第3章 力与压力测量传感器

2020/2/181实用传感器技术教程22020/2/18压电式传感器1.2第3章力与压力测量传感器电阻式压力传感器3.13.2集成压力传感器1.2差动变压器式传感器3.33.4力与压力测量传感器性能比较1.2压磁式传感器3.53.632020/2/18本章要点电阻式、压电式、差动变压器式、压磁式与集成式压力传感器等压力测量传感器结构与工作原理压力测量传感器的特性参数、测量电路与温度补偿方法压力测量传感器性能及应用范围比较压力测量传感器应用实例42020/2/183.1电阻式压力传感器3.1.1金属电阻应变式传感器金属电阻应变式传感器是利用应变效应原理制成的一种测量微小机械变化量的传感器。它是由弹性元件和电阻应变片构成。当弹性元件感受被测物理量时，其表面产生应变，粘贴在弹性元件表面的电阻应变片也产生应变，其阻值将随着弹性元件的应变而变化。通过测量电阻应变片的电阻值，可以用来测量被测的物理量。金属电阻应变传感器具有结构简单、测量精度高、使用方便、动态性能好等特点，被广泛应用于测量力、力矩、压力、加速度、重量等参数。52020/2/181.1传感器基本概念1.电阻应变片原理及主要特性（1）工作原理L2r2()rrLF金属导体材料在受到外界力作用时，将产生机械变形，机械变形会导致其电阻值变化，这种因形变而使其电阻值发生变化的现象被称为“应变效应”。图3-1金属电阻丝伸长后几何尺寸变化62020/2/18设有一根电阻丝，如图3-1所示，它在未受到外力作用时的初始电阻为（3-1）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72020/2/18当电阻丝在外力F的作用下被拉伸(或压缩)，则其ρ、L、S均发生变化，变化量分别为Δρ、ΔL、ΔS。几何尺寸的变化引起电阻值的变化，电阻值相应变化为ΔR，其电阻的相对变化量为:RLSRLS(3-2)经过整理，可得下式:(12)RR(3-3)82020/2/18式中，μ为为泊松比，定义为材料在单向受拉或受压时，横向正应变与轴向正应变的绝对值的比值。如果令:012k(3-4)则有:0RkR(3-5)式中，ε=ΔL/L为金属导体电阻丝的纵向应变；k0为电阻丝的灵敏系数，即单位应变所引起的电阻的相对变化。92020/2/18由式(3-4)可知，电阻丝的灵敏系数受两个因素的影响：一是(1+2μ)，它是由电阻丝几何尺寸改变引起的，对某种材料来说，它是常数；另一个是（Δρ/ρ）/ε，对于同一种金属材料，其值也是常数，但比(1+2μ)小很多，可以忽略，故k0≈1+2μ。理论与实验证明，对于每一种电阻丝，在一定的相对变形范围内，金属材料的灵敏系数k0将保持不变。因此，由式（3-5）可知，当金属电阻丝受到外界应力的作用时，其电阻的变化与受到应力的大小成正比。即金属导体电阻丝的电阻的相对变化率与电阻丝的应变呈线性关系变化，这就是金属电阻应变式的工作原理。102020/2/18（2）应变片的结构常用的金属应变片分为电阻丝应变片和箔式应变片。它们基本结构大体相同，由敏感栅、基底、覆盖层、引线和黏结剂组成。引出线覆盖层电阻丝基片lb112020/2/18（3）电阻应变传感器主要特性1)灵敏系数K当具有初始电阻值R的应变片粘贴于试件表面时，试件受力引起的表面应变，将传递给应变片的敏感栅，使其产生电阻相对变化ΔR/R。实验表明，在一定应变范围内ΔR/R由下式确定：RKR式中:ε为应变片的纵向应变；K为应变片的灵敏系数。122020/2/18（3）电阻应变传感器主要特性2)机械滞后应变片安装在试件上以后，在一定的温度下，应变片的指示应变εi与试件机械应变εm应该是一个确定关系，但实验表明，在加载和卸载过程中，对同一机械应变量，两过程的特性曲线并不重合，卸载时的指示应变高于加载时的指示应变，如图3-3所示，这种现象称为应变片的机械滞后。加载和卸载特性曲线之间的最大差值Δεm称为应变片的机械滞后值。imm132020/2/18（3）电阻应变传感器主要特性3)零漂和蠕变已粘贴在试件上的应变片，在温度保持恒定，试件上没有机械应变的情况下，应变片的指示会随着时间增长而逐渐变化，这就是应变片的零点漂移，简称零漂。已粘贴的应变片，温度保持恒定，在承受某一恒定的机械应变长时间作用下，应变片的指示会随时间的变化而变化，这种现象称为蠕变。一般来说，蠕变的方向与原来应变量变化的方向相反。142020/2/18（3）电阻应变传感器主要特性4)温度效应粘贴在试件上的电阻应变片，除感受机械应变而产生电阻相对变化外，在环境温度变化时，也会引起电阻的相对变化，产生虚假应变，这种现象称为温度效应。温度变化对电阻应变片的影响是多方面的，这里仅考虑两种主要影响：一是当环境温度变化Δt时，由于敏感栅材料的电阻温度系数αt的存在，引起电阻的相对变化；二是当环境温度变化Δt时，由于敏感材料和试件材料的膨胀系数不同，应变片产生附加的形变，从而引起电阻的相对变化。152020/2/18（3）电阻应变传感器主要特性5)应变极限与疲劳寿命应变片的应变极限是指在一定温度下，应变片的指示应变εi与试件的真实应变εm的相对误差达到规定值（一般为10%）时的真实应变值εj，如右图所示。对于已安装的应变片，在恒定幅值的交变力作用下，可以连续工作而不产生疲劳损坏的循环次数N称为应变片的疲劳寿命。mO100％90％j()iRR162020/2/186）绝缘电阻和最大工作电流应变片的绝缘电阻是指已粘贴的应变片的引线与被测件之间的电阻值Rm。通常要求Rm在50MΩ～100MΩ以上。绝缘电阻下降将使测量系统的灵敏度降低，使应变片的指示应变产生误差。最大工作电流是指已安装的应变片允许通过敏感栅而不影响其工作特性的最大电流。工作电流大，输出信号就大，灵敏度就高。但工作电流过大，会使应变片过热，灵敏度系数发生变化，零漂及蠕变增加。通常静态测量时取25mA左右，动态测量时取75～100mA。172020/2/187）应变片的电阻值指应变片在未经安装也不受外力的情况下，在室温条件下测得的电阻值。目前常用的电阻系列，有60Ω、120Ω、200Ω、350Ω、500Ω、1000Ω、1500Ω等。182020/2/182.电阻应变片温度误差及补偿由于外界温度变化而给电阻应变片测量带来的附加误差，称为应变片的温度误差。温度误差主要是由于敏感栅的温度系数αt及敏感材料与试件材料的膨胀系数的差异造成的（见公式3-7）。该误差对于测量精度影响极大，必须采取一定的补偿方法进行温度补偿。192020/2/18（1）自补偿法这种补偿方法是利用应变片自身具有的温度补偿作用进行补偿1）选择式自补偿法由式(3-7)可知，若想完全补偿温度变化带来的测量误差，就要使温度变化形成的总电阻相对变化为零，则需满足下面条件(3-8)因此，当被测试件的线膨胀系数βg已知时，如果合理选择敏感栅材料，即其电阻温度系数αt、灵敏系数K以及线膨胀系数βs，满足式(3-8)，则不论温度如何变化，均有ΔR/R=0，即消除了温度变化对电阻变化率的影响，从而达到了温度自补偿的目的。这种自补偿应变片容易加工，成本低，缺点是只适用特定的被试件材料，温度补偿范围也较窄。()tgsK202020/2/18（1）自补偿法2）组合式自补偿法焊点R1R2采用这种补偿方法的应变片，其敏感栅是由两种不同温度系数的金属电阻丝串接而成的。这两种温度系数可以是相同符号，也可以是不同符号。利用两种具有不同符号的电阻温度系数进行补偿的应变片结构如图3-5所示，它是将两种具有不同温度系数的电阻丝串联绕制成敏感栅。图3-5组合式自补偿方法之一212020/2/18（2）线路补偿法常用的线路补偿法是利用电桥进行补偿。图3-7所示为电桥补偿电路，其中R1为工作应变片，RB为补偿应变片，R3、R4为固定电阻。工作片R1粘贴在被测试件上需要测量应变的地方，补偿片RB粘贴在补偿块上，补偿块与被测试件温度相同，但不承受应变。R1R4R3UOFFRBUi试件补偿块图3-7电桥补偿电路222020/2/183.电阻应变片的粘贴技术（1）应变片的检查与筛选（2）试件贴片处表面的处理（3）底层处理（4）贴片（5）粘贴质量的检查232020/2/183.1.2压阻式传感器尽管金属电阻应变式传感器具有性能稳定、精度较高等优点，但却存在一大弱点，就是灵敏系数低。在20世纪50年代中期出现了半导体应变片制成的压阻式传感器，其灵敏系数比金属电阻式传感器高几十倍，而且具有体积小、分辨率高、工作频带宽、机械迟滞小、传感器与测量电路可实现一体化等优点。242020/2/181.压阻式传感器工作原理当单晶半导体材料在在沿某一轴向受外力作用时，其电阻率发生很大变化，这一现象称半导体的压阻效应。压阻式传感器就是基于半导体材料的压阻效应原理工作的。当对半导体材料施加应力作用时，半导体材料的电阻率将随着应力的变化而发生变化，因此它也属于一种电阻式传感器。前面介绍了金属导体材料在受到外界力作用时，导致其电阻值变化，其电阻变化率由式(3-3)给出，即：(12)RR252020/2/181.压阻式传感器工作原理其中Δρ/ρ一项很小，即电阻率的变化很小，因而可以忽略不计，所以金属电阻应变片的电阻的变化主要由金属材料的几何尺寸所决定。但对于半导体材料而言，情况正好相反，由材料几何尺寸变化而引起电阻的变化很小，可忽略不计，而Δρ/ρ一项很大，也就是说，半导体材料电阻的变化主要由半导体材料电阻率的变化所造成的，这就是压阻式传感器的工作原理。压阻式传感器电阻的变化一般可表示为：RRREKR由于弹性模量E=σ/ε：故上式又可以表示为：262020/2/182.压阻式传感器的构成图3-8所示为压阻式传感器的结构框图。弹性敏感元件将被测量Δx转换成为中间变量σ，压阻式变换器将其转换成电阻的变化量ΔR。弹性元件压阻式变换器xR被测量中间变量图3-8压阻式传感器框图272020/2/183.1.3电阻式压力传感器的驱动及测量电路1.驱动方式电阻式压力传感器属于无源传感器，工作时需要外加驱动电源，其驱动方式分为恒流驱动与恒压驱动两种。（1）恒流驱动方式+-+UCC+UCCA1VT1UZR1UDZRP1压力传感器IO282020/2/18（2）恒压驱动方式+-A1VT1RP1+-+-A2A3+7.5V+7.5V-7.5VKP100A12634R1R2R3R4R5R6R7R8R9RP2UOUT5.1kΩ5.1kΩ51kΩ51kΩ20kΩ51kΩ1MΩ1MΩ1MΩ1MΩ10kΩ3.1.3电阻式压力传感器的驱动及测量电路292020/2/182.电桥测量电路电阻式压力传感器将压力转换成电阻的相对变化ΔR/R，为了便于进行测量，还必须经过测量电路将这种电阻的变化进一步转换成电压或电流信号。电阻式压力传感器常用的测量电路是电桥。电桥测量电路具有测量精度高、灵敏度高、测量范围宽、电路简单以及易于实现温度补偿等优点，因此在电阻式传感器的测量电路中得到了普遍应用。3.1.3电阻式压力传感器的驱动及测量电路302020/2/183.1.3电阻式压力传感器的驱动及测量电路（1）单臂工作电桥右图为电桥电路，U为桥路供电电源电压，U0为电桥输出电压。其输出电压表达式为右图基本电桥电路在实际使用中，根据敏感元件的数量和桥臂电阻的阻值情况，经常将电桥分为以下几种工作形式。R1R2R4R3UUO01324(12)(34)RRRRUURRRR312020/2/181）等臂电桥等臂电桥是指在初始状态时，电桥四臂的电阻均相等，即R10=R20=R30=R40=R。当R1为工作臂时，其增量为ΔR1=ΔR，则输出电压为式中，ε=ΔR/R，为敏感元件电阻的相对变化量。如果，ε＜＜1，则输出电压为04242RU