第2章应变式传感器

传感器原理及应用主讲人：吴琼水Tel:13307192861QQ：261564789Email:[e-mail]武汉大学电子信息学院光谱成像实验室第2章应变式传感器概述第2章应变式传感器应变式传感器的核心元件是电阻应变片，它可将试件上的应力变化转换成电阻变化。应变效应导体或半导体在受到外界力的作用时，产生机械变形，机械变形导致其阻值变化，这种因形变而使阻值发生变化的现象称为应变效应。应变效应取一根细电阻丝，两端接上一台3位半位数字式欧姆表（分辨率为1/2000），记下其初始阻值（图中为10.01）。实验演示：当我们用力将该电阻丝拉长时，会发现其阻值略有增加（图中增加到为10.05）。测量应力、应变、力的传感器就是利用类似的原理制作的。应变效应各种电子秤广泛应用于－应变效应高精度电子汽车衡动态电子秤电子天平应变效应机械秤包装机吊秤电阻应变片的基本工作原理第2章应变式传感器2.1金属应变片式传感器2.2压阻式传感器2.3应用实例电阻应变片的基本工作原理第2章应变式传感器2.1金属应变片式传感器基本原理基本结构基本测量电路主要特性温度误差及其补偿常用应变式传感器以金属丝式应变片为例：金属丝式应变片的基本工作原理2.1金属应变式传感器对于一长为L、横截面积为A、电阻率为ρ的金属丝，其电阻值R为：LRSL受力F2r金属丝式应变片的基本工作原理当电阻丝受到轴向拉力F作用时，金属丝几何尺寸变化引起电阻的相对变化.LRS2.1金属应变式传感器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:RLSRLS金属丝式应变片的基本工作原理2.1金属应变式传感器轴向应变ε和径向应变εr的关系为：μ为金属材料的泊松系数。轴向径向r金属丝式应变片的基本工作原理2.1金属应变式传感器由《材料力学》知道，在弹性范围内金属丝沿轴向方向伸长时，径向尺寸缩小，反之亦然。无应变时的电阻值[(12)(12)]RCR金属丝式应变片的基本工作原理2.1金属应变式传感器经过推导，RLSRLS可变化为：R有应变时的电阻值变化大小R金属材料的泊松比金属材料的某个常数C轴向应变大小LL[(12)(12)]SKCSRKR应变灵敏系数SK金属丝式应变片的基本工作原理2.1金属应变式传感器SRKR应变灵敏系数SK轴向应变大小LL通过弹性元件可将位移、压力、振动等物理量将应力转换为应变进行测量，这是应变式传感器测量应变的基本原理。轴向径向金属丝式应变片的基本工作原理2.1金属应变式传感器应变片的基本结构2.1金属应变式传感器金属电阻应变片主要有三种：金属丝式箔式薄膜式常用结构图示应变片的基本结构2.1金属应变式传感器典型的电阻应变片结构示意图由敏感栅1、基底2、盖片3、引线4和粘结剂等组成。这些部分所选用的材料将直接影响应变片的性能。因此，应根据使用条件和要求合理地加以选择。2341bl栅长栅宽金属丝式应变片基本结构金属丝式应变片的基本结构2.1金属应变式传感器23411-敏感栅由金属细丝绕成栅形。电阻应变片的电阻值为60Ω、120Ω、200Ω等多种规格，以120Ω最为常用。应变片栅长大小关系到所测应变的准确度，应变片测得的应变大小是应变片栅长和栅宽所在面积内的平均轴向应变量。2.1金属应变式传感器23411-敏感栅对敏感栅的材料的要求：①应变灵敏系数大，并在所测应变范围内保持为常数；②电阻率高而稳定，以便于制造小栅长的应变片；③电阻温度系数要小；④抗氧化能力高，耐腐蚀性能强；⑤在工作温度范围内能保持足够的抗拉强度；⑥加工性能良好,易于拉制成丝或轧压成箔材；⑦易于焊接，对引线材料的热电势小。对应变片要求必须根据实际使用情况，合理选择。金属丝式应变片的基本结构2.1金属应变式传感器2341基底2和盖片3基底用于保持敏感栅、引线的几何形状和相对位置，盖片既保持敏感栅和引线的形状和相对位置，还可保护敏感栅。基底的全长称为基底长，其宽度称为基底宽。金属丝式应变片的基本结构2.1金属应变式传感器2341引线4是从应变片的敏感栅中引出的细金属线。对引线材料的性能要求：电阻率低、电阻温度系数小、抗氧化性能好、易于焊接。大多数敏感栅材料都可制作引线。金属丝式应变片的基本结构2.1金属应变式传感器2341粘结剂用于将敏感栅固定于基底上，并将盖片与基底粘贴在一起。使用金属应变片时，也需用粘结剂将应变片基底粘贴在构件表面某个方向和位置上。以便将构件受力后的表面应变传递给应变计的基底和敏感栅。常用的粘结剂分为有机和无机两大类。有机粘结剂用于低温、常温和中温。常用的有聚丙烯酸酯、酚醛树脂、有机硅树脂，聚酰亚胺等。无机粘结剂用于高温，常用的有磷酸盐、硅酸、硼酸盐等。金属丝式应变片的基本结构应变片的基本结构2.1金属应变式传感器金属箔式应变片利用光刻、腐蚀等工艺制成一种很薄的金属箔栅，厚度一般在0.003~0.010mm，粘贴在基片上，上面再覆盖一层薄膜而制成。应变片的基本结构2.1金属应变式传感器金属箔式应变片和丝式应变片相比较，有如下特点。①金属箔栅很薄，因而它所感受的应力状态与试件表面的应力状态更为接近。其次，当箔材和丝材具有同样的截面积时，箔材与粘接层的接触面积比丝材大，使它能更好地和试件共同工作。第三，箔栅的端部较宽，横向效应较小，因而提高了应变测量的精度。②箔材表面积大，散热条件好，故允许通过较大电流，因而可以输出较大信号，提高了测量灵敏度。③箔栅的尺寸准确、均匀，且能制成任意形状，特别是为制造应变花和小标距应变片提供了条件，从而扩大了应变片的使用范围。④便于成批生产。缺点：电阻值分散性大，有的相差几十Ω，故需要作阻值调整；生产工序较为复杂，因引出线的焊点采用锡焊，因此不适于高温环境下测量；此外价格较贵。应变片的基本结构2.1金属应变式传感器金属薄膜应变片金属薄膜应变片是采用真空蒸镀或溅射式阴极扩散等方法，在薄的基底材料上制成一层金属电阻材料薄膜以形成应变片。这种应变片有较高的灵敏度系数，允许电流密度大，工作温度范围较广。应变片的基本结构2.1金属应变式传感器应变片的基本结构2.1金属应变式传感器金属应变计金属丝式应变片的基本测量电路2.1金属应变式传感器SRKRSRRK应变片将应变的变化转换成电阻相对变化ΔR/R，要把电阻的变化转换成电压或电流的变化，才能用电测仪表进行测量。金属丝式应变片的基本测量电路2.1金属应变式传感器电阻应变片的测量线路多采用交流电桥(配交流放大器)，其原理和直流电桥相似。直流电桥比较简单，因此首先分析直流电桥，如图所示:R2R4R1R3E电桥线路原理图RgACDIgB金属丝式应变片的基本测量电路2.1金属应变式传感器当电源E为电势源，其内阻为零时，可求出检流计中流过的电流Ig与电桥各参数之间的关系为:R2R4R1R3E电桥线路原理图RgACDIgB2143432143213241RRRRRRRRRRRRRRRRREIggRg为负载电阻.因而其输出电压Ug为:14231234123434121[]ggggERRRRUIRRRRRRRRRRRRRR14231234123434121[]ggggERRRRUIRRRRRRRRRRRRRR当R1R4=R2R3时，Ig=0，Ug=0，即电桥处于平衡状态。若电桥的负载电阻Rg为无穷大，则B、D两点可视为开路，上式可以化简为:14231234gRRRRUERRRR设R1为应变片的阻值，工作时R1有一增量ΔR，当为拉伸应变时，ΔR为正；压缩应变时，ΔR为负。在上式中以R1+ΔR代替R1，则:43213241RRRRRRRRRREUg设电桥各臂均有相应的电阻增量ΔR1、ΔR2、ΔR3、ΔR4时,4433221133224411RRRRRRRRRRRRRRRREUg在实际使用时，一般多采用等臂电桥或对称电桥。4433221133224411RRRRRRRRRRRRRRRREUg1.等臂电桥2.第一对称电桥3.第二对称电桥在实际使用时，一般多采用等臂电桥或对称电桥。1、等臂电桥当R1=R2=R3=R4=R时，称为等臂电桥。此时电桥输出可写为43213241432122RRRRRRRRRRRRRRREUg3124123444gRRRREEKURRRRRKR一般情况下，ΔRi（i=1，2，3，4）很小，即RΔRi，略去上式中的高阶微量，并利用式得到:①当ΔRiR时，输出电压与应变呈线性关系。②若相邻两桥臂的应变极性一致，即同为拉应变或压应变时，输出电压为两者之差；若相邻两桥臂的极性不同时，输出电压为两者之和。③若相对两桥臂应变的极性一致时，输出电压为两者之和；相对桥臂的应变极性相反时，输出电压为两者之差。3124123444gRRRREEKURRRR上式表明：利用上述特点可进行温度补偿和提高测量的灵敏度。当仅桥臂AB单臂工作时，输出电压为由前两式可知，当假定RΔR时，输出电压Ug与应变ε间呈线性关系。若假定不成立，则按线性关系刻度的仪表用来测量必然带来非线性误差。KERREUg443124123444gRRRREEKURRRR当考虑单臂工作时，即AB桥臂变化ΔR，则:由上式展开级数，得:112114211424KKERRRRERRREUg3281412114KKKKEUg32328141214814121144KKKKEKKKKEKE则电桥的相对非线性误差为:可见，Kε愈大，δ愈大，通常Kε1。δ≈1/2•Kε例：设K=2，要求非线性误差δ1%，试求允许测量的最大应变值εmax。01.021maxK1000001.0201.0201.02maxK结论：如果被测应变大于10000με，采用等臂电桥时的非线性误差大于1%。2、第一对称电桥若电桥桥臂两两相等，即R1=R2=R，R3=R4=R′，则称它为第一对称电桥，如图，实质上它是半等臂电桥。设R1有一增量ΔR，电桥的输出电压为:RRRERRRRRRRREUg2422RRRRE21114UgR2=RR4=R’R1=RR3=R’E第一对称电桥BACD上式表明：第一对称电桥的输出电压与等臂电桥相同，其非线性误差可由δ≈1/2•Kε式计算。若RΔR，上式仍可化简为式，这时输出电压与应变成正比。4EUgK3、第二对称电桥半等臂电桥的另一种形式为R1=R3=R，R2=R4=R′，称为第二对称电桥。若R1有一增量ΔR，则:RRRRRRRRRREUgRRkkkkRREUg111121RRkUgR2=R’R4=R’R1=RR3=RE第二对称电桥BACD当k1(RR′)时，k/(1+k)1/2，其非线性较等臂电桥大；当k远小于1时，其非线性可得到很好改善；当k=1时，即为等臂电桥。若RΔR，忽略上式分母中项，得到可见，在一定应变范围内，第二对称电桥的输出与应变呈线性关系，但比等臂电桥的输出电压小倍。RRkk1KkkERRkkEUg1212kk124