第5章 电阻应变式传感器

12:15黑龙江大学电子工程学院HeiLongjiangUnversity15.1工作原理5.2电阻应变片种类及特性5.3电阻应变片的测量电路及补偿5.4应变式传感器应用第5章电阻应变式传感器12:15黑龙江大学电子工程学院HeiLongjiangUnversity有一个电阻为120Ω，K=2的应变片，粘贴在弹性极限为400MN/m2，弹性模量为200GN/m2的钢件上，1）当应力等于弹性范围的1/10时；2）如果应变片材料为康铜丝（α=20×10-6Ω/Ω℃，膨胀系数为12×10-6m/m℃，钢膨胀系数为16×10-6m/m℃），温度变化20℃；试分别计算此应变片的电阻变化。12:15黑龙江大学电子工程学院HeiLongjiangUnversity31.电阻应变式传感器：利用电阻应变片将应变转换为电阻变化的传感器，传感器由在弹性元件上粘贴电阻应变敏感元件构成。2.工作过程：被测物理量→弹性元件→弹性元件变形→敏感元件阻值变化→测量电路→电量输出3.应用：应变式电阻传感器是目前测量力、力矩、压力、加速度、重量等参数应用最广泛的传感器。电阻应变式传感器：12:15黑龙江大学电子工程学院HeiLongjiangUnversity45.1电阻应变片工作原理应变效应：电阻应变片的工作原理是基于应变效应，即在导体或半导体材料在外力作用下产生机械变形时，它的电阻值相应发生变化。一根金属电阻丝，在其未受力时，原始电阻值为式中：ρ——电阻丝的电阻率；L——电阻丝的长度；S——电阻丝的截面积。.LRS一、应变效应（电阻—应变特性）mmm/212:15黑龙江大学电子工程学院HeiLongjiangUnversity5金属电阻丝的应变效应金属电阻丝的应变效应12:15黑龙江大学电子工程学院HeiLongjiangUnversity6当电阻丝受到拉力F作用时，将伸长ΔL，横截面积相应减小ΔS，电阻率将因晶格发生变形等因素而改变Δρ，故引起电阻值相对变化量为dRddLdSRLS式中：dL/L—长度相对变化量，用应变ε表示：LdLdS/D—圆形电阻丝的截面积相对变化量，即2dSdrSr应变效应：12:15黑龙江大学电子工程学院HeiLongjiangUnversity7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，那么轴向应变和径向应变的关系可表示为：LdLrdr式中：μ——电阻丝材料的泊松比，负号表示应变方向相反。可得或)1()21(dRdR)2()21(dRdR应变效应：12:15黑龙江大学电子工程学院HeiLongjiangUnversity8•电阻丝的灵敏系数：通常把单位应变能引起的电阻值变化称为电阻丝的灵敏系数。•灵敏度系数受两个因素影响：①受力后材料几何尺寸的变化，即（1+2μ）；②受力后材料的电阻率发生的变化，即（dρ/ρ）/ε。•大量实验证明，在电阻丝拉伸极限内，电阻的相对变化与应变成正比，即KS为常数。dRdRKs)21(二、电阻丝的灵敏系数：12:15黑龙江大学电子工程学院HeiLongjiangUnversity9灵敏系数•定义K=(dR/R)/ε为应变片的灵敏系数。它表示安装在被测试件上的应变在其轴向受到单向应力时，引起的电阻相对变化(dR/R)与其单向应力引起的试件表面轴向应变(ε)之比。•注：应变片的灵敏系数并不等于其敏感栅整长应变丝的灵敏系数，这是因为在单向应力产生应变时，应变片的灵敏系数除受到敏感栅结构形状、成型工艺、粘结剂和基底性能的影响外，尤其受到栅端圆弧部分横向效应的影响。12:15黑龙江大学电子工程学院HeiLongjiangUnversity10•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为σ=E·ε•式中：σ——试件的应力；ε——试件的应变；E——试件材料的弹性模量。•应力值σ←应变ε←电阻值的变化ΔR←输出电量U•这就是利用应变片测量应变的基本原理。三、应变片测量应变的基本原理12:15黑龙江大学电子工程学院HeiLongjiangUnversity11电阻应变式传感器原理演示电阻应变式传感器原理演示12:15黑龙江大学电子工程学院HeiLongjiangUnversity125.2电阻应变片的种类及参数一、电阻应变片的种类•常用应变片分两类：金属电阻应变片和半导体电阻应变片。1.金属应变片组成：敏感栅、基片、覆盖层和引线，如图。•敏感栅是应变片的核心部分，它粘贴在绝缘的基片上，其上再粘贴起保护作用的覆盖层，两端焊接引出导线。•金属电阻应变片的敏感栅有丝式、箔式和薄膜式三种。12:15黑龙江大学电子工程学院HeiLongjiangUnversity13引线覆盖层基片电阻丝式敏感栅lb引线覆盖层基片电阻丝式敏感栅金属电阻应变片的结构2.2电阻应变片的种类及特性1）基底：固定敏感栅及绝缘；0.02～0.04mm厚；纸质或胶质。2）电阻丝：金属丝绕成栅状，敏感栅。d=0.015～0.05mm。作用：感应变的变化大小。3）覆盖层：作用，防潮、防蚀、防损等。4）引线：通常取直径约为0.1～0.15mm的低阻镀锡铜线12:15黑龙江大学电子工程学院HeiLongjiangUnversity141.丝式金属应变片的敏感栅由直径0.01mm~0.05mm的电阻丝平行排列而成。2.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箔栅，其厚度一般在0.003～0.01mm。其优点是散热条件好，允许通过的电流较大，可制成各种所需的形状，便于批量生产。3.薄膜应变片是采用真空蒸发或真空沉淀等方法在薄的绝缘基片上形成0.1μm以下的金属电阻薄膜的敏感栅，最后再加上保护层。它的优点是应变灵敏度系数大，工作温度范围较广。2.2电阻应变片的种类及特性12:15黑龙江大学电子工程学院HeiLongjiangUnversity应变片的粘贴（1）准备：试件，打磨→清洗净打磨面→划线→涂一薄层粘结剂作底；应变计，外表和阻值检查→刻划轴向标记→清洗。（2）涂胶：在准备好的试件表面和应变片基底上均匀涂一薄层粘结剂。（3）贴片：按坐标线对准贴上→用手指顺轴向滚压→固化处理。（4）复查：贴片偏差、阻值变化、引线和试件间的绝缘电阻。（5）接线：通过中介接线片（柱）把应变片引线和导线焊接并加固。（6）防护：涂以中性凡士林油，石蜡（短期防潮）；或石蜡—松香—黄油的混合剂（长期防潮）；或环氧树脂，氯丁橡胶，清漆等（防机械划伤）。12:15黑龙江大学电子工程学院HeiLongjiangUnversity16(a)箔式应变片(b)电阻丝式应变片(c)丝式应变片几种常用应变片的基本形式几种常用应变片的基本形式12:15黑龙江大学电子工程学院HeiLongjiangUnversity17金属电阻应变片的材料对电阻丝材料应有如下要求：①灵敏系数大，且在相当大的应变范围内保持常数；②电阻率:ρ值大，即在同样长度、同样横截面积的电阻丝中具有较大的电阻值；③电阻温度系数小，否则因环境温度变化也会改变其阻值；④与铜线的焊接性能好，与其它金属的接触电势小；⑤机械强度高，具有优良的机械加工性能。12:15黑龙江大学电子工程学院HeiLongjiangUnversity18表5-1常用金属电阻丝材料的性能12:15黑龙江大学电子工程学院HeiLongjiangUnversity19康铜是目前应用最广泛的应变丝材料，这是由于它有很多优点：1.康铜的电阻温度系数较小且稳定，当采用合适的热处理工艺时，可使电阻温度系数在±20×10-6/℃的范围内；2.灵敏系数稳定性好，不但在弹性变形范围内能保持为常数，进入塑性变形范围内也基本上能保持为常数；3.康铜的加工性能好，易于焊接.因而国内外多以康铜作为应变丝材料。12:15黑龙江大学电子工程学院HeiLongjiangUnversity20横向效应：应变片粘贴在被测试件上时，由于其敏感栅是由n条长度为L1的直线段和（n-1）个半径为r的半圆组成。若该应变片承受轴向应力而产生应变εx时，则各直线段的电阻将增加，但在半圆弧段则受到从+εx到-μεx之间变化的应变，圆弧段电阻的变化将小于沿轴向安放的同样长度电阻丝电阻的变化。综上所述，将直的电阻丝绕成敏感栅后，虽然长度不变，应变状态相同，但由于应变片敏感栅的电阻变化较小，因而敏感栅的灵敏系数K,较电阻丝的灵敏系数K0小，这种现象称为应变片的横向效应。横向效应12:15黑龙江大学电子工程学院HeiLongjiangUnversity21(a)应变片及轴向受力图(b)应变片的横向效应图应变片轴向受力及横向效应应变片轴向受力及横向效应12:15黑龙江大学电子工程学院HeiLongjiangUnversity半导体应变片的工作原理是基于半导体材料的压阻效应而制成的一种纯电阻性元件。当半导体材料某一轴向受外力作用时，其电阻率会发生变化2.半导体应变片12:15黑龙江大学电子工程学院HeiLongjiangUnversity12:15黑龙江大学电子工程学院HeiLongjiangUnversity24•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。•半导体应变片受轴向力作用时，其电阻相对变化为dRdR)21(式中，dρ/ρ为半导体应变片的电阻率相对变化量，其值与半导体敏感元件在轴向所受的应力关系为Ed2.半导体应变片压阻系数:12:15黑龙江大学电子工程学院HeiLongjiangUnversity25实验证明，Eπ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ERdRK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。)21(ERdR2.半导体应变片12:15黑龙江大学电子工程学院HeiLongjiangUnversity261.应变片的温度误差•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两个方面:(1)电阻温度系数的影响Rt=R0（1+α0Δt）式中:Rt——温度为t℃时的电阻值；R0——温度为t0℃时的电阻值；α0——金属丝的电阻温度系数；Δt——温度变化值，Δt=t-t0。当温度变化Δt时，电阻丝电阻的变化值为：ΔRα=Rt-R0=R0α0Δt三、应变片的温度误差及补偿12:15黑龙江大学电子工程学院HeiLongjiangUnversity27(2)试件材料和电阻丝材料的线膨胀系数的影响当试件与电阻丝材料的线膨胀系数相同时，不论环境温度如何变化，电阻丝的变形仍和自由状态一样，不会产生附加变形。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。设电阻丝和试件在温度为0℃时的长度均为L0，它们的线膨胀系数分别为βs和βg，若两者不粘贴，则它们的长度分别为：电阻丝：Ls=L0（1+βsΔt）试件：Lg=L0（1+βgΔt）三、应变片的温度误差及补偿12:15黑龙江大学电子工程学院HeiLongjiangUnversity28当二者粘贴在一起时，电阻丝产生的附加变形ΔL、附加应变εβ和附加电阻变化ΔRβ分别为：ΔL=Lg-Ls=（βg-βs）L0Δtεβ=ΔL/L0=（βg-βs）ΔtΔRβ=K0R0εβ=K0R0（βg-βs）Δt由以上各式，可得由于温度变化而引起应变片总电阻相对变化量为：三、应变片的温度误差及补偿12:15黑龙江大学电子工程学院HeiLongjiangUnversity29tKKRRsgtt)]([0000tKtsg)(00tKsg)]([00折合成附加应变量εt，有00RRRRRt引起应变片的温度误差:1.因环境温度变化而引起的附加电阻的相