第二章电阻式传感器资料

第二章电阻式传感器信息获取技术主讲教师：应捷办公室：光电学院309Email:[e-mail]2主要内容应变式传感器的工作原理*应变片的主要特性*应变式传感器的转换电路*应变式传感器的温度误差及补偿*应变式传感器压阻式传感器*3第一节应变式传感器非电量应变电阻应变片弹性元件电阻变化电量传感器一.金属电阻应变片的工作原理1.工作原理导体的应变—电阻效应金属丝伸长后几何尺寸变化Straingagetransducer4dssldlsdsldR2ssllRR2llllrrslR1rrss2可得：llRR21金属应变片工作原理5金属丝应变灵敏系数21210llRRK材料几何尺寸变化材料物理特性变化00KllKRR62、应变片的基本结构与测量原理主要结构参数：bl基宽敏感栅长度基长,)(11,bl宽基底：长规格以使用面积和电阻值来表示：120,)103(2mmElectronicresistancestraingage(计量器)7应变计金属应变片8⑴灵敏度高、精确度高；⑵尺寸小、重量轻，简单;⑶测量范围大；⑷适应性强；⑸便于多点测量;⑹频率响应特性好。金属应变片的优点:测量原理:Ell)/(:mm应变)(:N应力)(:PaE材料的弹性模量测量原理9二、金属电阻应变片的类型和材料•丝式应变片一般多用纸基，价格低、粘贴容易，但耐久性、耐湿性较差，横向效应大，在要求不高时可用；•要求：电阻系数高，电阻温度系数小，强度高，延展性好，对铜的热电势尽可能小，耐磨耐腐蚀，焊接性好。•常用材料：铜镍合金类、铜锰合金类、铂铱合金类、镍铬铝合金等。(a)(b)(c)•类型：金属丝式、箔式、薄膜式(1)丝式：金属丝d=0.012——0.05mm10几种箔式应变计(a)(b)(c)(d)(e)(f)(2)箔式：（厚膜）膜厚25um左右光刻箔式应变片多用胶基，可用于150℃以下的中温和常温测试，它绝缘性能好，参数分散性小，精度高，在应变测量中应用最广泛。11（3）薄膜式：膜厚0.1um沉积或真空蒸镀金属膜式在玻璃或胶木基体上，用高温蒸镀或电镀方法，涂覆一层金属膜而制成。优点：温度系数小，可在高温环境下工作。缺点：耐磨性差、功率小、阻值不高(1kΩ～2kΩ)。12三、金属应变片的工作特性1、灵敏系数：RRk/0kk实验表明：2、横向效应直线段：轴向拉应变，电阻值增大x圆弧段：除存在轴向应变外，还存在横向负应变xy，造成电阻值减小，因而灵敏度减小。应变片的灵敏系数小于电阻丝的灵敏系数。133.机械滞后m原因：残余变形4.零漂和蠕变零漂：,(constT温度）当t，指示真实而0蠕变：,(constT温度）当tconst，指示真实而机械滞后三、金属应变片的工作特性145.应变极限和疲劳寿命应变极限：表明应变片在不超过规定非线性误差（一般为10％）时，所能经受的最大真实应变值。疲劳寿命：在恒定幅值交变力的作用下，连续工作不产生疲劳损坏的循环次数N.应变极限三、金属应变片的工作特性156、最大工作电流和绝缘电阻最大工作电流：允许通过应变片而不影响其工作的最大电流值。静态测量约取25mA绝缘电阻：应变片引线和被测试件之间的电阻值要求：MM100~507、应变片的电阻值应变片未经安装、不受力、室温下测得的电阻值目前常用的电阻系列有：60Ω、120Ω、200Ω、350Ω、500Ω、1000Ω、1500Ω等，其中以120Ω最常用。三、金属应变片的工作特性168.动态特性sm/5000钢材测量变化频率较高的动态应变时，应变片反映敏感栅长度内的平均应变。应变波传播速度V=声波，设某瞬间应变波传播过程：1）正弦输入信号：三、金属应变片的工作特性17误差曲线1202cos2cos2xxpllpsin01sin00llp已知应变波的传播速度v，误差情况取n=20，可以确定不同应变片的基长l情况下的最高工作频率f=v/nl令=v/f20~10lnn(%)18四.转换电路(一)直流电桥平衡条件：R1R4=R2R30oI则，不平衡时，求得负载电流：2143432143213241RRRRRRRRRRRRRRRRRUILo输出电压LooRIU1.一般情况19时，若LR43213241RRRRRRRRUUo当电阻引起增量时URRRRRRRRRRRRRRRRUo4433221133224411设等臂电桥4321RRRRURRRRRRRRRRRRRRRUo432132413241222.当时LR时当RR)(443210RRRRRRRRUU)(44321UK203.单臂工作URRRRRRRRU4332111103412RRRRnURRnnU11201UnnK21URRRRRRRU432114103412113141011RRRRRRURRRRU时当RRi----n为桥臂比电压灵敏度：时，若LR输出电压：21单臂工作的非线性误差11110'001RRnRRUUUL1104RRUU4UK112RRLn＝1时，K最大。此时：式中U0’为实际值，U0为近似值。n=1时，有：VER1R2R4R3224.两臂差动工作433221111RRRRRRRRRUUo输出灵敏度提高一倍，并有温度补偿作用。RRUUo2等臂时，时当RR得：时，若LR23四臂差动进一步提高输出灵敏度。RRUUo时，若LR等臂时，时当RR)(443210RRRRRRRRUU得：24五、温度误差及补偿（一）温度误差1)电阻温度系数tRRtt2)线膨胀系数不同，使电阻变化tKRRsgtt：电阻温度系数g：试件膨胀系数s：敏感栅膨胀系数tKtRRsgtt251.自补偿法(1）单丝)(sgtk（二）补偿方法t与退火温度的关系曲线26常用材料的膨胀系数材料gt=-2(g-s)钢11×10-68×10-6杜拉铝22×10-6-14×10-6不锈钢14×10-62×10-6钛合金8×10-614×10-6杜拉铝duralumin：铝（90%以上）与铜（约4%）、少量镁和锰的合金27(2)双丝串接tbtaRRBbtbataRRRRR(a)材料的电阻温度系数符号不同(b)材料的电阻温度系数符号相同282、电路补偿法(2)直接补偿如图应变片直接粘贴在试件上下两侧(3)热敏电阻R1——工作应变片，安装在被测试件上；RB——补偿应变片，安装在补偿块上，与被测试件温度相同，但不承受应变。(1)采用温度补偿应变片29六.应变式传感器（一）应变式传感器的组成应变片粘贴1.受力构件2.弹性元件弹性元件设计主要要求：灵敏度高，刚度够足，线性好，固有振动频率高（二）电阻应变式力传感器测量范围广：N721010精度高：FSFS%05.0%03.0线性好；工作性能稳定、可靠30其弹性元件如图应变片粘贴处要大的曲率半径或平面，以保证粘贴质量。传感器对称布片，纵横向贴片，并用桥路连接方式作用：减小横向力和弯矩的影响，并温度补偿且提高灵敏度。1.柱式力传感器额定载荷：10t~50‌t31R2R3R1R4F受力图贴片示意图柱式力传感器示例t4t1t＝2t＝3应变的大小：R1（R4)R2（R3)3243214KUUio传感器所受应变与输出电压成正比关系。＋＝＋12124ii0KUKUU输出电压的大小：R1R2R3R4UoUi因为：得：电桥电路图332、梁式应变力传感器（b）等截面粱（a）等强度粱34等强度梁：梁厚为h，梁长为l，固定端宽为b0，自由端宽为b。其表面应变为：等强度梁式应变力传感器35（三）应变式压力传感器1.膜片膜片式压力传感器径向应力2223183xrhpr切向应力22231183xrhpt膜片上各点的应力与压力p的关系式：x：计算点半径r：膜片半径h：膜厚：泊松系数应力变化应变片粘贴位置trxhRpR2R1R4R3rt(a)(b)应力变化应变片粘贴位置trxhRpR2R1R4R3rt(a)(b)36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37（四）电阻应变式加速度传感器原理图201axm(1)质量块位移与加速度成正比线性关系；(2)固有频率越大，传感器灵敏度愈低，适于低频测量；mko(3)固有频率愈高，测量频率范围愈宽。质量块应变片悬臂梁硅油阻尼液38举例：电阻应变式称重计39举例：电阻应变式称重计40举例：电阻应变式称重计41实例：振动式地音入侵探测器适合于金库、仓库、古建筑的防范，挖墙、打洞、爆破等破坏行为均可及时发现。电阻式传感器42应变式力传感器的应用-电子皮带秤43第二节压阻式传感器EllRR21π为压阻系数固体受到作用力后，电阻率发生变化，这种效应称为压阻效应。一.压阻效应：半导体应变片灵敏系数高，机械滞后和蠕变小，频率响应好；但参数离散度大，温度影响大，线性范围小。半导体应变计多用于测量小的应变。441.晶向二.影响压阻系数的因素根据外界应力相对晶轴的方向，分为纵向应力和横向应力，当半导体同时受到两向应力作用时：ttLLRR45表1硅压阻系数的典型数据46压阻系数与表面杂质的浓度的关系2.扩散杂质的表面浓度压阻系数随扩散杂质浓度的增加而减小，表面杂质浓度相同时，P型硅的压阻系数值比N型硅的(绝对)值高。473.环境温度压阻系数与温度的关系48三.压阻式力传感器低压腔高压腔硅膜片引线硅杯ttLLRR径向应力2223183rrhpor切向应力22231183rrhpot49四.压阻式加速度传感器当质量块受加速度作用时，硅梁根部所受应力（单轴应力)abhmll26式中a为加速度50压力传感器-电子血压计51第二章电阻式传感器应变式传感器的工作原理应变片的主要特性应变式传感器的转换电路应变式传感器的温度误差及补偿压阻效应小结本节介绍了电阻式传感器的应变式传感器和压阻式传感器，通过学习，应该掌握以下内容：第二章电阻式传感器P43思考题5,6