第3章应变式传感器精讲

第3章应变式传感器主要内容1.电阻应变片原理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的主要传感器，测力范围小到肌肉纤维，大到登月火箭，精确度可到0.01—0.1%。有拉压式（柱、筒、环元件）、弯曲式、剪切式。应变式传感器特征：不同材料类型；金属应变片、半导体应变片应用范围；应变力、压力、转矩、位移、加速度；主要优点；使用简单、精度高、范围大体积小。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3.1电阻应变片原理（1）应变效应金属应变片结构：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电阻应变片原理（1）应变效应箔式应变片结构导体或半导体在受到外界力的作用时，产生机械变形，机械变形导致其阻值变化，这种因形变而使阻值发生变化的现象称为应变效应。第3章应变式传感器3.1电阻应变片原理（1）应变效应对于一长为L、横截面积为A、电阻率为ρ的金属丝，其电阻值R为：ALR如果对电阻丝长度作用均匀应力，则ρ、L、A的变化(dρ、dL、dA)将引起电阻R变化dR，dR可通过对上式的全微分求得：2dAALdALdLAdR电阻相对变化量为：）（32AdAdLdLRdR若电阻丝是圆形的，则A=πr²,对r微分得dA=2πrdr，则：rdrrrdrAdA）（42222ll+dl2r2(r-dr)F图2-1金属丝的应变效应—金属的径向应变——金属的轴向应变—令yxrdrLdL由材料力学的知识：在弹性范围内，金属丝受拉力时，沿轴向伸长，沿径向缩短，则轴向应变和径向应变的关系为：εy=-μεxμ为金属材料的泊松系数。）（或）（72216221d)(RdRd)(RdRxxx将（2-4）式、（2-5）代入（2-3）式得：）（令8221d)(RdRKxxSKS称为金属丝的灵敏系数，表示单位应变所引起的电阻的相对变化。对于确定的材料，(1+2μ)项是常数，其数值约在1~2之间，对金属材料来说，电阻丝灵敏度要比dρ/ρ╱εx大的多，可以忽略。上式表示金属丝的电阻相对变化与轴向应变成正比关系。）（，或92RdRKKRdRxSxS根据应力和应变的关系:应力σ=εE，即σ∝ε，而ε∝dR，所以σ∝dR.传感器原理及应用第3章应变式传感器3.1电阻应变片原理（1）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由材料的几何尺寸决定的应力σ=Eε可见σ∝ε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)传感器原理及应用第3章应变式传感器3.1电阻应变片原理（2）压阻效应和压阻式传感器半导体应变片又称压阻式传感器•优点：灵敏度高、耗电少、有正负两种应力效应。•缺点：受温度影响较大。半导体材料的dρ/ρ╱εx项的值比(1+2μ)大的多，其灵敏度系数Ｋ０主要由压阻效应引起的电阻率ρ的变化；灵敏系数远大于金属应变片的灵敏系数。012KE050100K对半导体0/12/RRK已知固体受力引起的电阻变化为：传感器原理及应用第3章应变式传感器3.1电阻应变片原理（3）应变片种类•按材料分：金属式：体型:丝式、箔式、薄膜型半导体式体式：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金属应变计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（1）应变片的灵敏系数金属丝做成应变片后电阻应变特性与单根金属丝不同；实验证明，应变片灵敏系数KK0电阻丝灵敏系数，产品的灵敏系数称“标称灵敏系数”。被测体应变片ＦＦ传感器原理及应用第3章应变式传感器直线电阻丝绕成敏感栅后，虽然长度相同，但应变不同，园弧部分使灵敏系数K↓下降，这种现象称为横向效应。3.2金属应变片的主要特性（2）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（3）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——误差应变片本身电阻温度系数影响；βg——试件材料的线膨胀系数影响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、βs；试件参数βg有关。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（3）应变片温度误差及补偿电阻丝阻值与温度关系：0001tttRRtRRt0tgsRRKt因试件使应变片电阻产生附加形变造成的电阻变化00tttRRRRt温度变化Δt时电阻丝的电阻变化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（3）应变片温度误差及补偿温度补偿方法有：电桥线路补偿、自补偿、双金属片辅助、热敏电阻补偿、计算机补偿等。•线路补偿：工作应变片粘贴在被测试件表面上，补偿就变片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。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（3）应变片温度误差及补偿•自补偿方法利用自身具有温度补偿作用的应变片来补偿要实现温度补偿必须有满足以下条件：)(00sgKa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（3）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）1423RRRR1234//RRRR电桥平衡时I0=0U0=0对比积相等邻臂比相等ERRRRRRU)(4332110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）直流电桥设R1-R1+ΔR1，R2-R2+ΔR2，R3-R3+ΔR1,R4-R4+ΔR4这时电桥失衡，不平衡输出电压为：②电压灵敏度ERRRRRRRRRRRRRRRRU))(())(())((44332211332244110一般情况下ΔR很小，即ΔRR，故上式分母中ΔR项和分子中ΔR的高次项可略去，同时考虑电桥初始是平衡的，即R1R4=R2R3，故有ERRRRRRRRRRRRU)()(33442211221210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②电压灵敏度上式表明，电桥输出电压与电桥电源电压成正比，在ΔRR的条件下，电桥输出电压也与桥臂电阻的变化率ΔR/R成正比。所以电桥输出电压可反映被测量引起电阻变化量。传感器原理及应用第3章应变式传感器讨论：•电桥电压灵敏度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Ku∝E，但供电受应变片允许功耗限制；3.3电阻应变片测量电路（1）直流电桥②电压灵敏度传感器原理及应用第3章应变式传感器讨论：•设均为全等臂电桥，即初始时R1=R2=R3=R4=R，下面分析这三种连接方式方式的电压输出。•1、半桥单臂3.3电阻应变片测量电路（1）直流电桥4uEK•单臂工作片电压灵敏度：104REUR•桥路输出电压：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•单臂工作片电压灵敏度：•桥路输出电压：②电压灵敏度2、半桥双臂工作中电桥的两个桥臂阻值随被测物理量而变化ERRU20EKu213、全桥工作中电桥的四个桥臂阻值随被测物理量而变化•桥路输出电压：ERRU0•单臂工作片电压灵敏度：EKu②电压灵敏度第3章应变式传感器传感器原理及应用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）直流电桥单桥半桥全桥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③非线性误差补偿非线性误差：000UUUl：为理想值0U式中U。：为真实值单臂桥的非线性误差：11112212RRRRRRl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为减小非线性误差常采用差动电桥差动电桥：在试件上安装两个工作片，一个受拉、一个受压接在电桥的相邻两个臂，电桥输出为：3110112234RRRUERRRRRR12RRR3.3电阻应变片测量电路（1）直流电桥③非线性误差补偿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。02ERUR电桥输出：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：将四臂按对臂同性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：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：所需要的高稳定直流电源较易获得；连接导线要求低，不会引起分布参数，在实现预调平衡时电路简单，仅需对纯电阻加以调节。缺点：容易受到工频干扰，产生零点漂移。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）交流电桥交流电桥输出特征方程：142301234()()ZZZZUUZZZZ14230ZZZZ电桥平衡条件：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）交流电桥交流电桥需满足对臂复数的模积相等，幅角之和相等。1423||||||||ZZZZ1423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：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交流电桥输出除满足电阻平衡条件，还要满足电容平衡条件：1423RRRR2211RCRC1ZZZ2ZZZ交流电桥输出用复数表示：0021ZZUU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－平衡电路：电容平衡电路电阻平衡电路传感器原理及应用第3章应变式传感器3.4应变式传感器的应用在检测技术中，除了直接用应变片来测定试件的应变和应力外，还可以利用它制成各种应变式传感器来测定各种物理量，如力矩、压力、加速度等。基本构成通常可分两部分：弹性敏感元件及应变片弹性元件在被测物理量的作用下产生一个与物理量成正比的应变，然后用应变片作为传感元件将应变转换为电阻变化。传感器原理及应用第3章应变式传感器3.4应变式传感器的应用（1）电阻应变仪按测量应变力的频率可分为静态应变仪和动态应变仪，按应变力频率又可细分为：静态——5Hz；静动态——几百Hz；动态——5KHz；超动态——几十KHz；交流电桥电阻应变仪主要由电桥、振荡器、放大器、相敏检波器、