电阻应变式传感器的工作原理

传感器原理设计及应用第四章电阻应变式传感器主要内容电阻应变式传感器的工作原理电阻应变片的工作原理电阻应变片的种类、材料和参数电阻应变片的动态响应特性粘合剂和应变片的粘贴技术电阻应变片传感器的温度误差及其补偿电阻应变式传感器的信号调节电路及电阻应变仪电阻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。概述各种电子秤广泛应用于－概述高精度电子汽车衡动态电子秤电子天平概述机械秤包装机吊秤电阻应变式传感器是利用电阻应变片将应变转换为电阻变化的传感器,传感器由在弹性元件上粘贴电阻应变敏感元件构成。当被测物理量作用在弹性元件上时,弹性元件的变形引起应变敏感元件的阻值变化,通过转换电路将其转变成电量输出,电量变化的大小反映了被测物理量的大小。4.1电阻应变式传感器的工作原理1、应变效应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。2、电阻应变片的结构和工作原理1）应变片的结构由敏感栅1、基底2、盖片3、引线4等组成。这些部分所选用的材料将直接影响应变片的性能。因此，应根据使用条件和要求合理地加以选择。4.2电阻应变片的工作原理4231电阻应变片结构示意图bl栅长栅宽2）电阻-应变特性设有一根长度为l、截面积为S、电阻率为ρ的金属丝，其电阻R为两边取对数，得等式两边取微分，得——电阻的相对变化；——电阻率的相对变化；——金属丝长度相对变化，用ε表示，ε=称为金属丝长度方向上的应变或轴向应变；——截面积的相对变化。SlRSlRlnlnlnlnSdSldldRdRRdRdldlldlSdSdr/r为金属丝半径的相对变化，即径向应变为εr。S=πr2dS/S=2·dr/rεr=–με由材料力学知将微分dR、dρ改写成增量ΔR、Δρ，则)21()21(dldldRdRSKllllRR)//21(金属丝电阻的相对变化与金属丝的伸长或缩短之间存在比例关系。比例系数KS称为金属丝的应变灵敏系数。物理意义：单位应变引起的电阻相对变化。KS由两部分组成：前一部分是（1+2μ），由材料的几何尺寸变化引起，一般金属μ≈0.3，因此（1+2μ）≈1.6；后一部分为，电阻率随应变而引起的（称“压阻效应”）。对金属材料，以前者为主，则KS≈1+2μ；对半导体，KS值主要由电阻率相对变化所决定。实验表明，在金属丝拉伸比例极限内，电阻相对变化与轴向应变成正比。通常KS在1.8～3.6范围内。ll//3）应变片测试原理在外力作用下，被测对象产生微小机械变形，应变片随着发生相同的变化，同时应变片电阻值也发生相应变化。当测得应变片电阻值变化量为ΔR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σ=E·ε丝绕式应变片敏感栅半圆弧形部分dldθθ3、横向效应金属应变片由于敏感栅的两端为半圆弧形的横栅，测量应变时，构件的轴向应变ε使敏感栅电阻发生变化，其横向应变εr也将使敏感栅半圆弧部分的电阻发生变化(除了ε起作用外)，应变片的这种既受轴向应变影响，又受横向应变影响而引起电阻变化的现象称为横向效应。图为应变片敏感栅半圆弧部分的形状。沿轴向应变为ε，沿横向应变为εr。若敏感栅有n根纵栅，每根长为l，半径为r，在轴向应变ε作用下，全部纵栅的变形视为ΔL1半圆弧横栅同时受到ε和εr的作用，在任一微小段长度dl=rdθ上的应变εθ可由材料力学公式求得每个圆弧形横栅的变形量Δl为纵栅为n根的应变片共有n-1个半圆弧横栅，全部横栅的变形量为2cos2121rrrrrrddll200rrnL212ΔL1=nlε应变片敏感栅的总变形为敏感栅栅丝的总长为L，敏感栅的灵敏系数为KS，则电阻相对变化为令则可见，敏感栅电阻的相对变化分别是ε和εr作用的结果。rrnrnnlLLL2121221rSSSKLrnKLrnnlLLKRR2)1(2)1(2SxKLrnnlK2)1(2SyKLrnK2)1(ryxKKRR当εr=0时，可得轴向灵敏度系数同样，当ε=0时，可得横向灵敏度系数横向灵敏系数与轴向灵敏系数之比值，称为横向效应系数c。即由上式可见，r愈小，l愈大，则c愈小。即敏感栅越窄、基长越长的应变片，其横向效应引起的误差越小xxRRKryyRRKrnnlrnKKcxy121一、电阻应变片的种类4.3电阻应变片的种类、材料和参数1.丝式应变片金属丝式应变片有回线式和短接式二种，如图2.3所示。但回线式最为常用，制作简单，性能稳定，成本低，易粘贴，但其应变横向效应较大。短接式应变片两端用直径比栅线直径大5～10倍的镀银丝短接。优点是克服了横向效应，但制造工艺复杂图中应变片a、c回线式b、d短接式2.箔式应变片它是利用照相制版或光刻技术将厚约0.003～0.01mm的金属箔片制成所需图形的敏感栅，也称为应变花。优点：①.可制成多种复杂形状尺寸准确的敏感栅，其栅长l可做0.2mm，以适应不同的测量要求；②.与被测件粘贴结面积大；③.散热条件好，允许电流大，提高了输出灵敏度；④.横向效应小。⑤.蠕变和机械滞后小，疲劳寿命长。缺点：电阻值的分散性比金属丝的大，有的相差几十欧姆，需做阻值调整。在常温下，金属箔式应变片已逐步取代了金属丝式应变片。3、薄膜应变片薄膜应变片是采用真空蒸发或真空沉淀等方法在薄的绝缘基片上形成0.1μm以下的金属电阻薄膜的敏感栅,最后再加上保护层。它的优点是应变灵敏度系数大,允许电流密度大,工作范围广。4、半导体应变片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。所谓压阻效应，是指半导体材料在某一轴向受外力作用时,其电阻率ρ发生变化的现象。半导体应变片受轴向力作用时,其电阻相对变化为)21(RR（3-10）式中Δρ/ρ为半导体应变片的电阻率相对变化量,其值与半导体敏感元件在轴向所受的应变力关系为E（3-11）式中:π——半导体材料的压阻系数。将式（3-11）代入式（3-10）中得)21(E（3-12）实验证明,πE比（1+2μ）大上百倍,所以（1+2μ）可以忽略,Ks=ERR（3-13）半导体应变片突出优点是灵敏度高,比金属丝式高50～80倍,尺寸小,横向效应小,动态响应好。但它有温度系数大,应变时非线性比较严重等缺点。二、电阻应变片的材料对敏感栅的材料的要求：①应变灵敏系数大，并在所测应变范围内保持为常数；②电阻率高而稳定，以便于制造小栅长的应变片；③电阻温度系数要小；④抗氧化能力高，耐腐蚀性能强；⑤在工作温度范围内能保持足够的抗拉强度；⑥加工性能良好,易于拉制成丝或轧压成箔材；⑦易于焊接，对引线材料的热电势小。对应变片要求必须根据实际使用情况，合理选择。具体材料见P65-66三、应变片的主要参数应变片电阻值绝缘电阻灵敏系数允许电流应变极限机械滞后零漂蠕变当被测应变值随时间变化的频率很高时，需考虑应变片的动态特性。因应变片基底和粘贴胶层很薄，构件的应变波传到应变片的时间很短(估计约0.2μs)，故只需考虑应变沿应变片轴向传播时的动态响应。设一频率为f的正弦应变波在构件中以速度v沿应变片栅长方向传播，在某一瞬时t，应变量沿构件分布如图所示。应变片对应变波的动态响应ε0应变片ε1lx1λεx4.4电阻应变片的动态响应特性xx2sin0设应变波波长为λ，则有λ=v/f。应变片栅长为L，瞬时t时应变波沿构件分布为应变片中点的应变为xt为t瞬时应变片中点的坐标。应变片测得的应变为栅长l范围内的平均应变εm，其数值等于l范围内应变波曲线下的面积除以l，即ttx2sin0llxxdxltxxmltltsin2sin2sin10022平均应变εm与中点应变εt相对误差δ为lltmtmtsin11llδ（%）1.620.52误差δ的计算结果1/201/10由上式可见，相对误差δ的大小只决定于的比值，表中给出了为1/10和1/20时δ的数值。由表可知，应变片栅长与正弦应变波的波长之比愈小，相对误差δ愈小。当选中的应变片栅长为应变波长的（1/10~1/20）时，δ将小于2%。因为式中υ——应变波在试件中的传播速度；f——应变片的可测频率。取，则若已知应变波在某材料内传播速度υ，由上式可计算出栅长为L的应变片粘贴在某种材料上的可测动态应变最高频率。f101llf1.0应变波为阶跃波a——b——传播速度为v的应变波，通过栅长l而迟后一段时间th=l/vc——应变计对应变波的实际响应特性。上升工作时间：tr=0.8l/v；工作频限：f≈0.44v/l应变片是用粘结剂粘贴到被测件上的。粘结剂形成的胶层必须迅速地将被测件的应变传递到敏感栅上。粘结剂的性能及粘贴工艺的质量直接影响着应变片的工作特性，如零漂、蠕变、滞后、灵敏系数等。可见选择粘结剂和正确的粘结工艺与应变片的测量精度有着极其重要的关系。4.5粘合剂和应变片的粘贴技术1.粘结剂的主要功能是要在切向准确传递试件的应变。因此，(1)与试件表面有很高的粘结强度，一般抗剪强度应大于9.8×106Pa(2)弹性模量大，蠕变、滞后小，温度和力学性能参数要尽量与试件匹配；(3)抗腐蚀，涂刷性好，固化工艺简单，变形小，使用简便，可长期贮存；(4)一般情况下，粘贴与制作应变计的粘结剂是可以通用的。但是，粘贴应变计时受到现场加温、加压条件的限制。通常在室温工作的应变计多采用常温、指压固化条件的粘结剂；非金属基应变计若用在高温工作时，可将其先粘贴在金属基底上，2.应变计的粘贴一、应变片检查三、试件表明处理四、划粘贴应变片的定位线五、粘贴应变片六、粘合剂的固化处理七、应变片粘贴质量的检查八、引出线的固定保护九、应变片的防潮处理（1）温度误差及其产生原因用作测量应变的金属应变片，希望其阻值仅随应变变化，而不受其它因素的影响。实际上应变片的阻值受环境温度(包括被测试件的温度)影响很大。由于环境温度变化引起的电阻变化与试件应变所造成的电阻变化几乎有相同的数量级，从而产生很大的测量误差，称为应变片的温度误差，又称热输出。因环境温度改变而引起电阻变化的两个主要因素：应变片的电阻丝(敏感栅)具有一定温度系数；电阻丝材料与测试材料的线膨胀系数不同。4.6电阻应变式传感器的温度误差及其补偿设环境引起的构件温度变化为Δt（℃）时，粘贴在试件表面的应变片敏感栅材料的电阻温度系数为αt，则应变片产生的电阻相对变化为由于敏感栅材料和被测构件材料两者线膨胀系数不同，当Δt存在时，引起应变片的附加应变，其值为βe—试件材料线膨胀系数；βg—敏感栅材料线膨胀系数。tRRt1tget2相应的电阻相对变化为K——应变片灵敏系数。tKRRge2温度变化形成的总电阻相对变化：相应的虚假应变为上式为应变片粘贴在试件表面上，当试件不受外力作用，在温度变化Δt时，应变片的温度效应。用应变形式表现出来，称之为热输出。可见，应变片热输出的大小不仅与应变计敏感栅材料的性能(αt,βg)有关，而且与被测试件材料的线膨胀系数(βe)有关。tKtRRRRRRgett21ttKKRRgettt（2）温度补偿（自补偿法和线路