电阻应变式传感器资料

3.13.2电阻应变片特性3.3电阻应变片温度误差及补偿3.4应变式传感器的测量电路3.5应变式传感器应用3应变式传感器2各种电子秤广泛应用于3.1概述3高精度电子汽车衡动态电子秤电子天平4机械秤包装机吊秤遥动遥控吊秤液压叉车秤5上海卢浦大桥通车应变试验6上海国际会议中心模型试验7打桩船吊塔强度试验当被测物理量作用在弹性敏感元件上时，弹性敏感元件的变形，产生的应变引起应变片的阻值变化，通过转换电路将其转变成电量输出,电量变化的大小反映了被测物理量的大小。传感器由弹性敏感元件上粘贴电阻应变片构成。电阻应变片（转换元件）应变电阻变化弹性敏感元件9壳体机座aFR1R2m充满硅油103.2电阻应变片一、电阻应变片品种繁多，形式多样。但常用的应变片可分为两类:•半导体电阻应变片：用半导体材料制成的，其工作原理是基于半导体材料的压阻效应。•所谓压阻效应，是指半导体材料在某一轴向受外力作用时,其电阻率ρ发生变化的现象。•金属电阻应变片：根据敏感栅分为丝式、箔式和薄膜式三种。其工作原理是基于金属材料的应变效应。图3.2.1为丝绕式电阻应变片的结构示意图。它以直径为0.025mm左右的、高电阻率的合金电阻丝绕成形如栅栏的敏感栅。应变片的基本结构（丝式）引线覆盖层基片电阻丝式敏感栅lb基底图3.2.1丝绕式电阻应变片1)基底——为保持敏感栅固定的形状、尺寸和位置，通常用粘结剂将它固结在纸质或胶质的基底上，还有绝缘作用。一般为0.02--0.04mm2)敏感栅——应变计中实现应变-电阻转换的转换元件。其电阻值一般在100Ω以上3)覆盖层——用纸、胶做成覆盖在敏感栅上的保护层；起着绝缘、防潮、防蚀、防损等作用4)引线——它起着敏感栅与测量电路之间的过渡连接和引导作用。14(1)金属应变片的工作原理是基于金属的应变效应—在导体产生机械变形时，它的电阻值相应发生变化。二、金属应变片工作原理FlrrlF图3.2.2金属电阻丝受力变形情况(2)电阻-应变特性•如图3.2.2所示,一根金属电阻丝在其未受力时,原始电阻值为SLR.式中:ρ——电阻丝的电阻率;L——电阻丝的长度;S——电阻丝的截面积。•当电阻丝受到拉力F作用时,将伸长dL,横截面积相应减小dS,电阻率将因晶格发生变形等因素而改变dρ,故引起电阻值相对变化量为dSdSLdLRdRLdLxyrdrSdS22dS/S为圆形电阻丝的截面积相对变化量,即式中dL/L是长度相对变化量,用轴向应变εx表示(3-1)εy：dr/r径向应变εx：dL/L轴向应变•由材料力学可知,在弹性范围内,金属丝受拉力时,沿轴向伸长,沿径向缩短,那么轴向应变εx和径向应变εy的关系可表示为xyLdLrdr式中:μ——电阻丝材料的泊松系数,负号表示应变方向相反。•将上式代入式（3-1），可得dRdRx)21(xxdRdR)21(xxsdRdRK/21/或•通常把金属丝产生单位变形所引起的电阻值相对变化量称为电阻丝的灵敏度系数Ks。其表达式为☻金属丝受力后主要引起两个方面的变化：材料几何尺寸变化（1+2μ）；材料电阻率的变化（dρ/ρ）/εxsKRR•大量实验证明,在金属丝拉伸极限内,电阻的相对变化与应变成正比,即Ks为常数。故有：当金属丝做成敏感栅后，实验表明应变片同样有xKRR②金属丝应变效应表示式：①Ks≈1+2μ•当将下图所示的应变片粘贴在被测试件上时,其敏感栅是由n条长度为l1的直线段和(n-1)个半径为r的半圆组成。(3)横向效应Fll1Fyxyar(a)(b)（a）应变片及轴向受力图（b）应变片的横向效应图将直的电阻丝绕成敏感栅后，虽然长度不变，但由于应变状态不同,应变片敏感栅的电阻变化较小，因而其灵敏系数K较电阻丝的灵敏系数Ks小，这种现象称为应变片的横向效应。减小横向效应误差的措施：一般采用箔式应变片。各种金属箔式应变片23当测得应变片电阻值变化量ΔR时,便可得到被测对象的应变值。根据应力与应变的关系,得到应力值σ(4)测试原理σ=E·ε应力⇒应变(=/E)⇒R式中:σ——试件的应力;ε——试件的应变;E——试件材料的弹性模量。24有一钢板，原长1米，钢板弹性模量为，使用BP-3箔式应变片电阻为120Ω，灵敏度系数为2，测出拉伸应变为300με，求钢板伸长Δl，应力σ，电阻相对变化ΔR/R及电阻变化ΔR。./622110Ncm().(/).()6466264621ll130010310m2E300102110630NcmR3K230010610R4ΔRRK120600107210、、、、半导体应变片受轴向力作用时,其电阻相对变化为xRR)21(xE三、半导体应变片工作原理(3-2)式中Δρ/ρ为半导体应变片的电阻率相对变化量Δρ/ρ与半导体敏感元件在轴向所受的应变力关系为式中:π——半导体材料的压阻系数。•实验证明,πE比(1+2μ)大上百倍,所以(1+2μ)可以忽略,因而半导体应变片的灵敏系数为xERR)21(ERRKx/代入式(3-2)中得半导体应变片突出优点是灵敏度高,比金属丝式高50-80倍,尺寸小,横向效应小,动态响应好。但它有温度系数大,应变时非线性比较严重等缺点。3.3电阻应变片温度误差及补偿•由于测量现场环境温度的改变而给测量带来的附加误差，称为应变片的温度误差。产生应变片温度误差的主要因素有:一、应变片的温度误差1)2)当试件和电阻丝线膨胀系数不同时，由于环境温度的变化，电阻丝会产生附加变形，从而产生附加电阻。1)电桥补偿是最常用的且效果较好的线路补偿法。图3.3.1(a)所示是电桥补偿法的原理图。电桥输出电压U0与桥臂参数的关系为二、电阻应变片的温度补偿方法•电阻应变片的温度补偿方法通常有桥路补偿法和应变片自补偿法两大类。3.3.1电桥补偿法R1R3RBR4UoR1RB(a)(b)FFER1：工作应变片RB：补偿应变片+-式中:A——由桥臂电阻和电源电压决定的常数。R1—工作应变片；RB—补偿应变片U0=A(R1R4-RBR3)•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。如图3.3.1(b)所示。•当被测试件不承受应变时，R1和RB又处于同一环境温度为t的温度场中，调整电桥参数使之达到平衡，此时有0)(341RRRRAUBo工程上，一般按R1=RB=R3=R4选取桥臂电阻。•当温度升高或降低Δt时，两个应变片因温度而引起的电阻变化量相等，电桥仍处于平衡状态，即•若此时被测试件有应变ε的作用，则工作应变片电阻R1又有新的增量ΔR1=R1Kε，而补偿片因不承受应变，故不产生新的增量，此时电桥输出电压为U0=AR1R4KεBttRR10])()[(3411RRRRRRAUBtBto•这种温度补偿法是利用自身具有温度补偿作用的应变片，称之为温度自补偿应变片。2)应变片的自补偿法3.4电阻应变片的测量电路•由于机械应变一般都很小，要把微小应变引起的微小电阻变化测量出来，同时要把电阻相对变化ΔR/R转换为电压或电流的变化以方便显示和记录。•因此,需要有专用测量电路用于测量应变变化而引起电阻变化的测量电路，通常采用电桥电路。直流电桥交流电桥按桥压分√35电桥电路如图3.4.1所示，图中E为电源电压，R1、R2、R3及R4为桥臂电阻，RL为负载电阻。一、直流电桥的平衡条件3.4.1直流电桥R1R2R4R3ACBEDIoRLUo＋－电桥的平衡条件流过RL的电流为零或U0为零应变片工作时，其电阻值变化很小，电桥相应输出电压也很小，一般需要应该接高输入电阻放大器放大。可以视电桥为开路情况。当电桥平衡时，U0=0，则有4321RRRRR1R4=R2R3当RL→∞时，电桥输出电压U0为：)(4332110RRRRRREU或上式即为直流电桥平衡条件。这说明欲使电桥平衡，其相邻两臂电阻的比值应相等，或相对两臂电阻的乘积应相等。37•R1为电阻应变片，R2,R3,R4为电桥固定电阻，这就构成了单臂电桥。二、电压灵敏度•当产生应变时，若应变片电阻变化为ΔR，其它桥臂固定不变，电桥输出电压U0≠0，则电桥不平衡输出电压为设桥臂比n=R2/R1，由于ΔR1R1，分母中ΔR1/R1可忽略，并考虑到平衡条件R2/R1=R4/R3，则上式可写为ERRnnUo112')1(()()311o1123414112344131412113RRRUERRRRRRRERRRRRRRRRERRR11RRR从KU式分析发现：①电桥电压灵敏度正比于电桥供电电压，供电电压越高，电桥电压灵敏度越高，但供电电压的提高受到应变片允许功耗的限制，所以要作适当选择；EnnRRUKoU211')1(电桥电压灵敏度定义为②电桥电压灵敏度是桥臂电阻比值n的函数，恰当地选择桥臂比n的值，保证电桥具有较高的电压灵敏度。当E值确定后，n取何值时才能使KU最高0)1(13EnndndKU由dKU/dn=0求KU的最大值，得求得n=1时，KU为最大值。这就是说，在供桥电压确定后，当R1=R2，R3=R4时，电桥电压灵敏度最高，此时有从上述可知，当电源电压E和电阻相对变化量ΔR1/R1一定时，电桥的输出电压及其灵敏度也是定值，且与各桥臂电阻阻值大小无关。4411'EKRREUUo•U0’式是略去分母中的ΔR1/R1项，电桥输出电压与电阻相对变化成线性比的理想情况下得到的，实际情况则应按下式计算，即)1(111110nRRnRRnEU三、非线性误差及其补偿方法341211113411RRRRRRRRRREUo•当非线性误差不能满足测量要求时，必须予以消除。比如半导体应变片的应变灵敏系数比较高，对半导体应变片的测量电路要做特殊处理。''1oo1L1o1RUURRU1nRU0与ΔR1/R1的关系是非线性的，非线性误差为如果是四等臂电桥，R1=R2=R3=R4，即n=111111121212RRRRRRL•为了减小和克服非线性误差，常采用差动电桥如图3.4.2所示，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，如图3.4.2(a)所示。该电桥输出电压为433221111RRRRRRRRREUo1.差动电桥3.4.2差动电桥R1＋R1R4R3ACBEDR2－R2Uo(a)R1＋R1ACBEDR2－R2Uo(b)R3－R3R4＋R4＋－＋－•若ΔR1=ΔR2，R1=R2，R3=R4，则得112RREUo•由上式可知，U0与ΔR1/R1成线性关系，差动电桥无非线性误差，而且电桥电压灵敏度KU=E/2，是单臂工作时的两倍，同时还具有温度补偿作用。•若将电桥四臂接入四片应变片，如图3.4.2(b)所示，即两个受拉应变，两个受压应变，将两个应变符号相同的接入相对桥臂上，构成全桥差动电路。若ΔR1=ΔR2=ΔR3=ΔR4，且R1=R2=R3=R4，则EKRREUUo11•此时全桥差动电路不仅没有非线性误差，而且电压灵敏度为单臂工作时的4倍，同时仍具有温度补偿作用。48当电桥各桥臂均有相应电阻变化R1，R2，R3，R4时4433221133224411RRRRRRRRRRRRRRRRUUio43213241432122RRRRRRRRRRRRRRRUi4