传感器原理及应用(第三版)第2章

传感器原理及应用第二章应变式传感器第二章应变式传感器2-1金属应变片式传感器（重点）一、金属丝式应变片二、金属箔式应变片三、测量电路四、应变式传感器2-2压阻式传感器（简略）一、压阻效应二、晶向、晶面的表示方法三、压阻系数四、固态压阻器件上一页下一页2-1金属应变片式传感器一．金属丝式应变片（一）应变效应（重点，难点）（二）应变片的结构与材料（重点）（三）主要特性（难点）（四）温度误差及其补偿（难点）二．金属箔式应变片（了解）三．测量电路（重点，难点）（一）等臂电桥（二）第一对称电桥四．应变式传感器（应用）（重点）（一）柱式力传感器（二）梁式力传感器（三）应变式压力传感器（四）应变式加速度传感器主要内容2-1金属应变片式传感器金属应变片式传感器的核心元件是金属应变片，它可将试件上的应变转化成电阻变化。（主要用于测力、压力及与力有关的参量）它有以下优点:①精度高，测量范围广；②频率响应特性好；③结构简单，尺寸小，质量轻；④可在高（低）温、高速、高压、强烈震动、强磁场及核辐射和化学腐蚀等恶劣条件下正常工作；⑤易于实现小型化、固态化；⑥价格低廉，品种繁多，便于选择。存在下列缺点：①大应变时存在明显非线性②输出信号弱，抗干扰能力差③测量仅局限于应变片部位，周围情况不能表达总之，通过一些补偿措施，应变式传感器仍不失为非电量电测中最常用的敏感器件。上一页下一页返回导体或半导体材料在外界力的作用下，会产生机械变形，其电阻值也将随着发生变化，这种现象称为应变效应。电阻应变传感器主要由电阻应变片、弹性元件及测量转换电桥电路等组成。应变原理演示2llRAr金属丝受拉时，l变长、r变小，导致R变大。一、金属丝式应变片〈一〉应变效应设一根长度l，截面积S，电阻率为的金属丝，其电阻当沿金属丝的长度方向作用均匀拉力（或压力）时,上式中、r、l都将发生变化，从而导致电阻值R发生变化。电阻值R的相对变化表示为：（2-2）其中:为截面积相对变化（）为长度方向相对变化，称轴向（纵向）应变；为半径方向相对变化，称径向（横向）应变；为泊松比(也叫泊松系数）。将上述式子代入（2-2），并将微分改成增量形式得：slRSdsldldRdRsds上一页下一页返回ldlrdrrrr21应变=106微应变（1ε=106με）0RKR式中，k0为金属单丝的应变灵敏系数，对于一种金属材料在一定范围内为常数。对于金属电阻丝（1+2μ）（Δρ/ρ）/ε，金属丝应变片灵敏系数k0主要由材料的几何尺寸变化决定，即对于用金属制成的应变片来说，起主要作用的是应变效应（电阻的相对变化与伸长或缩短间存在比例关系叫应变）。金属丝的μ=0.25～0.5(钢的μ=0.285)故k0≈1+2μ，k0≈1.5～2。对于半导体则不同：当半导体材料受到应力作用后，其电阻率发生明显的变化，称为压阻效应。因此（Δρ/ρ）/ε=πE（1+2μ）故可忽略（1+2μ）的影响，即对于用半导体制成的压阻传感器来说，起主要作用的是压阻效应。半导体的k0≈πE≈50～100，灵敏度是金属材料的几十到上百倍。①受力后材料几何尺寸变化（1+2μ）②受力后材料电阻率的变化（Δρ/ρ）/ε（与几何尺寸及金属丝本身特性有关）K0由两部分组成金属丝的应变灵敏系数压阻系数弹性模量（二）应变片的结构与材料２．基底和盖片（绝缘材料和保护层）３．黏结剂４．引线１．敏感栅Ф0.025mm金属丝（康铜、镍铬合金、贵金属）应变片的核心部分高阻金属丝金属应变片的主要参数：①基长l：又称标距，即敏感栅的纵向长度。②基宽b：敏感栅的横向宽度。③电阻值R：指应变片未经安装也不受外力情况下于室温时所测定的电阻值。有60Ω，120Ω，200Ω，350Ω，1000Ώ几种规格，最常用的为120Ω。④灵敏度K：即单位应变引起的电阻相对变化，是应变片的重要技术参数，通常K=2。⑤允许电流：允许通过应变片的最大工作电流。应变计应变片的粘贴1.检查通断2.在选定贴应变片的位置划出十字线。3.再用细砂纸精磨（45度交叉纹）。4.用棉纱或脱脂棉花沾丙酮清洁结构表面，擦几遍后，不可再用手接触表面。5.用透明胶带将应变片与构件在引脚处临时固定，移动胶带位置使应变片达到正确定位。6.在应变片的反面涂上一滴快干胶水，视应变片面积而定，胶水量不宜过多。7.将塑料薄膜盖在应变片上，用母指按压挤出多余胶水,按压时间一般1分钟，室温低时适当延长。8.为了使胶水可靠固化，可用电吹风微加热处理（注意距离和均匀）,用万用表测量应变片绝缘电阻值，应大于20MΩ9.将应变片引线焊接在接线片上，焊点要光滑牢固。引线不能绷紧，需形成弧线与接线片相连。10.将连接应变仪的导线焊接在接线片上（焊接时间尽量短）,把导线用绝缘胶带固定在构件上，再一次检查应变片质量11.在应变片周围涂上软硅胶(防潮、防损伤）。12.硅胶固化后,应变片粘贴工作完毕。但要再次检查应变片的阻值和绝缘情况。13.固定粘贴、焊接后，用胶布将引线和被测对象固定在一起，防止拉动引线和应变片。〈三〉主要特性1．应变片灵敏度系数（K）当金属丝做成应变片后，其电阻—应变特性，与金属单丝情况不同（即），用实验方法对应变片的电阻—应变特性重新测定。实验条件：①试件受一维应力作用，应变片的轴向与主应力方向一致；②试件材料的泊松比为0.285的钢材。实验结果：表达式形式不变即但K值恒小于K0，原因:①胶层传递变形失真②横向效应上一页下一页KsKRFKKRSE返回应变与阻值变化线性金属应变片中的电阻相对变化量R/R，与轴向应变的关系在很大范围内是线性的设应变片牢固粘贴在被测试件上，与试件有相同的轴向应变及径向应变，应变片的灵敏度K、试件的横截面积S以及材料的弹性模量E均为已知，则只要设法测出应变片的ΔR/R值，即可获知试件受力Ｆ的大小。依此原理，可用于测量拉力和物体的称重等。2．横向效应：敏感栅在半圆弧部分，除了轴向应变起作用外横向应变也将使半圆弧部分电阻发生变化，应变片这种既受轴向应变影响，又受横向应变影响而引起电阻变化的现象称为横向效应。直线电阻丝绕成敏感栅后，虽然长度相同但应变不同，圆弧部分使K↓，这种现象称为横向效应。为减小横向效应，常采用箔式应变片。上一页下一页返回定义：对于已安装试件表面的应变片，在温度恒定时，增加或减少机械应变的过程中，在同一机械应变量的作用下指示应变的差数。产生的原因：应变片在承受机械应变后，其内部会产生残余变形；或在制造过程中敏感栅受到不适当变形或粘结剂固化不充分。3．机械滞后４．零点漂移和蠕动零点漂移定义：对于已安装试件表面的应变片，在温度恒定和试件不受应力作用时，指示应变随时间变化的数值。产生的原因：敏感栅通以工作电流后的温度效应；内应力变化；粘结剂固化不充分等因素。蠕动定义：对于已安装试件表面的应变片，在温度恒定和试件承受恒定的真实应力作用时，指示应变随时间变化的数值。蠕动的物理意义：衡量应变片时间稳定性５．应变极限理想情况下，灵敏系数是常数，但当应变超过某值后将产生非线性误差。定义：对于已安装试件表面的应变片，在温度恒定时，指示应变和真实应变的相对误差不超过规定数值时的真实应变值规定的相对误差用两条点画线表示，当曲线I与其中的一条相交时，对应点的真实应变值即为应变极限。影响的主要因素：黏结剂和基底材料传递变形的性能及应变片的性能及应变片的安装质量。〈四〉温度误差及其补偿t上一页下一页返回１．温度误差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。因环境温度改变而引起电阻变化的两个主要因素：①应变片的电阻丝具有一定温度系数，②电阻丝材料线膨胀系数（）与试件材料线膨胀系数（）不同（产生相对变形）。eg电阻丝阻值与温度关系：Rt=R0（1+αtΔt）=R0+R0αtΔt可知，温度变化Δt时电阻丝的电阻变化：ΔRt=Rt–R0=R0αtΔt因试件与电阻丝材料线膨胀系数不同，使应变片电阻产生的附加形变造成的电阻变化：ΔRt=R0K（βe–βg）Δt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K、αt、βg；试件参数βe有关。（1）单丝自补偿应变片温度变化Δt时电阻丝的电阻变化：ΔRt=Rt–R0=R0αtΔt因试件与电阻丝材料线膨胀系数不同，使应变片电阻产生的附加形变造成的电阻变化：ΔRt=R0K（βe–βg）Δt如果即能满足上式要求的应变片为单丝自补偿应变片，选择恰当的单一合金丝制成敏感栅的应变片。优点：结构简单，制造和使用较方便缺点：试件材料的线性膨胀系数必须一定0)(getK)(egtK２．温度补偿（2）双丝组合式自补偿应变片(/)()(/)()abbtbbebbaataaeaRRRKRRRK随温度变化a,b两段电阻丝所产生的电阻增量大小相等,符号相反，即（正、负两种电阻温度系数）所以，两段敏感栅的电阻大小可按下式选择tbtaRR)()(优点：制造时，等号右边参数都确定后，可调节两段敏感栅的丝长，以实现对某种材料的试件在一定温度范围内获得好的温度补偿。（3）电路补偿法：用两个相同的应变片，一个工作片R1，一个补偿片RB如图所示：电桥输出电压与桥臂参数关系为：由上式可知，当R3、R4为常数时，R1、RB对输出电压的作用相反，用此原理进行补偿。测量时，R1为工作片，RB作补偿片，贴法如图所示。即意味着：设：在无载荷时：温度变化时：上一页下一页0143()BUARRRR'134BRRRRRR；0143()0BUARRRR01143()()tBBtUARRRRRR''1()()tBtARRRRRR'1()0tBtARRR返回1tBtRR当有应变时:R1有一增量ΔR1=R1Kε，补偿片RB无变化(不受应力）ΔRB=0电桥输出(电桥平衡)011143()()tBBtUARRRKRRRR'ARRK(与温度无关)该方法要同时满足三个前提条件：①R1和R2须属同一批号，即温度系数，线膨胀系数，灵敏度系数都相同）②粘工作片R1和补偿片R2的材料要相同，即两者线膨胀系数相等。③R1与R2应同处一个温度场中（该点有时很难做到）。不引入补偿块（如下图所示）–起到温度补偿作用–可提高灵敏度R1RBMMA：如图，R1、RB正交粘结则：B：如图，R1、RB粘于试件正反面（R1受拉，应变为正；RB受压，应变为负）则：'02UARRK'0(1)UARRK二、金属箔式应变片工作原理相同，但电阻敏感元件不是金属丝，而是通过光刻，腐蚀等工艺制成的薄金属箔栅，金属箔厚度一般0.003-0.01mm，它与丝式应变片相比较，有如下优点：(1)工艺上能保证线栅的尺寸正确、线条均匀,大批量生产时,阻值离散程度小。(2)可根据需要制成任意形状的箔式应变计和微型小基长（如基长为0.1mm）的应变计。(3)敏感栅截面积为矩形,表面积大,散热好,在相同截面情况下能通过较大电流，输出更大信号，提高测量灵敏度。(4)厚度薄,(5)蠕变小,(6)(7)便于批量生产,生产效率高。缺点：工艺复杂成本高，由于引出线的焊点采用锡焊，因此不适合高温环境工作。上一页下一页返回三．测量电路（一）等臂电桥（二）第一对称电桥（三）第二对称电桥金属应变片的电阻变化范围很小，如果直接用欧姆表测量其电阻值的变化将十分困难，且误差很大。所以必须使用非平衡电桥来测量这一微小的变化量，将R/R转换为输出电压Uo直流电桥如右图所示，直流电桥线路图：设电势源E的内阻为零，负载电阻Rg则根据基尔霍夫定律（等效发电原理）：则输出电压电桥平衡时条件：即则上一页下一页)()())(()(2143432143212341RRRRRRRRRRRRRRRRREIgg)()(1))(()(2143432143213241RRRRRRRRRRRRRRRRR