传感器技术-第2章 电阻式传感器

114:02:372.1应变式传感器2.2压阻式传感器第2章电阻式传感器原理与应用214:02:37电阻式传感器概述电阻式传感器的基本原理就是将被测的非电量转化成电阻值的变化，再经过转换电路变成电量输出。根据传感器组成材料变化或传感器原理变化，产生了各种各样的电阻式传感器，主要包括应变式传感器和压阻式传感器。优点：结构简单，体积小，使用方便，性能稳定，灵敏度高，动态响应快等。应用范围：测量力、压力、位移、应变、加速度和温度等非电量参数。314:02:372.1应变式传感器利用电阻应变片将应变转换为电阻值变化的传感器工作原理：当被测物理量作用于弹性元件上，弹性元件在力、力矩或压力等的作用下发生变形，产生相应的应变或位移，然后传递给与之相连的应变片，引起应变片的电阻值变化，通过测量电路变成电量输出。输出的电量大小反映被测量的大小。结构：应变式传感器由弹性元件上粘贴电阻应变片构成应用：广泛用于力、力矩、压力、加速度、重量等参数的测量414:02:372.1.1工作原理2.1.2金属应变片的主要特性2.1.3测量电路2.1.4应变式传感器应用514:02:372.1.1工作原理1.几个概念应变：物体在外部压力或拉力的作用下发生形变的现象。弹性形变：当外力除去后，物体能够完全恢复其原来尺寸和形状的应变。弹性元件：具有弹性应变特性的物体。应变式传感器：利用应变片将应变转换为电阻变化的传感器。614:02:372.金属的电阻应变效应电阻应变片的工作原理是基于金属的应变效应。应变效应：即导体或半导体材料在外界力的作用下产生机械变形时，其电阻值相应发生变化，这种现象称为“应变效应”。金属的应变效应：金属丝的电阻随着它所受的机械形变（拉力或压缩）的大小而发生相应变化的现象。714:02:37如图2-1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。FlrrlF图2-1金属电阻丝应变效应814:02:37SSllRR由材料力学可知，在弹性范围内，Errll/,/,/)21(ERRε为导体的纵向应变，其数值一般很小，常以微应变度量；电阻的相对变化量为：μ为电阻丝材料的泊松比，一般金属μ=0.3~0.5；λ为压阻系数，与材质有关；E为材料的弹性模量；σ为应力值；914:02:37金属材料的电阻灵敏系数：210RRk21)/(0k材料的几何尺寸变化引起的材料的电阻率ρ随应变引起的金属材料：k0以前者为主，则k0≈1+2μ=1.7~3.6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K0为常数。021kRR1014:02:373.应变片的基本结构与种类敏感栅直径为0.025mm左右的合金电阻丝丝绕式基底——绝缘覆盖层——保护位移、力、力矩、加速度、压力弹性敏感元件应变外力作用被测对象表面产生微小机械变形应变片敏感栅随同变形电阻值发生相应变化应变片1114:02:37应变片的类型和材料金属丝式金属箔式金属薄膜式1214:02:37金属丝式应变片金属电阻丝应变片的基本结构1-基片；2-电阻丝；3-覆盖层；4-引出线1314:02:37金属箔式应变片优点：（1）尺寸准确，线条均匀，适应不同的测量要求，（2）可制成多种复杂形状尺寸准确的敏感栅（3）与被测试件接触面积大，粘结性能好。散热条件好，允许电流大，灵敏度提高。（4）横向效应可以忽略。（5）蠕变、机械滞后小，疲劳寿命长。1414:02:37金属薄膜应变片采用真空蒸镀或真空沉积等方法在薄的绝缘基片上形成厚度在0.1μm以下的金属电阻材料薄膜敏感栅，再加上保护层，易实现工业化批量生产优点：应变灵敏系数大，允许电流密度大，工作范围广，易实现工业化生产1514:02:37注：电阻应变片必须被粘贴在试件或弹性元件上才能工作。黏结剂和黏结技术对测量结果有着直接的影响。1614:02:372.1.2电阻应变片的特性1、灵敏系数2、横向效应3、温度误差及其补偿1714:02:37电阻值：应变片在未经安装也不受外力情况下，于室温下测得的电阻值；电阻系列：60、120、200、350、500、1000Ω绝缘电阻：应变片引线与被测试件之间的电阻值，一般100MΩ。最大工作电流：允许通过应变片而不影响其工作特性的最大电流值。机械滞后：在循环加载时，加载特性与卸载特性不重合的现象。零漂：在一定温度下，不受机械应变时，其指示应变随时间的变化而变化的现象。蠕变：在一定温度下，受恒定机械应变时，其指示应变随时间的变化而变化的现象。1814:02:37ΔR／R与ɛ的关系在很大范围内仍然有很好的线性关系，即ΔR/R=Kɛ；K为电阻应变片的灵敏系数。标称灵敏系数：是出厂时测定的该批产品的平均灵敏系数值。一批产品中一般抽样5％的产品来测定，取平均值。电阻应变片的灵敏系数k电阻丝的灵敏系数k0（粘结层传递变形失真、还存在有横向效应）1、灵敏系数1914:02:372、横向效应εyεxεy应变片的横栅部分将纵向丝栅部分的电阻变化抵消了一部分，从而降低了整个电阻应变片的灵敏度，带来测量误差，其大小与敏感栅的构造及尺寸有关。敏感栅的纵栅愈窄、愈长，而横栅愈宽、愈短，则横向效应的影响愈小。2014:02:373、温度误差及其补偿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。应变片的阻值受环境温度（包括被测试件的温度）影响很大。产生温度误差的主要原因：①应变片的电阻丝具有一定温度系数；②电阻丝材料与测试材料的线膨胀系数不同。2114:02:37（1）电阻温度系数误差敏感栅的电阻丝阻值随温度变化的关系可用下式表示：RT=R0(1+αΔT)式中:RT——温度为t时的电阻值；R0——温度为t0时的电阻值；α——温度为t0时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：ΔRTa=RT-R0=R0αΔT2214:02:37（2）试件材料和电阻丝材料的线膨胀系数的影响①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。②当试件与电阻丝材料的线膨胀系数不同时：环境温度变化，电阻丝会产生附加变形，从而产生附加电阻变化。2314:02:37设粘贴在试件上电阻丝长度为l0,它们的线膨胀系数分别为βs和βg，当温度变化ΔT时，应变丝膨胀至lT1，试件伸长为lT2，则应变丝和试件的膨胀量分别为：TllllTllllgTTsTT002200112414:02:37由于二者黏结在一起，若βsβg，则应变丝被迫产生，TKRKRRTllTllllsgTTsgTTsgTTT)()()(00000021附加变形：附加应形：附加电阻变化：2514:02:37相应的虚假应变量：TKTKRRsgTT)(/000可得由于温度变化而引起的总电阻变化为：TKRTRRRRsgTTT)(000该误差除与环境温度有关外，还与应变片本身性能参数及试件的线膨胀系数有关。2614:02:37单丝自补偿法自补偿法组合式自补偿法线路补偿法〔电桥补偿法、热敏电阻〕温度补偿2714:02:37①电桥补偿法R1R3RBR4UoR1RB(a)(b)R1---工作应变片RB---补偿应变片FFU+-)(3410RRRRAUB电桥输出电压U0与桥臂参数的关系2814:02:37由上式可知,当R3和R4为常数时，R1和RB对电桥输出电压U0的作用方向相反。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。当被测试件不承受应变时，R1和Rb处于同一环境温度为T（°C）的温度场中，调节电桥参数使电桥达到平衡：0)(3410RRRRAUB2914:02:37一般取四个桥臂电阻相等。当温度升高或降低时，R1和RB变化量相同，电桥仍处于平衡状态。当有应变作用时，工作应变片又有新的增量而补偿应变片不承受应变，不产生新增量，此时电桥输出电压为：0)()(34110RRRRRRAUBTBTKRR11KRARU4103014:02:37电桥补偿法优点：简单、方便，在常温下补偿效果较好，缺点：在温度变化梯度较大的条件下，很难做到工作片与补偿片处于温度完全一致的情况，因而影响补偿效果。3114:02:37②应变片的自补偿法粘贴在被测部位上的是一种特殊应变片，当温度变化时，产生的附加应变为零或相互抵消，这种应变片称为温度自补偿应变片。利用这种应变片来实现温度补偿的方法称为应变片自补偿法。a.选择式自补偿应变片b.双金属敏感栅自补偿应变片3214:02:37A、选择式自补偿应变片当被测试件的线膨胀系数βg已知时，合理选择敏感栅材料，即其电阻温度系数α、灵敏系数K0以及线膨胀系数βs，则不论温度如何变化，均有=0，从而达到温度自补偿的目的。优点：容易加工，成本低，缺点：只适用特定试件材料，温度补偿范围也较窄。由式(2.1.16)可知，实现温度补偿的条件为当被测试件的线膨胀系数βg已知时，通过选择敏感栅材料，使下式成立，即可达到温度自补偿的目的。0)(0TKTsgT)(0sgKT3314:02:37R1R2组合自补偿法B、双金属敏感栅自补偿应变片敏感栅丝由两种不同温度系数的金属丝串接组成选用两者具有不同符号的电阻温度系数调整R1和R2的比例，使温度变化时产生的电阻变化满足：则：T2T1)()(RR通过调节两种敏感栅的长度来控制应变片的温度自补偿，可达±0.45μm/℃的高精度)()(//111222112221ggTTKKRRRRRR3414:02:37③热敏电阻补偿UiR1＋⊿RR4R3U0R2RtR5分流电阻UURtTKRtU=Ui-URtK3514:02:372.1.3电阻应变片的测量电路1直流电桥2非线性误差及其补偿3614:02:371、直流电桥当电桥后面接放大器时,电桥输出端看成开路，电桥的输出式为：URRRRRRRRU))((432132410应变片工作时，其电阻变化ΔR))(())(())((44332211332244110RRRRRRRRRRRRRRRRUUR2R3R1R4UAUoABCD五邑大学信息工程学院3714:02:37采用等臂电桥，即R1=R2=R3=R4=R。则：)2)(2()(4321324143210RRRRRRRRRRRRRRRUU当ΔRiR(i=1,2,3,4)时，略去上式中的高阶微量，则RRRRRRRRUU432104432104UKU3814:02:37上式表明：①ΔRiR时，电桥的输出电压与应变成线性关系。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；若相邻两桥臂的应变极性不同，则输出电压为两者之和。③若相对两桥臂应变的极性一致，输出电压为两者之和；反之则为两者之差。④电桥供电电压U越高，输出电压U0越大。但是，当U大时，电阻应变片通过的电流也大，若超过电阻应变片所允许通过的最大工作电流，传感器就会出现蠕变和零漂。⑤增大电阻应变片的灵敏系数K，可提高电桥的输出电压。432104UKU3914:02:37略去分母中的ΔR1/R1项,假设ΔR1/R11单臂电桥，即R1桥臂变化ΔR，理想的线性关系实际输出电压RRUU4'010211424