传感器原理及应用第3章 应变式传感器

传感器原理及应用第3章应变式传感器传感器原理及应用第3章应变式传感器主要内容1.电阻应变片工作原理2.金属应变片的主要特性3.应变片测量电路4.应变式传感器的应用传感器原理及应用第3章应变式传感器概述电阻式应变传感器作为测力与应变的主要传感器，测力范围小到肌肉纤维（5×10-5N)，大到登月火箭（5×107N)，精确度可到0.01—0.1%，有10年以上的校准稳定性。可用于应变力、压力、转矩、位移、加速度。据统计日本力传感器中应变片占70%，美国占90%。电阻式传感器是应用最广泛的传感器，传感器的基本原理是将被测的非电量转换成电阻值的变化，再经转换电路变换成电量输出。应变式传感器特征：主要优点，使用简单、精度高、范围大体积小。缺点，电阻、半导体会随温度变化。不同材料类型，金属应变片、半导体应变片；RX传感器原理及应用第3章应变式传感器概述各种电子秤广泛应用于－传感器原理及应用第3章应变式传感器概述高精度电子汽车衡动态电子秤电子天平传感器原理及应用第3章应变式传感器概述机械秤包装机吊秤传感器原理及应用第3章应变式传感器上海卢浦大桥通车应变试验传感器原理及应用第3章应变式传感器上海国际会议中心模型试验传感器原理及应用第3章应变式传感器打桩船吊塔强度试验传感器原理及应用第3章应变式传感器3.1电阻应变片工作原理（1）应变片结构金属应变片结构：网状敏感栅——高阻金属丝、金属箔基片——绝缘材料盖片——保护层传感器原理及应用第3章应变式传感器3.1电阻应变片工作原理（1）应变片结构1—敏感元件2、4—基底3—引线应变片组成应变片结构传感器原理及应用第3章应变式传感器3.1电阻应变片工作原理（1）应变片结构箔式应变片结构传感器原理及应用第3章应变式传感器3.1电阻应变片工作原理（2）应变效应金属电阻应变片的基本原理基于电阻应变效应：即，导体产生机械形变时它的电阻值发生变化。一根长L,截面积为S,电阻率为ρ的金属丝电阻为: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,电阻值ΔR的相对变化为:RlSRlS传感器原理及应用第3章应变式传感器3.1电阻应变片工作原理（2）应变效应径向应变为：（截面积相对变化量）2srsr其中轴向应变为：ll61110/mmmm单位横向变形系数：（泊松系数）//rrll（径向）（轴向）RlSRlS传感器原理及应用第3章应变式传感器3.1电阻应变片工作原理（2）应变效应用轴向、径向应变、泊松系数带入后电阻变化率为：表示金属丝受力后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（Δρ/ρ）/ε12RlRl//12RR或：0//12RRk令：金属丝的灵敏度系数k0表示单位应变能引起的电阻相对变化传感器原理及应用第3章应变式传感器3.1电阻应变片工作原理（2）应变效应对于金属电阻丝μ=0.25～0.5(钢μ=0.285)k0≈1+2μk0≈1.5～2金属应变片灵敏系数k0主要由材料的几何尺寸引起的应力σ=Eεσ∝ε（E弹性模量）应变ε∝ΔR/R应力σ∝ΔR/R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。/(12)?0/12k灵敏度系数k0传感器原理及应用第3章应变式传感器3.1电阻应变片工作原理（3）应变片种类•按材料分：体型—丝式、箔式金属式：薄膜型半导体式：体型、薄膜型、扩散型、外延型、PN结型•按结构分：单片、双片、特殊形状•按使用环境：高温、低温、高压、磁场、水下传感器原理及应用第3章应变式传感器3.1电阻应变片工作原理（3）应变片种类各种金属箔式应变片体型半导体电阻应变片传感器原理及应用第3章应变式传感器敏感栅是N条长L的直线和（N-1）个的圆弧部分组成，直线电阻丝绕成敏感栅后，虽然长度相同，但圆弧部分应变状态不同，圆弧段电阻变化小于沿轴向摆放的电阻丝电阻变化。园弧部分使灵敏系数K↓下降，这种现象称为横向效应。为减小横向效应产生的测量误差，一般多采用箔式应变片。3.2金属应变片的主要特性（1）横向效应传感器原理及应用第3章应变式传感器3.2金属应变片的主要特性（2）应变片温度误差及补偿应变片安装在自由膨胀的试件上，如果环境温度变化，应变片的电阻也会变化，这种变化叠加在测量结果中称应变片温度误差。应变片温度误差来源有两个主要因素：αt——应变片本身电阻温度系数影响；βg——试件材料的膨胀系数影响电阻丝阻值与温度关系：0001tttRRtRRt传感器原理及应用第3章应变式传感器3.2金属应变片的主要特性（2）应变片温度误差及补偿20tgsRRKt因试件使应变片电阻产生附加形变造成的电阻变化100tttRRRRt温度变化Δt时电阻丝的电阻变化温度变化Δt时引起总的电阻变化△Rt1200ttttgsRRRRtRKt式中：K为应变片灵敏度、αt电阻温度系数、βs电阻丝膨胀系数、βg试件膨胀系数传感器原理及应用第3章应变式传感器3.2金属应变片的主要特性（2）应变片温度误差及补偿电阻丝阻值与温度关系：因环境温度改变引起的附加电阻变化与环境温度变化Δt有关；应变片本身的性能参数应变片灵敏度K、电阻丝温度系数αt、膨胀系数βs；试件参数βg有关。0/ttgsRRtKt0/tttgsRRttKK折合成应变量传感器原理及应用第3章应变式传感器3.2金属应变片的主要特性（2）应变片温度误差及补偿温度补偿方法有：线路补偿、自补偿、辅助测量补偿、热敏电阻补偿、计算机补偿等。•自补偿法，具有温度补偿作用的应变片RB称为补偿片,用特制的温度补偿片进行补偿。当温度变化时产生的附加应变相互抵消，补偿片制作的原理是使εt=0。tgsK•被测材料βg给定，制作中改变栅丝的合金成分，控制温度系数αt，使βs、βg抵消。传感器原理及应用第3章应变式传感器3.2金属应变片的主要特性（2）应变片温度误差及补偿014B3U=A(RR-RR)电桥平衡时输出为零，U=0当温度变化时ΔR1=ΔRB，电桥平衡，当有应变时R1有增量ΔR1=kε，补偿片RB无变化ΔRB=0电桥输出U0=AR1R4Kε与温度无关•线路补偿（电桥补偿）：被测试件位置上安装一个补偿片处于相同的温度场；等臂电桥，输出U0与桥臂参数的关系为：传感器原理及应用第3章应变式传感器3.2金属应变片的主要特性（2）应变片温度误差及补偿•电桥补偿方法传感器原理及应用第3章应变式传感器3.3电阻应变片测量电路（1）直流电桥①直流电桥的平衡条件负载RL→∞（开路）314231012341234()()RRRRRRUERRRRRRRR1423RRRR1234//RRRR电桥平衡时I0=0，U0=0有对比积相等，邻臂比相等传感器原理及应用第3章应变式传感器3.3电阻应变片测量电路（1）直流电桥放大器输入阻抗比桥路大的多可视为开路设R1为应变片，应变时R1变化量为ΔR1，应变片阻值变化使输出电流变化，电桥失衡U0≠0，不平衡输出电压为：311011234RRRUERRRRR4311112143(/)(/)(1//)1/RRRRERRRRRR②电压灵敏度传感器原理及应用第3章应变式传感器3.3电阻应变片测量电路（1）直流电桥21unkEn电桥电压灵敏度定义为：0211nRUERn电桥输出：②电压灵敏度11RR=11/RR，忽略分母中由于设桥臂比12/nRR考虑平衡条件2143//RRRR传感器原理及应用第3章应变式传感器讨论：•电桥的电压灵敏度Ku越大，应变变化相同情况输出电压越大；•Ku与电桥电源E成正比，但供电受应变片允许功耗限制；•Ku是桥臂比n的函数，恰当选择桥臂比n可提高电压灵敏度•显然n=1R1=R2R3=R4时有Ku最大•桥路输出电压为：其中单臂工作片的电压灵敏度：3.3电阻应变片测量电路（1）直流电桥②电压灵敏度21unkEn210udkndndn104REUR4uEK0211nRUERn传感器原理及应用第3章应变式传感器3.3电阻应变片测量电路（1）直流电桥等臂电桥n=1时,由上式近似得到：112LRR③非线性误差补偿'11011(/)(1/)(1)RRnUEnRRn实际输出值为：'0011011/1/LUURRUnRR非线性误差：11RR=11/RR，忽略了分母中前面计算中设传感器原理及应用第3章应变式传感器可见非线性误差与ΔR1/R1成正比，对金属电阻丝应变片因ΔR非常小，电桥非线性误差可以忽略。对于半导体应变片灵敏度系数大，应变时ΔR1/R1很大，非线性误差不能忽略。例：金属半导体3.3电阻应变片测量电路（1）直流电桥③非线性误差补偿/0.01RRk2k0.5%L6%L130k0.001/0.13RR112LRR0.005传感器原理及应用第3章应变式传感器非线性误差总是存在的，为减小非线性误差常采用差动电桥，方法是在试件上安装两个工作片，一个受拉、一个受压，分别接在电桥的相邻两个臂。3110112234RRRUERRRRRR3.3电阻应变片测量电路（1）直流电桥③非线性误差补偿电桥输出为：传感器原理及应用第3章应变式传感器3.3电阻应变片测量电路（1）直流电桥③非线性误差补偿2uEK半桥电压灵敏度为：讨论：•输出电压U0与△R1/R1呈线性关系，无非线性误差；•电压灵敏度是单桥的两倍；•具有温度补偿作用（温度变化引起的电阻变化相同）。02ERUR电桥输出：12RRR按等臂电桥初始设置条件1234RRRRR传感器原理及应用第3章应变式传感器3.3电阻应变片测量电路（1）直流电桥③非线性误差补偿全桥：将电桥四臂按对臂同性、邻臂异性原则连接四个工作片称全桥，若ΔR1=ΔR2=ΔR3=ΔR4101RUER全桥电压输出：uKE全桥电压灵敏度为：全桥输出电压灵敏度是单桥的4倍传感器原理及应用第3章应变式传感器3.3电阻应变片测量电路（1）直流电桥单桥半桥全桥传感器原理及应用第3章应变式传感器3.3电阻应变片测量电路（2）交流电桥直流电桥优点：电源稳定、平衡电路简单仍是主要测量电路；缺点：直流放大器较复杂，存在零漂和工频干扰。交流电桥优点：放大电路简单无零漂，不受干扰，为特定传感器带来方便；缺点：需专用测量仪器或电路，不易取得高精度。传感器原理及应用第3章应变式传感器3.3电阻应变片测量电路（2）交流电桥交流电桥由单频交流电源供电，交流电桥时各臂的电阻要考虑分布电容的影响，这时桥臂不再是纯电阻了，可将桥臂视为复阻阻抗，分别为：电源电压、输出电压分别用复数表示交流电桥输出特征方程写为：142301234()()ZZZZUUZZZZ&&1234ZZZZ、、、传感器原理及应用第3章应变式传感器3.3电阻应变片测量电路（2）交流电桥用指数形式代入得到交流电桥平衡条件：需满足对臂复数的模积相等，幅角之和相等。1423||||||||ZZZZ1423交流电桥平衡条件：14230ZZZZ1234//ZZZZjZrjxZe&设各桥臂阻抗:传感器原理及应用第3章应变式传感器3.3电阻应变片测量电路（2）交流电桥1234ZZZZZ已知忽略分母项交流半桥输出：10114ZUUZ&&10112ZUUZ&&交流单桥输出：11111RZjRC11211(1)RZjRC&其中：41310124113()()(1)(1)ZZZZUUZZZZZZ