电阻式传感器

第3章电阻式传感器第三章电阻式传感器第一节电阻应变片式传感器第二节固态压阻式传感器第三节电阻传感器测量及接口电路本章小结1第3章电阻式传感器电阻式传感器电阻式传感器的特点：结构简单输出精度较高线性和稳定性好工作原理：金属丝、箔、薄膜在外界应力作用下电阻值变化的效应——电阻应变效应可测力、压力、位移、应变、加速度等物理量弹性敏感元件力、压力、位移电阻应变片电桥电路RU2第3章电阻式传感器电阻式传感器的分类1．变阻器式传感器敏感元件：弹性敏感元件转换元件：电位器特点：结构简单、价格便宜、输出信号功率大，主要用于测量变量变化较大的场合。3２．电阻应变式传感器敏感元件：弹性敏感元件转换元件：电阻应变片特点：用于测量变化量相对较小的场合，其灵敏度较高。３．固态压阻式传感器敏感元件：半导体转换元件：半导体特点：用于测量变化量相对较小的场合，其灵敏度较高。第3章电阻式传感器第一节金属应变片式传感器应变效应：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。金属应变片的工作原理是基于应变效应。金属应变片式传感器是一种由金属应变片和弹性敏感元件组合起来的传感器。将应变片粘帖在各种弹性敏感元件上，当弹性敏感元件受到外作用力、力矩、压力、位移、加速度等各种参数作用时，将产生位移、应力和应变，此时电阻应变片就可将其转化为电阻的变化。4第3章电阻式传感器补充知识弹性力学在现实世界中，真正的刚体是不存在的。一般物体在外力作用下，它的形状和大小都会或多或少发生变化。研究物体在形状和大小发生改变时的力学性质，不仅在工程技术方面，而且在生物医学方面，都是重要的。掌握描述弹性力学的基本概念：形变、应力、应变、模量5第3章电阻式传感器物体受到外力作用后，产生两方面效果：一方面产生整体运动;另一方面，外力将向物体内部传递，引起物体内部各相邻点之间相对运动，导致其体积或形状发生改变，使物体产生变形。形变弹性形变:能恢复原状的形变;例如：橡皮筋等。塑性形变:不能或者部分恢复原状的形变；例如：橡皮泥、铜丝等。6第3章电阻式传感器一、应力物体发生形变时，总是与力分不开的。由于组成物体的微观粒子之间的相对位置发生改变，物体内各个相邻的宏观部分之间存在着相互作用且大小与外力相等的弹性力，此力使物体具有恢复原状的趋势。用单位面积上的弹性力作为恢复趋势的定量表示，称为应力(stress)，它的单位是牛顿·米-2（N·m-2）。对应于不同的应变，有以下三种形式的应力。7第3章电阻式传感器1.张应力FFFFFFdSdFSFSlim0在张应变时，物体的内部任一横截面上都会有张力存在。如下图，分布在此横截面上的总力与物体两端的拉力相等，横截面上的力称为应力（stress)，用σ表示：SF某一点的张应力，则用求导数的方法。8第3章电阻式传感器2.体应力当物体受到来自各个方面的均匀压力，且物体是各向同性时，可发生体积变化。此时物体内部各个方面的截面上都有同样大小的压应力，或者说具有同样的压强。因此体应力（volumestress)可以用压强P表示。9第3章电阻式传感器（a）3.剪应力当物体发生剪切形变时如图(a)，物体中任一与底面平行的截面所受的平行于截面的应力，称为剪应力（shearingstress），记作τ（b）如图(b)所示，如果物体受力不垂直截面，则将其分解为垂直和平行截面两个方向，SFnSF正应力剪应力SFdSdFSFSlim0或AF10第3章电阻式传感器二、应变较为常见的形变是长度、体积和形状三种的改变。为了从数量上表示各种形变程度，引入应变(strain)这一概念，它表示物体受外力作用时，其长度、形状或体积发生的相对变化。1.张应变最简单的形变就是物体受到外力牵拉（或压缩）时的长度变化，称为张应变，(tensilestrain)用ε表示。ll无量纲！11第3章电阻式传感器2.体应变物体各部分在各个方向上受到同等压强时体积发生变化而形状不变，则体积变化△V与体积V之比称为体应变（volumestrain）以θ表示即VV无量纲！12第3章电阻式传感器3.剪应变物体受剪切力作用，发生只有形状变化没有体积变化的弹性形变，称为剪应变，以γ表示。所谓剪切力是指大小相等、方向相反而作用线平行的一对力。tgdx无量纲！xdFAF13第3章电阻式传感器三、弹性模量在正比极限范围内，应力与应变的变化关系是线性的，它们的比值是一恒量，这就是著名的虎克定律。对于不同的材料，可以有不同的比例系数，此比值称为该物质的弹性模量（modulusofelasticity)，单位为:N·m-2。弹性模量是物质所具有的一种属性，它表示某种材料反抗形变的能力。物体单纯受张应力或压应力作用时，其应力与应变的比值称为杨氏模量。lSFlllSFE14第3章电阻式传感器电阻应变片的工作原理——金属的电阻－应变效应金属丝的电阻随着它所受的机械变形的大小而发生相应的变化的现象称为金属的电阻应变效应。金属丝受拉时，l变长、r变小，导致R变大。lRS15第3章电阻式传感器式中：ρ——电阻丝的电阻率；l——电阻丝的长度；A——电阻丝的截面积一、应变效应一根金属电阻丝，在其未受力时，原始电阻值为：AlR（3-1）以金属材料为例，在拉伸金属材料使之产生应变的同时，测量其被拉伸部分的电阻值，发现0kRdRk0——金属材料的灵敏系数；ε——应变分析如下：16第3章电阻式传感器当电阻丝受到拉力F作用时，将伸长Δl，横截面积相应减小ΔA，电阻率因材料晶格发生变形等因素影响而改变了Δρ，为研究电阻值的变化，将（3-1）式取自然对数：dAdALdLRdR（3-3）式中：dL/L——长度相对变化量，用应变ε表示为LdLALRlnlnlnln（3-2）再对（3-2）式取全微分17第3章电阻式传感器dA/A——圆形电阻丝的截面积相对变化量，设r为电阻丝的半径，圆面积微分后可得dA=2πrdr，则rdrAdA2由材料力学可知，在弹性范围内，金属丝受拉力时，沿轴向伸长，沿径向缩短，令dL/L=ε为的轴向应变，那么轴向应变和径向应变的关系可表示为LdLrdrμ为电阻丝材料的泊松比，负号表示轴向和径向应变方向相反(dL为正时，dr为负）。（3-4）18第3章电阻式传感器dAdALdLRdRLdL22rdrAdA将代入得dRdR)21(（3-5）、19第3章电阻式传感器或dRdRk)21(0（3-6）dRdR)21(通常把单位应变能引起的电阻值变化称为电阻丝的灵敏系数，用k0表示。其物理意义是单位应变所引起的电阻相对变化量，其表达式为0kRdR所以20第3章电阻式传感器灵敏系数k0受两个因素影响：(1)应变片受力后材料几何尺寸的变化，即1+2μ；(2)应变片受力后材料的电阻率发生的变化d对金属材料来说，电阻丝灵敏度系数表达式中1+2μ的值要比(dρ/ρ)/ε大得多。一般金属材料在弹性形变时，μ约为0.3，所以k0的第一项约为1.6。用金属电阻材料制成的金属丝应变片和金属箔式应变片，其灵敏系数k0主要取决于第一项，因电阻率的变化而引起的电阻值变化是较小的。dRdRk)21(021第3章电阻式传感器二、电阻应变片的种类、结构和材料用电阻应变片制作的生理传感器很多，应用很广泛。常在仪器中采用的应变片有两种类型：丝式应变计箔式应变计这两种应变计主要使用的材料是康铜和卡码合金。优点：稳定性和温度特性好。缺点：灵敏度系数小。22第3章电阻式传感器康铜是目前应用最广泛的应变丝材料，因为它有很多优点：灵敏系数稳定性好，不但在弹性变形范围内能保持为常数，进入塑性变形范围内也基本上能保持为常数；康铜的电阻温度系数较小且稳定，当采用合适的热处理工艺时，可使电阻温度系数在±50×10-6/℃的范围内；康铜的加工性能好，易于焊接，因而国内外多以康铜作为应变丝材料。材料选择23第3章电阻式传感器图3-3金属电阻应变片的结构（a）丝式应变计引线覆盖层基片电阻丝式敏感栅lb敏感栅是应变片的核心部分，它粘贴在绝缘的基片上，其上再粘贴起保护作用的覆盖层，两端焊接引出导线。金属电阻应变片的敏感栅有丝式和箔式两种形式，如图3-3示。（b）短接式应变计（c）箔式应变计结构24第3章电阻式传感器如图(b)是短接式应变片，在两根电阻丝之间用较粗的线条画出了低电阻率材料的导线。采用这种工艺的目的是为了使非敏感方向的测量误差减小。例如我们需要应变片在其纵向的应变作为有用信号，因此就希望它的横向应变输出为最小。为此把栅状电阻丝的转弯处的一小段短路以后就可以大大地消除此项误差的来源。（b）短接式应变计25第3章电阻式传感器图（c）是一种箔式应变片。这种应变片将金属电阻材料通过特殊的碾压而得到厚度为0.003~0.005mm的极薄的膜，加上绝缘底基以后，再通过光刻工艺将电阻箔刻成所需的栅状电阻丝，然后再将这个箔栅加上覆盖层和引出线就构成了箔式应变片。（c）箔式应变计优点：因为这种应变片中的电阻材料被制成了箔，所以它与被粘贴的零件表面的接触面积比丝式应变片大得多，这样的应变片就能更好地“跟随”应变零件的变化。由于接触面积大，它的散热条件比丝式应变片好得多。目前采用这种元件制成的传感器比较多。26第3章电阻式传感器常用应变片的形式27第3章电阻式传感器三、电阻应变片的特性1．应变片的电阻值电阻应变片的电阻值为60Ω、120Ω、350Ω，500Ω和1000Ω等多种规格，以120Ω最为常用。应变片的电阻值越大，允许的工作电压就大，传感器的输出电压也大，相应地应变片的尺寸也要增大，在条件许可的情况下，应尽量选用高阻值应变片。28第3章电阻式传感器三、电阻应变片的特性2．应变片的灵敏系数当具有初始电阻值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。理论和实验表明，在一定应变范围内ΔR/R与ε的关系满足下式：kRR式中，ε为应变片的轴向应变，ε＝ΔＬ／Ｌ。（3-36）或LLRRkk为应变片的灵敏系数。29第3章电阻式传感器3．应变片的应变极限应变片的应变极限是由应变特性曲线的非线性决定的。如图3-6所示，特性曲线随真实应变增加而出现弯曲，指示应变偏离要求的直线特性（虚线所示）而产生非线性误差，当这种非线性误差达到规定值时所对应的真实应变，即为应变片的应变极限。所谓指示应变ε指是指经过校准的应变仪的应变读数，它是与应变片的ΔR/R相对应的。真实应变ε真是应变片的实际应变值。应变极限：应变仪所能测量的最大应变值。图3-6应变片的应变极限30第3章电阻式传感器一般情况下，影响应变极限大小的主要因素是粘合剂和基底材料的性能。如使用过期的粘合剂，因粘合剂与基底材料固定不充分，胶层与基底太厚等，都会使应变极限达不到要求。31第3章电阻式传感器4.机械滞后应变片粘贴在被测试件上，当温度恒定时，其加载特性与卸载特性不重合，即为机械滞后。机械滞后:在恒定温度下，加载和卸载过程中同一载荷下指示应变的最大差数，称为机械滞后。图3-7应变片的机械滞后32第3章电阻式传感器减小机械滞后的方法：选用性能良好的粘合剂与基底材料，敏感栅材料（如金属丝或金属箔）要经过适当的热处理，这样可以减少应变片的机械滞后。为了减小新应变片的机械滞后，在正式测量前对试件反复加卸载3~5次。产生机械滞后的原因很多，如：敏感栅材料本身特性不好；基底材质不好；粘合剂选择不当；固化不良；粘接技术不佳，部分脱落和粘接层太厚等。33第3章电阻式传感器*5．最高工作频率应变是以应变波的形式在材料中传播的，它的传播速度与声波相同（对钢材v=5000m/s）。在动态测量时，应变片要反映应变的变化是需要经过一定时间的。应变片的最高工作频率与应变片线栅的长度（或称基长）有关。以钢材为例，其不同基长的应变片的最高工作频率如表3-