传感器 第二章 电阻式传感器

山东理工大学机械学院第二章电阻式传感器第二章电阻式传感器山东理工大学机械学院第二章电阻式传感器山东理工大学机械学院第二章电阻式传感器基本原理：将被测的非电量转换成电阻值的变化，再经转换电路变成电量输出。电阻材料：导体、半导体、电解质溶液等。物理学原理：导体、半导体的长度或内应力变化、温度变化导致电阻变化。被测参数：力、压力、应变、加速度等。主要优点：结构简单，性能稳定，灵敏度较高，有的可用于动态测量。本章主要研究的内容：应变式传感器和压阻式传感器。山东理工大学机械学院第二章电阻式传感器第一节应变式传感器定义：应变式传感器是利用金属的电阻应变效应，将被测物变形转换成电阻变化的传感器。本节内容：一．工作原理二．应变片的类型和材料三．金属应变片的主要特性四．转换电路五．温度误差及其补偿六．应变式传感器举例山东理工大学机械学院第二章电阻式传感器一、工作原理★金属的电阻应变效应定义：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。一根长l，截面积为S，电阻率为ρ的金属丝电阻为:（2－1）山东理工大学机械学院第二章电阻式传感器如图2-1所示山东理工大学机械学院第二章电阻式传感器当电阻丝受到轴向拉力F作用时，电阻值ΔR的变化引起电阻的相对变化为:Δl/l=ε，为金属导体电阻丝的轴向应变，常用单位με（με=1×10-6mm/mm）假设Δr/r为径向应变，且由材料力学知，Δr/r=μΔl/l，式中为金属材料的泊松比。（2－2）SSllRR山东理工大学机械学院第二章电阻式传感器用横向、径向应变、泊松系数带入后电阻变化率为：受力后材料几何尺寸变化（1+2μ）；材料电阻率的变化（Δρ/ρ）/ε。对于金属材料而言，以前者为主，则k0≈1+2μ，对半导体，k0值主要是由电阻率相对变化所决定。通常金属丝的灵敏系数k0=2左右。12RlRl0//12RRk令：（2－3）山东理工大学机械学院第二章电阻式传感器★应变片的基本结构及测量原理1、丝绕式应变片结构：合金电阻丝（φ0.025mm左右）绕成敏感栅；敏感栅粘贴在绝缘的基底1；电阻丝的两端焊接引出线4；敏感栅上面粘贴有保护用的覆盖层3。参数：l—基长，b—基宽，l×b—使用面积规格：以使用面积和电阻值表示，例如3×10mm2，120Ω。山东理工大学机械学院第二章电阻式传感器图2-21电阻应变片的基本结构1-敏感栅;2-基底;3-覆盖层;4-引线12山东理工大学机械学院第二章电阻式传感器2、应变片的测量原理：直接用应变片测量受力应变时，将应变片粘贴于被测对象表面上。在外力作用下，被测对象表面产生微小机械变形时，应变片敏感栅也随同变形，其电阻值发生相应变化ΔR。应用转换电路和仪器测出ΔR，根据式（2-3），可得弹性试件的应变值ε。应变ε(ε=σ/E)→ΔR扩展应用：通过弹性敏感元件的作用，可以将应变片测应变的应用扩展到能引起弹性元件产生应变的各种非电量的测量，如位移、力、力矩、压力等物理量，从而构成各种电阻应变式传感器。山东理工大学机械学院第二章电阻式传感器山东理工大学机械学院第二章电阻式传感器山东理工大学机械学院第二章电阻式传感器3、应变片的优点：测量应变的灵敏度和精确度高，性能稳定、可靠，可测1～2με，误差小于1％。应变片尺寸小、重量轻、结构简单、使用方便、响应速度快。测量时对被测件的工作状态和应力分布影响较小。既可用于静态测量，又可用于动态测量。测量范围大。既可测量弹性变形，也可测量塑性变形。变形范围可从1％～2％至20％。适应性强。可在高温、超低温、高压、水下、强磁场以及核辐射等恶劣环境下使用。便于多点测量、远距离测量和遥测。山东理工大学机械学院第二章电阻式传感器二、应变片的类型和材料★三种类型：金属丝式，金属箔式和金属薄膜式。1、金属丝式应变片应变片短接式山东理工大学机械学院第二章电阻式传感器回线式：–敏感栅丝直径在0.012～0.05mm，以0.025mm左右为最常用；–回线的曲率半径r为0.1～0.3mm；–基片用厚度为0.03mm左右的薄纸（称纸基），或用粘结剂和有机树脂基膜制成（称胶基），粘贴性能好，能保证有效地传递变形。–引线多用0.15～0.30mm直径的镀锡铜线与敏感栅相接。回线式主要特点：因制作简单，性能稳定，成本低，易粘贴，所以最为常用。但因弯曲部的变形使其横向效应较大。山东理工大学机械学院第二章电阻式传感器短接式：–两端用直径比栅丝直径粗5～10倍的镀银丝短接而成，有效克服了横向效应。–由于焊点多，易在焊点处出现疲劳损坏，制造工艺要求高，使用较少。金属丝常用的材料有康铜、镍铬合金、镍铬铝合金、铁镍铬合金以及贵金属（铂、铂钨合金）等。山东理工大学机械学院第二章电阻式传感器2、金属箔式应变片制作工艺：箔式应变片是在绝缘基底上，将厚度为0.003～0.01mm电阻箔材，利用照相制板或光刻腐蚀的方法，制成适用于各种需要的形状。山东理工大学机械学院第二章电阻式传感器山东理工大学机械学院第二章电阻式传感器山东理工大学机械学院第二章电阻式传感器箔式应变片的优点：1.可制成多种复杂形状尺寸准确的敏感栅，栅长l最小可做到0.2mm，以适应不同的测量要求。2.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，提高了输出灵敏度。3.横向效应可以忽略。4.蠕变、机械滞后小，疲劳寿命长。箔式应变片的缺点：电阻值的分散性大，有的能相差几十欧坶，故需要作阻值调整。山东理工大学机械学院第二章电阻式传感器3、金属薄膜应变片制作工艺：采用真空蒸发或真空沉积等方法在薄的绝缘基片上形成厚度在0.1μm以下的金属电阻材料薄膜敏感栅，最后再加上保护层，易实现工业化批量生产。特点：电阻值高于箔式，形状和尺寸更精确；散热性好，适于较宽温度范围，应达－197～317℃；电阻值精度高，达0.01%；无胶结，避免了分选和粘贴。山东理工大学机械学院第二章电阻式传感器★粘结剂和粘贴技术1、粘合剂合理选择粘合剂：粘合剂必须适合应变片材料和被测试件材料及环境，例如工作温度、湿度、化学腐蚀等。对粘合剂要求：（1）有一定的粘结强度；（2）能准确传递应变，有足够的剪切弹性模量；（3）蠕变、机械滞后小；（4）有足够的稳定性能；（5）耐湿、耐油、耐老化、耐疲劳等。常用的粘合剂类型有硝化纤维素粘合剂、氰基丙烯酸脂粘合剂、有机硅粘合剂等。山东理工大学机械学院第二章电阻式传感器2、粘贴工艺（1）应变片的检查和阻值检查；（2）试件表面处理，为了使应变片牢固地粘贴在试件表面上，必须将要贴片处的表面部分打磨，使之平整光洁。清洗使之无油污、氧化层、锈斑等；（3）定位划线；（4）粘贴应变片，并压合，使粘合剂的厚度尽量减薄；（5）粘合剂固化处理；（6）引线的焊接处固定以及防护与屏蔽处理等。山东理工大学机械学院第二章电阻式传感器三、金属应变片的主要特性1、灵敏系数定义：应变片安装于试件表面，在其轴线方向的单向应力作用下，应变片的阻值相对变化与试件表面上安装应变片区域的轴向应变之比。公式：山东理工大学机械学院第二章电阻式传感器说明：应变片的电阻—应变特性与金属单丝时不同，因此须用实验方法对应变片的灵敏系数k进行测定。测定时必须按规定的标准，例如受轴向单向力（拉或压），试件材料为泊松系数μ=0.285的钢等。一批产品中只能抽样5％的产品来测定，取平均值及允许公差值作为该批产品的灵敏系数，又称“标称灵敏系数”。实验表明，电阻应变片的灵敏系数k恒小于电阻丝的灵敏系数k0，其原因除了粘结层传递变形失真外，还存在有横向效应。山东理工大学机械学院第二章电阻式传感器2、横向效应山东理工大学机械学院第二章电阻式传感器敏感栅是由多条直线和圆弧部分组成。直线段：金属丝只感受沿轴向拉应变εx，电阻值将增加；圆弧段：沿各微段轴向（即微段圆弧的切向）的应变却并非是εx，因此与直线段上同样长度的微段所产生的电阻变化就不相同，最明显的在θ=л/2处微圆弧段上，按泊松关系，在垂直方向上产生负的压应度εy，因此该段的电阻是减小的。而在圆弧的其它各段上，其轴向感受的应变由+εx变化到-εy。山东理工大学机械学院第二章电阻式传感器结论：1、将直的电阻丝绕成敏感栅之后，虽然长度相同，但应变状态不同，其灵敏系数降低了。这种现象称横向效应。2、当实际使用应变片时，使用条件与标定灵敏系数k时的标定规则不同时，实际k值要改变，由此可能产生较大测量误差。3、为了减少横向效应产生的测量误差，一般多采用箔式应变片，其圆弧部分尺寸较栅丝尺寸大得多，电阻值较小，因而电阻变化量也就小得多。山东理工大学机械学院第二章电阻式传感器3、机械滞后应变片安装在试件上以后，在一定温度下，其（ΔR/R）–ε的加载特性与卸载特性不重合，在同一机械应变值εg下，其对应的ΔR/R值（相对应的指示应变εi）不一致。加载特性曲线与卸载特性曲线的最大差值Δεm称应变片的滞后。山东理工大学机械学院第二章电阻式传感器机械滞后产生的原因：敏感栅、基底和粘合剂在承受机械应变后所留下的残余变形所造成的。减小措施：选用合适的粘合剂；在新安装应变片后，做三次以上的加卸载循环后再正式测量。山东理工大学机械学院第二章电阻式传感器4、零漂和蠕变零漂：粘贴在试件上的应变片，在温度保持恒定、不承受机械应变时，其电阻值随时间而变化的特性，称为应变片的零漂。蠕变：如果在一定温度下，使其承受恒定的机械应变，其电阻值随时间而变化的特性，称为应变片的蠕变。一般蠕变的方向与原应变量变化的方向相反。说明：这两项指标都是用来衡量应变片特性对时间的稳定性，在长时间测量中其意义更为突出。实际上，蠕变中即包含零漂，因为零漂是不加载的情况，它是加载情况的特例。应变片在制造过程中所产生的内应力、丝材、粘合剂、基底等的变化是造成应变片零漂和蠕变的因素。山东理工大学机械学院第二章电阻式传感器5、应变极限和疲劳寿命应变极限：是指在一定温度下，应变片的指示应变εi对测试值的真实应变εg的相对误差不超过规定范围（一般为10％）时的最大真实应变值εj。山东理工大学机械学院第二章电阻式传感器疲劳寿命：对于已安装好的应变片，在恒定幅值的交变力作用下，可以连续工作而不产生疲劳损坏的循环次数N称为应变片的疲劳寿命。当出现以下三种情况之一时，都认为是疲劳损坏：（1）应变片的敏感栅或引线发生断路；（2）应变片输出指示应变的幅值变化10％；（3）应变片输出信号波形上出现穗状尖峰。疲劳寿命反映了应变片对动态应变测量的适应性。山东理工大学机械学院第二章电阻式传感器6、最大工作电流和绝缘电阻最大工作电流：是指允许通过应变片而不影响其工作的最大电流值。选择时要考虑的因素：–工作电流大，应变片输出信号大，灵敏度高；–但过大的工作电流会使应变片本身过热，使灵敏系数变化，零漂、蠕变增加，甚至把应变片烧毁。选择依据：要根据散热条件而定，主要取决于敏感栅的几何形状和尺寸、截面的形状和大小、基底的尺寸和材料、粘合剂的材料和厚度以及试件的散热性能等。实际选择情况：通常允许电流值在静态测量时约取25mA左右，动态时可高一些，箔式应变片可取更大一些。对于导热性能差的试件，例如塑料、陶瓷、玻璃等，工作电流要取小些。山东理工大学机械学院第二章电阻式传感器绝缘电阻：是指应变片的引线与被测试件之间的电阻值。通常要求50MΩ～100MΩ以上。几点说明：绝缘电阻过低，会造成应变片与试件之间漏电而产生测量误差；如果应变片受潮，绝缘电阻大大降低；应变片绝缘电阻取决于粘合剂及基底材料的种类以及它们的固化工艺；基底与胶层愈厚，绝缘电阻愈大，但会使应变片灵敏系数减小，蠕变和滞后增加，因此基底与胶层不可太厚。山东理工大学机械学院第二章电阻式传感器7、应变片的电阻值R概念：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，是使用应变片时需知道的一个特性参数。目前常用的电阻系列，习惯上为60、120、200、350、500、1000Ω，其中以120Ω最常用。山东理工大学机械学院第二章电阻