第3章-电阻式传感器1

第3章电阻式传感器传感器原理与应用传感器原理及应用第3章应变式传感器主要内容3.1金属丝电阻应变片3.2电阻应变片测量电路3.3电阻应变式传感器的应用3.4半导体压阻式传感器的应用传感器原理及应用第3章应变式传感器电阻应变式传感器是将被测的非电量转换成电阻值的变化，再经转换电路变换成电量(电流、电压)输出。电阻应变式传感器也是应用最广泛的传感器，可用于应变力、压力、转矩、位移、加速度。据统计日本力传感器中应变片占70%，美国占90%。测力范围：小到肌肉纤维（5×10-5N)，大到登月火箭(5×107N)；精确度：在0.01～0.1%，有10年以上的校准稳定性。应变式传感器主要特征有不同材料类型，金属应变片、半导体应变片;优点，结构简单、精度高、范围大体积小；缺点，电阻、半导体会随温度变化。RF概述传感器原理及应用第3章应变式传感器电阻应变式传感器广泛应用于各种衡器和应变测量1）用于各种电子秤电子天平传感器原理及应用第3章应变式传感器吊秤遥动遥控吊秤液压叉车秤传感器原理及应用第3章应变式传感器电子皮带秤行李秤钢包电子秤行车电子秤防爆汽车衡给料秤传感器原理及应用第3章应变式传感器机械秤包装机动态电子秤自动称重给料机给料斗秤称重包装机定量包装机灌装机传感器原理及应用第3章应变式传感器2）用于应变仪——全自动应力、应变实时监测仪•动态监测各种工件施工中的应变、应力、载荷或合成应力；可检测振动时效果。•可静态地测量内应力、接触应力，如焊接件、铸件、锻件、水坝、岩石、混凝土内的内应力；焊接、铸造、机加工、热加工、锻造、冷凝、体变等残余接触应力；•用于各种弹性固体材料、构建的应变测量、应力检测及监测，如：钢结构、合金件、机床、大坝体、隧道、桥梁、高楼、建筑、土建、管道、输水管、岩石、地震、船舶、海洋平台、油井、小堤坝、电缆、锅炉……，传感器原理及应用第3章应变式传感器上海卢浦大桥通车应变试验传感器原理及应用第3章应变式传感器上海国际会议中心模型试验传感器原理及应用第3章应变式传感器打桩船吊塔强度试验传感器原理及应用第3章应变式传感器3.1金属丝电阻应变片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1.应变片结构金属丝式应变片结构金属箔式应变片结构传感器原理及应用第3章应变式传感器3.1金属丝电阻应变片1.应变片结构1—敏感元件2、4—基底3—引线应变片组成应变片结构传感器原理及应用第3章应变式传感器3.1金属丝电阻应变片1.应变片结构单体型半导体应变片半导体应变片结构温度传感器扩散电阻硅膜片硅片基片集成式应变传感器传感器原理及应用第3章应变式传感器☻金属电阻应变片的基本原理基于电阻应变效应：即导体在外力作用下产生机械形变时阻值发生变化。RlSRlS2.工作原理当电阻丝受到轴向拉力F作用时，金属丝几何尺寸变化引起电阻值的相对变化,与电阻率变化成正比一根长L，截面积为S，电阻率为ρ的金属丝电阻传感器原理及应用第3章应变式传感器•径向应变为：（截面积相对变化量）2srsr•轴向应变为：ll61110/mmmm应变单位：•横向变形系数：（泊松系数）/(/rrll径向）（轴向）在弹性范围内金属丝受拉时，轴向应变和径向应变的关系，负号表示应变受力Ｆ方向相反RlSRlS2.工作原理传感器原理及应用第3章应变式传感器用轴向、径向应变、泊松系数带入后电阻变化率为：12RR0//12RRk定义金属电阻丝的灵敏系数为k0；即：单位应变能引起的金属丝电阻相对变化☻金属丝受力后主要引起两个方面的变化：材料几何尺寸变化（1+2μ）；材料电阻率的变化（Δρ/ρ）/εRlSRlS2.工作原理传感器原理及应用第3章应变式传感器☻金属丝灵敏系数k0主要由材料的几何尺寸变化引起的应力σ=Eε（E弹性模量）σ∝ε，ε∝ΔR/Rσ应力→ε应变→ΔR/R电阻变化（反映应力大小）通过弹性元件可将位移、压力、振动等物理量通过应力变化，并转换为电阻的变化进行测量，这是应变式传感器测量应变的基本原理。/(12)0/12k已知泊松系数μ=0.25～0.5(钢μ=0.285)因为所以近似：k0≈1+2μ，k0≈1.5～22.工作原理传感器原理及应用第3章应变式传感器3.1金属丝电阻应变片•弹性元件在应变片测量技术中占有极其重要的地位，首先把力、力矩或压力变换成相应的应变或位移，然后传递给粘贴在弹性元件上的应变片，通过应变片将力、力矩或压力转换成相应的电阻值。•物体在外力作用下而改变原来尺寸或形状的现象称为变形，而当外力去掉后物体又能完全恢复其原来的尺寸和形状，这种变形称为弹性变形。具有弹性变形特性的物体称为弹性元件。3.弹性敏感元件传感器原理及应用第3章应变式传感器传感器原理及应用第3章应变式传感器常用弹性元件的结构和特性名称类别平薄膜波纹膜挠性膜薄膜式示意图压力测量范围/kPa最小最大输出特性动态性质时间常数/s自振频率/Hz0～100～1050～10－30～1030～10－50～102xpxpxxxpxF(力)x(位移)pxFxpxF,xpx1～10010－2～110～10010－2～10－110～10410－5～10－2波纹管单圈弹簧管多圈弹簧管弹簧管式波纹管式0～10－30～1030～10－10～1060～10－20～105xpxxpxxpxxpxxpxxpx—10～100—100～100010～10010－2～10－1传感器原理及应用第3章应变式传感器3.1金属丝电阻应变片a）刚度•刚度是弹性元件受外力作用下变形大小的量度，其定义是弹性元件单位变形下所需要的力，用C表示，其数学表达式为3.弹性敏感元件dxdFxFClim式中:F——作用在弹性元件上的外力，单位为牛顿（N）；x——弹性元件所产生的变形，单位为毫米（mm）。传感器原理及应用第3章应变式传感器3.1金属丝电阻应变片•通常用刚度的倒数来表示弹性元件的特性，称为弹性元件的灵敏度，一般用S表示，其表达式为3.弹性敏感元件从上式可以看出，灵敏度是单位力作用下弹性元件产生变形的大小，灵敏度大，表明弹性元件软，变形大。如果弹性特性是线性的，则灵敏度为一常数，若弹性特性是非线性的，则灵敏度为一变量，即表示此弹性元件在弹性变形范围内，各处由单位力产生的变形大小是不同的.dFdxCS1弹性特性曲线b）灵敏度传感器原理及应用第3章应变式传感器3.1金属丝电阻应变片各种形式的金属式电阻应变片金属式电阻应变片常见的有丝式、箔式、薄膜型4.应变片种类传感器原理及应用第3章应变式传感器•按材料分为体型—丝式、箔式金属式：薄膜型半导体式：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4.应变片种类传感器原理及应用第3章应变式传感器金属丝式——敏感栅用0.025mm金属丝（康铜、贵金属）；金属箔式——通过照相制版，光刻腐蚀工艺作成金属薄栅，厚度在0.003～0.01mm，敏感栅截面为矩形，可通过大电流，工艺适于批量生产；金属薄膜型——采用真空技术，在基片上蒸镀金属薄膜，厚度为纳米级。•半导体式：体型、薄膜型、扩散型、外延型、PN结型4.应变片种类体型半导体电阻应变片传感器原理及应用第3章应变式传感器k0表征金属丝的灵敏系数，但金属丝做成应变片后，电阻应变特征与单根金属丝不同。实际的灵敏系数包括基片、粘合剂、敏感栅的横向效应等因素。做成应变片以后灵敏系数k0不同，必须重新标定。3.1金属丝电阻应变片（1）应变片灵敏系数k•通常采用实验的方法，按统一的标准，如受单向力拉力或压力，试件材料为钢，箔松系数μ=0.285；•取成品的5%进行测定，取平均值做产品的灵敏系数，称标称灵敏系数k，即产品出厂时标注的灵敏系数。•实验表明，应变片灵敏系数小于电阻丝灵敏系数，即k＜k0如果实际应用与标定条件不同时，k误差较大需要修正。5.主要特性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，但圆弧部分应变状态不同，圆弧段电阻的变化小于沿轴向摆放的电阻丝电阻变化。实际应变变化ε=ΔL/L比拉直了看要小，可见直线的电阻丝作成敏感栅后，虽然长度相同，但应变不同。（2）横向效应☻园弧部分使灵敏系数k0↓下降，这种现象称为横向效应。敏感栅越窄、基长越长，横向效应越小。为减小横向效应产生的测量误差，一般多采用箔式应变片，圆弧部分尺寸较大。传感器原理及应用第3章应变式传感器3.2电阻应变片测量电路一般应变片阻值变化很小若k0=2，应变片电阻R=120Ω，ε=1000με时电阻变化仅0.24Ω。要检测如此微小电阻的变化必须经过放大电路放大输出。放大器前通常采用直流电桥或交流电桥。传感器原理及应用第3章应变式传感器①直流电桥的平衡条件323141012341234()()RRRRRRUEERRRRRRRR1423RRRR1234//RRRR电桥平衡时:I0=0，U0=0（1）直流电桥要满足电桥平衡条件，必须有对比积相等，邻臂比相等E直流供电R1-R4桥臂电阻•当负载RL→∞（放大器的输入阻抗比桥路阻抗大的多，可视为开路）电桥输出电压为：传感器原理及应用第3章应变式传感器•设R1为应变片，应变时R1变化量为ΔR1，•应变片阻值变化电桥失衡，不平衡输出电压为311011234RRRUERRRRR4311112143(/)(/)(1//)1/RRRRERRRRRR②电桥电压灵敏度ΔR1（1）直流电桥传感器原理及应用第3章应变式传感器21unKEn电桥输出的电压灵敏度为10211RnUERn•电桥输出电压可近似为11RR11/RR，忽略分母中•由于•设桥臂比21/nRR•考虑平衡条件2143//RRRR43110112143(/)(/)(1//)1/RRRRUERRRRRR对于②电桥电压灵敏度11011(/)(1/)1nRRUERRnn传感器原理及应用第3章应变式传感器☻电桥电压灵敏度讨论：1.电桥的电压灵敏度Ku越大，电桥输出电压越大，Ku与电桥电源E成正比，但供电受应变片允许功耗限制；2.Ku是桥臂比n的函数，恰当选择桥臂比可提高电压灵敏度；显然n=1、R1=R2、R3=R4时Ku有最大值。4.单臂工作片的电桥输出电压及电压灵敏度分别为21unKEn2410(1)udKndnn104REUR4uEK01uRUKR传感器原理及应用第3章应变式传感器（1）直流电桥等臂电桥n=1时112LRR③非线性误差补偿'11011(/)(1/)(1)RRnUEnRRn实际输出值为'0011011/1/LUURRUnRR非线性误差11RR11/RR，忽略了分母中前面计算中设1111/1/212LRRRR将分母按幂级数展开，略去高阶量近似得到单桥非线性误差传感器原理及应用第3章应变式传感器对金属电阻丝应变片，因灵敏系数k0主要由几何尺寸引起的，ΔR非常小，电桥非线性误差可以忽略。对于半导体应变片，灵敏度系数k0主要由电阻率变化引起的，应变时ΔR/R变化很大，非线性误差不能忽略。例：金属应变片半导体应变片6%L0130k0.001/0.13RR11/2LRR/0.01RRk02k0.5%L0.005由式可见，非线性误差与ΔR1/R1成正比③非线性误差补偿（1）直流电桥传感器原理及应用第3章应变式传感器实际电路中非线性误差总是存在的，为减小非线性误差，常采用差动电桥。在试件上安装两个工作片，分别接在电桥的相邻两个臂，当有作用力F时一个受拉、一个受压。3110112234RRRUERRRR