线：压焊法压力差硅膜片变形应力电阻变化应用：动态，点压力，生物医学（植入式），腐蚀性，防暴，气象（绝对压力），石油化工（高温高压）00:062020/1/23172、压阻式加速度传感器悬臂梁：N型单晶硅，质量块：惯性体电阻：扩散，P型，晶向垂直，全等臂电桥特点：结构简单，外形小巧，性能优越，集成度高，可测低频加速度应用：航空---风洞试验，过载加速度，振动工业---汽车振动参数测试（0Hz~），主动式消振器建筑---建筑物晃动，大桥桥梁摆动，加速度质量块弯矩应变MEMS：微型电子机械系统技术---微型压阻式传感器变小集成，智能，滞后、蠕压阻式传感器灵密度高，非线性大半导体应变式传感器非线性小，金属应变式传感器电阻应变式传感器：00:062020/1/2318作业1、某应变片的电阻R=120Ω，灵敏系数为k=2.05，用作测量应变为ε=800με的传感元件，请求出电阻变化量ΔR及其相对变化量ΔR/R。2、上述应变片，当电源电压为U=3v时，电桥的输出电压U为多少？