第3章电阻应变传感器

传感器与检测技术朱启兵[e-mail]2/42传感器与检测技术第3章电阻式传感器一、概述二、电阻应变计的基本原理与结构三、电阻应变计的主要特性四、电阻应变计测量电路五、电阻应变计的温度效应及热补偿六、电阻应变计式传感器七、压阻式传感器3/42第3章电阻式传感器一、概述电阻式传感器就是利用一定的方式将被测量的变化转化为敏感元件电阻值的变化，进而通过电路变成电压或电流信号输出的一类传感器。按转化机理的不同•位移电位器式•应变电阻应变计式•压力压阻式•光光电阻式•热热电阻式4/42第3章电阻式传感器二、电阻应变计的基本原理与结构(1)基本原理应变效应当金属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。LRARLARLAdAldAAldlAdR22rAldlrdr体积不变原理0/(12)(12)(12)/dRddlddKRldll5/42第3章电阻式传感器二、电阻应变计的基本原理与结构物理意义：单位应变引起的电阻相对变化。K0称为金属丝的应变灵敏系数。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K0≈1+2μ；对半导体，K0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//6/42第3章电阻式传感器二、电阻应变计的基本原理与结构(2)结构2341bl栅长栅宽敏感栅1、基底2、盖片3、引线4和粘结剂（1）敏感栅，传感元件，通常为60Ω、120Ω、200Ω等多种规格。测得的应变大小是应变片栅长和栅宽所在面积内的平均轴向应变量。丝式、箔式（光刻、腐蚀等工艺）和薄膜式（真空蒸镀或溅射式阴极扩散）（2）基底固定形状、尺寸和位置作用（3）盖片保护作用（4）引线连接过渡作用（5）粘接剂连接固定作用使用时，注意材料的选择和粘接焊接工艺7/42三、电阻应变计的主要特性第3章电阻式传感器（1）电阻应变计灵敏度系数K用实验方法对应变片的电阻—应变特性测定。实验表明，金属应变片的电阻相对变化与应变ε在很宽的范围内均为线性关系。即试验（标定）条件：①试件受一维应力作用，②应变片的轴向与主应力方向一致，③试件材料的泊松比为0.285的钢材。应变片的灵敏系数K恒小于线材的灵敏系数K0。原因：胶层传递变形失真，横向效应也是一个不可忽视的因素。KRRRRK8/42第3章电阻式传感器（2）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。9/42第3章电阻式传感器（2）横向效应dldθθ2cos2121rr200(1)(1)2rrrLndlrdn纵栅变形量单位半圆弧横栅变形量rrnrnnlLLL21212210002(1)(1)22rxyrRLnlnrnrKKKKKRLLL1Lnl总半圆弧横栅变形量纵栅和横栅总变形量电阻变化率横向效应系数rnnlrnKKHxy121rlH10/42第3章电阻式传感器（3）机械滞后原因：残余变形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.ΔεΔε1机械应变ε卸载加载指示应变εi应变片的机械滞后机械滞后值还与应变片所承受的应变量有关，加载时的机械应变愈大，卸载时的滞后也愈大。所以，通常在实验之前应将试件预先加、卸载若干次，以减少因机械滞后所产生的实验误差。11/42第2章电阻式传感器（4）零点漂移和蠕变对于粘贴好的应变片，当温度恒定时，不承受应变时，其电阻值随时间增加而变化的特性，称为应变片的零点漂移。产生原因：敏感栅通电后的温度效应；应变片的内应力逐渐变化；粘结剂固化不充分等。如果在一定温度下，使应变片承受恒定的机械应变，其电阻值随时间增加而变化的特性称为蠕变。一般蠕变的方向与原应变量的方向相反。产生原因：由于胶层之间发生“滑动”，使力传到敏感栅的应变量逐渐减少。这是两项衡量应变片特性对时间稳定性的指标，在长时间测量中其意义更为突出。实际上，蠕变中包含零漂，它是一个特例。12/42第3章电阻式传感器（5）应变极限在一定温度下，应变片的指示应变对测试值的真实应变的相对误差不超过规定范围（一般为10%）时的最大真实应变值。影响因素同蠕变。（6）动态特性机械应变波-----纵波设一频率为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ε1lx1λεx02sin/xxfllxxdxltxxmltltsin2sin2sin10022lltmtmtsin1113/42第3章电阻式传感器四、电阻应变计测量电路ΔR/RΔU/U实现途径：电桥（1）直流电桥使用场合：无需中间放大R2R3R1R4E电桥线路原理图RgACDIgB负载电阻Rg∞/4/ooUSURR13241234gRRRRUERRRR00/2/2oLUURRKeURRK电桥平衡条件：R1R3=R2R43211234oRRUURRRRR当R1=R2=R3=R4=RΔRR静态灵敏度线性度/141/2oURRURR14/42第3章电阻式传感器线性度补偿例：设K=2，要求非线性误差δ1%，试求允许测量的最大应变值εmax。①差动电桥补偿条件：相邻桥臂；变化方向相反32211223411(/)22ooRRRUURRUSURRRRRR1234RRRRR332211223344(/)ooRRRRUURRUSURRRRRRRR②恒流源补偿15/42第3章电阻式传感器五、电阻应变计的温度效应及补偿（1）温度误差由于环境温度变化引起的电阻变化称为应变片的温度误差，又称热输出应变片的电阻丝(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。影响因素：tKtRRRRRRgett21t电阻温度系数e试件线膨胀系数计算公式：g敏感栅线膨胀系数K—应变片灵敏系数16/42第3章电阻式传感器（2）温度补偿①单丝自补偿应变片在选择应变片时，若应变片的敏感栅是用单一的合金丝制成，并使其电阻温度系数和线膨胀系数满足下式的条件，即可实现温度自补偿。具有这种敏感栅的应变片称为单丝自补偿应变片。tgegtK优点：结构简单，制造和使用都比较方便；缺点：对试件的线膨胀系数有要求。②双丝组合式自补偿应变片正负两种电阻温度系数的材料串联组成敏感栅，以达到一定的温度范围内在一定材料的试件上实现温度补偿。缺点：对试件的线膨胀系数有要求。17/42第3章电阻式传感器（2）温度补偿③电路补偿法USCR2R3R1R4E补偿块法补偿应变片粘贴示意图R1R2需满足三个条件①R1和R2须属于同一批号的，即它们的电阻温度系数α、线膨胀系数β、应变灵敏系数K都相同，两片的初始电阻值也要求相同；②用于粘贴补偿片的构件和粘贴工作片的试件二者材料必须相同，即要求两者线膨胀系数相等；③两应变片处于同一温度环境中。零漂完全补偿灵敏度漂移部分补偿18/42第3章电阻式传感器（2）温度补偿③电路补偿法R1R2FFR1R2（b）（a）F差动电桥补偿构件受弯曲应力构件受单向应力11222/2HoHHRRRRUUURRRR212RKRRRKR1()()21(1)4(1)/2HoHHHRRRUURRRRRRRURRR19/42第3章电阻式传感器（2）温度补偿④热敏电阻补偿法USCR2R3R1R4ERtR5热敏电阻Rt与应变片处在相同的温度下，当应变片的灵敏度随温度升高而下降时，热敏电阻Rt的阻值下降，使电桥的输入电压温度升高而增加，从而提高电桥输出电压。选择分流电阻R5的值，可以使应变片灵敏度下降对电桥输出的影响得到很好的补偿。20/42第3章电阻式传感器六、电阻应变计式传感器金属应变片，除了测定试件应力、应变外，还制造成多种应变式传感器用来测定力、扭矩、加速度、压力等其它物理量。应变式传感器包括两个部分：一是弹性敏感元件，利用它将被测物理量（如力、扭矩、加速度、压力等）转换为弹性体的应变值；另一个是应变片作为转换元件将应变转换为电阻的变化。柱力式传感器梁力式传感器应变式压力传感器应变式加速度传感器21/42第2章电阻式传感器1、柱力式传感器圆柱式力传感器的弹性元件分为实心和空心两种。柱式力传感器-ε2+ε1截面积SFFF面积S-ε1+ε2b）a）在轴向布置一个或几个应变片，在圆周方向布置同样数目的应变片，后者取符号相反的横向应变，从而构成了差动对。由于应变片沿圆周方向分布，所以非轴向载荷分量被补偿，在与轴线任意夹角的α方向，其应变为：2cos1121ε1——沿轴向的应变；μ——弹性元件的泊松比。当α=0时SEF＝＝1当α=90˚时SEF＝－＝－＝12E：弹性元件的杨氏模量22/42第3章电阻式传感器2、梁力式传感器等强度梁弹性元件是一种特殊形式的悬臂梁。梁的固定端宽度为b0，自由端宽度为b，梁长为L，粱厚为h。力F作用于梁端三角形顶点上，梁内各断面产生的应力相等，故在对L方向上粘贴应变片位置要求不严。横截面梁双空梁S形弹性元件LR1R3R2R4xFhb等强度梁弹性元件b0R423/42第3章电阻式传感器3、应变式压力传感器测量气体或液体压力的薄板式传感器，如图所示。当气体或液体压力作用在薄板承压面上时，薄板变形，粘贴在另一面的电阻应变片随之变形，并改变阻值。这时测量电路中电桥平衡被破坏，产生输出电压。圆形薄板固定形式：采用嵌固形式，如图（a）或与传感器外壳作成一体，如图(b)。P（b）（a）应变式压力传感器应变片24/42第3章电阻式传感器4、应变式加速度传感器由端部固定并带有惯性质量块m的悬臂梁及贴在梁根部的应变片、基座及外壳等组成。是一种惯性式传感器。测量时，根据所测振动体加速度的方向，把传感器固定在被测部位。当被测点的加速度沿图中箭头所示方向悬臂梁自由端受惯性力F=ma的作用，质量块向箭头a相反的方向相对于基座运动，使梁发生弯曲变形，应变片电阻也发生变化，产生输出信号，输出信号大小与加速度成正比。L应变片质量块m弹簧片外壳基座a应变式加速度传感器25/42第3章电阻式传感器七、压阻式传感器是利用硅的压阻效应和微电子技术制成的，是一种新的物性型传感器。优点：灵敏度高、动态响应好、精度高、易于微型化和集成化等，缺点：温度影响大，需要温度补偿。工作原理：压阻效应单晶硅、锗等半导体材料在受到应力作用后，其电阻率发生明显变化，这种现象被称为压阻效应。Ed2121ERdRπ压阻系数E弹性模量σ应力；ε应变。121~250~100E半导体材料：π掺杂的杂质浓度、温度、材料类型、晶向有关26/42第2章电阻式传感器σ//σ⊥pQ123I////RRσ∥：纵向应力σ⊥：横