第二章电阻应变传感器教程

传感器与检测技术武汉理工大学自动化学院Copyright©2003WUT.AllRightsReserved.第二章电阻应变传感器重点：电阻应变片电阻应变传感器的测量电路电阻应变传感器的应用第一节电阻应变片一、电阻应变传感器概述1.定义用来测非电量，主要测机械量（力、力矩、压力、加速度等），将被测量的力通过它所产生的金属弹性变形转换成电阻变化的敏感元件。2.特点结构简单，应用广泛灵敏度K高，测试速度快易于远距离测量二、电阻应变传感器的组成与应变原理1.组成由弹性元件、电阻应变片和测量电路组成2.工作原理电阻应变片的工作原理是基于应变效应，即在导体产生机械变形时，它的电阻值相应发生变化。一根金属电阻丝，在其未受力时，原始电阻值为SLR当金属丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值将发生变化，这种现象称为金属的电阻应变效应。rrLLSSLLRR2二、电阻应变传感器的组成与应变原理rrrrrSS222其中式中△L/L是纵向（轴向）变化量，用应变ε表示：LL△r/r是横向（径向）变化量，用应变εr表示：rrr由材料力学可知，那么轴向应变和径向应变的关系表示为：LLrrrμ为电阻丝材料的泊松比将式（2.3）~（2.6）代入式（2.2）得：电阻丝的灵敏系数：单位应变引起的电阻值相对变化)21()21(LLRR对金属丝而言：210k/)21(/0RRk当测得应变片电阻值变化量△R时，便可得到被测对象的应变值。根据应力与应变的关系，得到应力值σ为：ESFEE试件的应变试件材料弹性模量F分类半导体电阻应变片金属薄膜应变片金属箔应变片金属丝应变片金属电阻应变片类型以上）高温应变片（）中温应变片（）常温应变片（按工作温度CCC300300~6060~30三、应变片的基本结构及测量原理1.金属丝电阻应变片结构2.金属箔应变片这类应变片的敏感栅是用0.001～0.01mm厚的金属箔通过光刻技术制作成，可以很方便地制作成各种形状的应变片，常称其为应变花。有较好的散热性能，允许通过较大的工作电流；同时因栅薄，也便于粘贴到弯曲的弹性元件表面上；且蠕变和机械滞后较小，应力传递性能好。3、金属薄膜应变片这类应变片的敏感栅是用真空蒸镀或溅射的方法将金属材料淀积在绝缘基片上，然后用刻蚀技术制成各种形状的栅，其厚度比箔栅还要薄，一般在0.1μm以下，其灵敏系数比箔式还要高，是一种很有前途的新型金属应变片。•金属应变计•优点:稳定性和温度特性好.•缺点:灵敏度系数小四、金属应变片的主要特性1.灵敏系数RRKS/3.机械滞后、零点漂移和蠕变用于衡量应变片特性对时间的稳定性。在恒温下，应变片受力后，其内部会产生不可逆的残余变形，致使应变电阻在加载和卸载时，出现一定的差值，此差值称之为机械滞后（Hysteresis）2.横向效应应变片受恒定力作用时，应变电阻值随时间而变化，这是因为应力在粘胶层中传递时出现滑动现象，胶层越厚、滑动越严重，这种现象称之为蠕变。造成应变片测量误差的因素很多，测量时必须加以考虑，其中温度影响是首要的。温度变化引起应变片电阻值变化的现象称之为温漂。由于环境温度改变引起电阻值变化的原因主要有二：一是电阻丝温度系数引起的；二是由电阻丝与被测材料的线膨胀系数的不同引起。4.应变极限和疲劳寿命应变极限是指在一定温度下，应变片的指示应变与试件的真实应变的相对误差达规定值时的真实应变值。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。5.绝缘电阻和最大工作电流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。通常要求在50～100MΩ以上。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。通常静态测量时取25mA左右，动态测量时取75～100mA五、半导体电阻应变片1、半导体应变片的压阻效应半导体应变片是用半导体材料制成的，其工作原理是基于半导体材料的压阻效应。沿着半导体某晶向施加一定的压力而使其产生应变时其电阻率将随应力改变而变化，这种现象称之为半导体的压阻效应。2.、半导体电阻应变片的灵敏系数)21(RR)21(E而所以半导体应变片的纵向压阻效应可由式（2.7）改写为ERR)21(一般πE比1+2μ大近百倍RR，有因为π——半导体晶体纵向压阻系数E——半导体晶体弹性模量半导体电阻应变灵敏系数ERRKB//纵向压阻系数晶体弹性模量2、半导体应变片的基本结构优点：应变灵敏度大;体积小;能制成具有一定应变电阻的元件.缺点：温度稳定性和可重复性不如金属应变片。图2－4半导体应变片结构1.工作原理第二节电阻应变传感器的测量电路在电阻应变传感器中最常用的是桥式测量电路。iiiURRRRRRRRURRRURRRRIRIU))((4321423143421142110测量前，应将电桥调平衡，在电桥输出端A和C之间接一检流计调桥臂电阻使检流计指示为0，输出电压U0=0，电桥达到平衡状态。电桥的平衡条件为R1R3=R2R4。第二节电阻应变传感器的测量电路一、单臂桥iiiiiiOUKURRURRRRURRRURRRRURRRRRRRRU414/24/)2(2)212()(434211为了便于分析，一般都取R1=R2=R3=R4=R，称之为等臂桥单臂电桥的灵敏度（电压灵敏度）为Ui↑→Su↑，但Ui一般为3～4V。iuURRUS410二、半桥RRRR21,R1=R2=R3=R4=RiiiiOUKURRURRRURRRRRRRRRU212)212()(434211半桥的灵敏度为iuURRUS210三、全桥R1=R2=R3=R4=RRRRRRR4231,iiiiOUKURRURRRRRRURRRRRRRRRRRRU22)22()(434211iuURRUS0四、电阻应变传感器的应用一、应变式力传感器被测物理量为荷重或力的传感器，称之为应变式力传感器（Weighingsensor）（a）实心柱（b）空心柱（c）柱面展开图2－15柱式力传感器二、应变式压力传感器应变式压力传感器主要用来测量流动介质的动态或静态压力图2－18圆筒式压力传感器图2－19膜片式压力传感器三、应变式容器内液体重量传感器将其上两个传感器的电桥接成正向串接的双电桥电路，则输出电压为对于等截面的柱式容器，有ghAAUUU)(21210DQgh将上两式联立，得到容器内感压膜上面溶液重量与电桥输出电压之间的关系为：DQAAU)(210四、应变式加速度传感器应变式传感器主要用于物体加速度的测量。mFa补充内容：第三节电阻式传感器•电阻式传感器是把被测量转换为电阻变化的一种传感器,•按工作的原理可分为:变阻器式、电阻应变式、热敏式、光敏式、电敏式.123132直线型旋转型•1变阻器式传感器(1)工作原理•等效电路分析:Rp-总电阻;xp-变阻总长;RL负载电阻;x-电刷移动量.132xxpEinEoutRxRLRp-Rx)1)((1pxxLRpRxpxinLRxRxRpRLRpRinLRxRLRxRxRpRinEEEoutE0x100%100%Output0负载效应2.3电阻式传感器(2)变阻器式传感器的性能参数:1)线性(或曲线的一致性);4)移动或旋转角度范围;2)分辨率;5)电阻温度系数;3)整个电阻值的偏差;6)寿命;(3)变阻器式传感器的分类变阻器按电阻元件分单圈电位器直线滑动式电位器多圈电位器混合式电位器导电塑料电位器金属陶瓷电位器线绕电位器2.3电阻式传感器(4)变阻器式传感器的特点电阻器制作特点绕线式直径0.012-0.1mm的镍铬合金的精密电阻丝绕在绝缘的薄膜铜丝或绝缘胶木板等卷芯上而制作电阻温度系数非常好，为±5-20*10-6/0C;精度,稳定性,重复性比薄模式好,分辨力低于薄模式.金属陶瓷式电阻胶印在陶瓷基板上,并用高温烧制而成.分辨力高,环境适应性强前,电阻温度系数,为±200*10-6/0C左右.导电-塑料式将基板的树脂与电阻墨制成一体,获将电阻胶涂于薄膜基片上.分辨力,寿命,高速现响应特性好,电阻温度系数为±400*10-6/0C混合式导电性树脂涂于限绕式电阻元件上兼有绕线式和导电-塑料式的优点,电阻温度系数为±150*10-6/0C2.3电阻式传感器(5)应用案例：重量的自动检测--配料设备重量设定原材料比较原理用弹簧将力转换为位移;再用变阻器将位移转换为电阻的变化2.3电阻式传感器案例：煤气包储量检测原理直接将代表煤气包储量的高度变化转换为钢丝的电阻变化煤气包钢丝特点：（1）测量量程大；（2）防爆；（3）可靠；（4）成本低。2.3电阻式传感器案例：玩具机器人（广州中鸣数码）原理直接将关节驱动电机的转动角度变化转换为电阻器阻值变化2.3电阻式传感器2电阻应变式传感器--应变片金属电阻应变片的工作原理是基于金属导体的应变效应，即金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着它所受机械变形(伸长或缩短)的变化而发生变化的现象。2.3电阻式传感器3)应变片的主要参数1）几何参数：表距L和丝栅宽度b，制造厂常用b×L表示。2）电阻值：应变计的原始电阻值。3）灵敏系数：表示应变计变换性能的重要参数。4）其它表示应变计性能的参数（工作温度、滞后、蠕变、零漂以及疲劳寿命、横向灵敏度等）。2.3电阻式传感器案例：桥梁固有频率测量原理在桥中设置一三角形障碍物，利用汽车碍时的冲击对桥梁进行激励，再通过应变片测量桥梁动态变形，得到桥梁固有频率。2.3电阻式传感器4)应用案例：电子称原理将物品重量通过悬臂梁转化结构变形再通过应变片转化为电量输出。2.3电阻式传感器作业：下图为一直流应变桥。E=4V，R1=R2=R3=R4=120Ω试求：（1）R1为电阻应变片，其余为外接电阻，当△R1=1.2Ω时，求U0=？（2）R1、R2都是应变片，且批号相同，感受应变的极性和大小都相同，其余为外接电阻，求U0=？（3）（2）中，如果R1与R2感受的极性相反，且|△R1|=|△R2|=1.2Ω，求U0。