電阻應(yīng)變計式傳感器

1、,電阻應(yīng)變計的應(yīng)用,1.2,第2章 電阻應(yīng)變計式傳感器,電阻應(yīng)變計的主要特性,2.2,測量電路,2.4,電阻應(yīng)變計式傳感器,2.5,2.6,電阻應(yīng)變計的溫度效應(yīng)及其補償,電阻應(yīng)變計的基本原理與結(jié)構(gòu),第2章 電阻應(yīng)變計式傳感器(Resistive Strain Gauge Sensors) 2.1電阻應(yīng)變計的基本原理與結(jié)構(gòu),一、導電材料的應(yīng)變電阻效應(yīng) 電阻應(yīng)變片的工作原理是基于應(yīng)變效應(yīng)，即導體或半導體材料在外界力的作用下產(chǎn)生機械變形時，其電阻值發(fā)生變化， 這種現(xiàn)象稱為“應(yīng)變效應(yīng)”。 如圖2 - 1所示，一根長 ，截面積為A的金屬電阻絲，在其未受力時，原始電阻值為：,（2-1）,第2章 電阻應(yīng)變計

2、式傳感器(Resistive Strain Gauge Sensors) 2.1電阻應(yīng)變計的基本原理與結(jié)構(gòu),（2-2）,當電阻絲受到拉力F作用時， 將伸長dl，橫截面積相應(yīng)減小dA，電阻率因材料晶格發(fā)生變形等因素影響而改變了d，從而引起電阻值相對變化量為：,圖2.1 導體受拉伸后的參數(shù)變化,第2章 電阻應(yīng)變計式傳感器(Resistive Strain Gauge Sensors) 2.1電阻應(yīng)變計的基本原理與結(jié)構(gòu),式中dl/l= 材料的軸向線應(yīng)變，常用單位(1=110-6mm/mm); dA/A圓形電阻絲的截面積相對變化量，設(shè)r為電阻絲的半徑，微分后可得dA=2r dr，則 ： 其中 r導體的

3、半徑，受拉時r縮??； 導體材料的泊松比。,第2章 電阻應(yīng)變計式傳感器(Resistive Strain Gauge Sensors) 2.1電阻應(yīng)變計的基本原理與結(jié)構(gòu),可得： 通常把單位應(yīng)變能引起的電阻值變化稱為電阻絲的靈敏系數(shù)。 其物理意義是單位應(yīng)變所引起的電阻相對變化量，其表達式為 ：,（2-3）,（2-4）,第2章 電阻應(yīng)變計式傳感器(Resistive Strain Gauge Sensors) 2.1電阻應(yīng)變計的基本原理與結(jié)構(gòu),靈敏系數(shù)K受兩個因素影響：材料幾何尺寸的變化， 即1+2；材料的電阻率發(fā)生的變化， 即（d/）/。大量實驗證明，在電阻絲拉伸極限內(nèi)， 電阻的相對變化與應(yīng)變成正

4、比，即K為常數(shù)。 1.金屬材料的應(yīng)變電阻效應(yīng) 對金屬材料來說，電阻絲靈敏度系數(shù)表達式中1+2的值要比(d/)/大得多，顯然，金屬絲材的應(yīng)變電阻效應(yīng)以結(jié)構(gòu)尺寸變化為主。金屬材料的電阻相對變化與其線應(yīng)變成正比。這就是金屬材料的應(yīng)變電阻效應(yīng)。對金屬或合金, 一般Km=1.84.8。 2.半導體材料的壓阻效應(yīng) 而半導體材料的(d/)/項的值比1+2大得多。,第2章 電阻應(yīng)變計式傳感器(Resistive Strain Gauge Sensors) 2.1電阻應(yīng)變計的基本原理與結(jié)構(gòu),2.半導體材料的壓阻效應(yīng) 壓阻效應(yīng)是指半導體材料，當某一軸向受外力作用時， 其電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象。 式中：半導體材料的壓

5、阻系數(shù);半導體材料的所受應(yīng)變力; E半導體材料的彈性模量;半導體材料的應(yīng)變。,（2-5）,第2章 電阻應(yīng)變計式傳感器(Resistive Strain Gauge Sensors) 2.1電阻應(yīng)變計的基本原理與結(jié)構(gòu),2.半導體材料的壓阻效應(yīng) 則： 由于E(1+2)，因此半導體絲材的KsE?？梢?，半導體材料的應(yīng)變電阻效應(yīng)主要基于壓阻效應(yīng)。通常Ks=(5080)Km。,（2-6）,第2章 電阻應(yīng)變計式傳感器(Resistive Strain Gauge Sensors) 2.1電阻應(yīng)變計的基本原理與結(jié)構(gòu),二、電阻應(yīng)變計的結(jié)構(gòu)與類型 結(jié)構(gòu)： 圖2.2 典型應(yīng)變計的結(jié)構(gòu)及組成 (a)絲式 (b)箔式

6、(c)半導體 1敏感柵 2基底 3引線 4蓋層 5粘結(jié)劑 6電極,第2章 電阻應(yīng)變計式傳感器(Resistive Strain Gauge Sensors) 2.1電阻應(yīng)變計的基本原理與結(jié)構(gòu),二、電阻應(yīng)變計的結(jié)構(gòu)與類型 結(jié)構(gòu)： (1)敏感柵實現(xiàn)應(yīng)變-電阻轉(zhuǎn)換的敏感元件。 通常由直徑為0.0150.05mm的金屬絲繞成柵狀，或用金屬箔腐蝕成柵狀。 (2)基底為保持敏感柵固定的形狀、尺寸和位置，通常用粘結(jié)劑將其固結(jié)在紙質(zhì)或膠質(zhì)的基底上?；妆仨毢鼙。话銥?.020.04mm。 (3)引線起著敏感柵與測量電路之間的過渡連接和引導作用。通常取直徑約0.10.15mm的低阻鍍錫銅線，并用釬焊與敏感柵端

7、連接。,第2章 電阻應(yīng)變計式傳感器(Resistive Strain Gauge Sensors) 2.1電阻應(yīng)變計的基本原理與結(jié)構(gòu),二、電阻應(yīng)變計的結(jié)構(gòu)與類型 (4)蓋層用紙、膠作成覆蓋在敏感柵上的保護層；起著防潮、防蝕、防損等作用。 (5)粘結(jié)劑制造應(yīng)變計時，用它分別把蓋層和敏感柵固結(jié)于基底；使用應(yīng)變計時，用它把應(yīng)變計基底粘貼在試件表面的被測部位。因此它也起著傳遞應(yīng)變的作用。,第2章 電阻應(yīng)變計式傳感器(Resistive Strain Gauge Sensors) 2.1電阻應(yīng)變計的基本原理與結(jié)構(gòu),二、電阻應(yīng)變計的結(jié)構(gòu)與類型 類型： 圖2.2 典型應(yīng)變計的結(jié)構(gòu)及組成 (a)絲式 (b)箔

8、式 (c)半導體 1敏感柵 2基底 3引線 4蓋層 5粘結(jié)劑 6電極 1.金屬絲式應(yīng)變片 有回線式和短接式二種?；鼐€式最為常用，制作簡單，性能穩(wěn)定，成本低，易粘貼，但橫向效應(yīng)較大。,第2章 電阻應(yīng)變計式傳感器(Resistive Strain Gauge Sensors) 2.1電阻應(yīng)變計的基本原理與結(jié)構(gòu),二、電阻應(yīng)變計的結(jié)構(gòu)與類型 類型： 2.金屬箔式應(yīng)變片 利用照相制版或光刻技術(shù)將厚約0.0030.01mm的金屬箔片制成所需圖形的敏感柵，也稱為應(yīng)變花。 3.半導體應(yīng)變片 由單晶半導體經(jīng)切型、切條、光刻腐蝕成形，然后粘貼在薄的絕緣基片，最后再加上保護層。 但重復(fù)性、溫度及時間穩(wěn)定性差。,第2

9、章 電阻應(yīng)變計式傳感器(Resistive Strain Gauge Sensors),應(yīng)變計多為一次性使用，應(yīng)變計的特性是按規(guī)定的條件，從大批量生產(chǎn)中按比例抽樣實測而得 靜態(tài)特性 靈敏系數(shù)K，應(yīng)變計的軸向應(yīng)變 一般KK0 橫向效應(yīng)及橫向效應(yīng)系數(shù)H 由于傳感器是多線的，線與線之間連接部分不在測量方向上，引起橫向效應(yīng) 計算公式：,2.2 電阻應(yīng)變計的主要特性,第2章 電阻應(yīng)變計式傳感器(Resistive Strain Gauge Sensors),標定情況下： 可見，橫向效應(yīng)使傳感器的靈敏度系數(shù)下降 非標定情況下： 相對誤差為： 可見，要減小誤差，必須使H減小,2.2 電阻應(yīng)變計的主要特性,第

10、2章 電阻應(yīng)變計式傳感器(Resistive Strain Gauge Sensors),對橫向效應(yīng)分析結(jié)果的應(yīng)用結(jié)果之一是箔式應(yīng)變計 另外，應(yīng)變計的長度要長、橫柵要小。 機械滯后 原因：基底材料、粘結(jié)劑的材料、殘余變形 通常要求：,2.2 電阻應(yīng)變計的主要特性,第2章 電阻應(yīng)變計式傳感器(Resistive Strain Gauge Sensors),蠕變 與零漂 零漂和蠕變反映傳感器的長期穩(wěn)定性 應(yīng)變極限 應(yīng)變計的線性范圍，是衡量應(yīng)變計測量范圍和過載能力的指標，一般8000,2.2 電阻應(yīng)變計的主要特性,第2章 電阻應(yīng)變計式傳感器(Resistive Strain Gauge Sensor

11、s),動態(tài)特性 機械應(yīng)變以聲波的形式和速度在材料中傳播的。當它依次通過一定厚度的基底、膠層并引起應(yīng)變計的響應(yīng)時，會有時間的遲后。應(yīng)變計的這種響應(yīng)遲后對動態(tài)(高頻)應(yīng)變測量，尤會產(chǎn)生誤差。應(yīng)變計的動態(tài)特性就是指其感受隨時間變化的應(yīng)變時之響應(yīng)特性 對正弦信號的響應(yīng) 圖表示一頻率為f，幅值為0的正弦波，以速度v沿著應(yīng)變計縱向x方向傳播時，在某一瞬時t的分布圖。應(yīng)變計中點xt的瞬時應(yīng)變?yōu)?2.2 電阻應(yīng)變計的主要特性,第2章 電阻應(yīng)變計式傳感器(Resistive Strain Gauge Sensors),而柵長l范圍xt（l/2）內(nèi)的平均應(yīng)變?yōu)?相對誤差為： 上式表明，當頻率增加時，誤差增大,因此

12、應(yīng)使：或,2.2 電阻應(yīng)變計的主要特性,第2章 電阻應(yīng)變計式傳感器(Resistive Strain Gauge Sensors) 2.3電阻應(yīng)變計的溫度效應(yīng)及其補償,一、溫度效應(yīng)及其熱輸出 1、溫度效應(yīng)設(shè)工作溫度變化為t，則引起粘貼在試件上的應(yīng)變計電阻的相對變化為: 式中 t敏感柵材料的電阻溫度系數(shù)；K應(yīng)變計的靈敏系數(shù)；s、t分別為試件和敏感柵材料的線膨脹系數(shù)。 ,（2-7）,第2章 電阻應(yīng)變計式傳感器(Resistive Strain Gauge Sensors) 2.3電阻應(yīng)變計的溫度效應(yīng)及其補償,2、熱輸出 相對的熱輸出為: 應(yīng)變計的溫度效應(yīng)及其熱輸出由兩部分組成：前部分為熱阻效應(yīng)所造

13、成；后部分為敏感柵與試件熱膨脹失配所引起。在工作溫度變化較大時，這種熱輸出干擾必須加以補償。,（2-8）,第2章 電阻應(yīng)變計式傳感器(Resistive Strain Gauge Sensors) 2.3電阻應(yīng)變計的溫度效應(yīng)及其補償,二、熱輸出補償方法 1、溫度自補償法 精心選配敏感柵材料與結(jié)構(gòu)參數(shù)來實現(xiàn)熱輸出補償 。 (1)單絲自補償應(yīng)變計 在研制和選用應(yīng)變計時，若選擇敏感柵的合金材料，其t 、t能與試件材料的s相匹配，即滿足 ，達到溫度自補償?shù)哪康摹?（2-9）,第2章 電阻應(yīng)變計式傳感器(Resistive Strain Gauge Sensors) 2.3電阻應(yīng)變計的溫度效應(yīng)及其補償,

14、二、熱輸出補償方法 1、溫度自補償法 (2)雙絲自補償應(yīng)變計 敏感柵由電阻溫度系數(shù) 一正一負的兩種合金絲串接 而成。當工作溫度變化時， 若Ra柵產(chǎn)生正的熱輸出a 與Rb柵產(chǎn)生負的熱輸出b 相等或相近，就可達到 自補償?shù)哪康?，? ,（2-10）,圖2.2 （a）回線式（ b）短接式,第2章 電阻應(yīng)變計式傳感器(Resistive Strain Gauge Sensors) 2.3電阻應(yīng)變計的溫度效應(yīng)及其補償,二、熱輸出補償方法 2、橋路補償法 （1）雙絲半橋式,圖2.3 雙絲半橋式熱補償應(yīng)變計,第2章 電阻應(yīng)變計式傳感器(Resistive Strain Gauge Sensors) 2.3電

15、阻應(yīng)變計的溫度效應(yīng)及其補償,二、熱輸出補償方法 2、橋路補償法 （1）雙絲半橋式 敏感柵由同符號電阻溫度系數(shù)的兩種合金絲串接而成，工作柵R1接入工作臂，補償柵R2外接串接電阻RB(不敏感溫度影響)接入補償臂，當溫度變化時，只要電橋工作臂和補償臂的熱輸出相等或相近，就能達到熱補償目的 。,（2-11）,第2章 電阻應(yīng)變計式傳感器(Resistive Strain Gauge Sensors) 2.3電阻應(yīng)變計的溫度效應(yīng)及其補償,2、橋路補償法 （2）補償塊法,圖2.4 補償塊半橋熱補償應(yīng)變計,使用兩個相同的應(yīng)變計。R1貼在試件上，接入電橋工作臂， R2貼在與試件同材料、同環(huán)境溫度，但不參與機械應(yīng)

16、變的補償塊上，接入電橋相鄰臂作補償臂，補償臂產(chǎn)生與工作臂相同的熱輸出，通過電橋，起到補償作用。,第2章 電阻應(yīng)變計式傳感器(Resistive Strain Gauge Sensors) 2.3電阻應(yīng)變計的溫度效應(yīng)及其器補償,2、橋路補償法 （3）差動電橋法 巧妙地安 裝應(yīng)變片可以 起補償作用并 提高靈敏度。 將兩個應(yīng)變片分別貼于測懸梁上下對稱位置，R1、RB特性相同，所以兩電阻變化值相同而符號相反。因而電橋輸出電壓比單片時增加1倍。當梁上下溫度一致時，RB與R1可起溫度補償作用。,圖2.5 差動電橋法,2.4電阻應(yīng)變計的應(yīng)用,1、應(yīng)變計的選用 （1）選擇類型使用目的、要求、對象、環(huán)境等 （2

17、）材料考慮使用溫度、時間、最大應(yīng)變量及精度 （3）阻值選擇根據(jù)測量電路和儀器選定標稱電阻 （4）尺寸考慮試件表面、應(yīng)力分布、粘貼面積 （5）其他考慮特殊用途、惡劣環(huán)境、高精度,第2章 電阻應(yīng)變計式傳感器(Resistive Strain Gauge Sensors),2、應(yīng)變計的使用 （1）粘結(jié)劑的選擇 通常在室溫工作的應(yīng)變片多采用常溫、指壓固化條件的粘結(jié)劑如聚脂樹脂、環(huán)氧樹脂類。 （2）應(yīng)變計的粘貼 準備試件和應(yīng)變片；涂膠；貼片；復(fù)查；接線；防護。,第2章 電阻應(yīng)變計式傳感器(Resistive Strain Gauge Sensors),2.4電阻應(yīng)變計的應(yīng)用,2.5 測量電路,工作原理,

18、第2章 電阻應(yīng)變計式傳感器(Resistive Strain Gauge Sensors),第2章 電阻應(yīng)變計式傳感器(Resistive Strain Gauge Sensors),應(yīng)變電橋 直流電橋與交流電橋 直流電橋只接入電阻 交流電橋可接入LC 平衡電橋與不平衡電橋 等臂與半等臂 輸出端對稱與電源對稱,2.5 測量電路,第2章 電阻應(yīng)變計式傳感器(Resistive Strain Gauge sensors),直流電橋及其輸出特性 電橋平衡的條件： 電壓輸出橋的輸出特性 輸出電壓：,2.5 測量電路,第2章 電阻應(yīng)變計傳感器(Resistive Strain Gauge Sensors

19、),代入R： 分子分母同除以R1R3,并略去高階微量得： 如果為全等臂電橋，則：,2.5 測量電路,第2章 電阻應(yīng)變計式傳感器(Resistive Strain Gauge Sensors),可簡寫為： 如果只有一個臂工作，如R1，則： 因此，單臂電橋的電壓靈敏度為：,2.5 測量電路,第2章 電阻應(yīng)變計式傳感器(Resistive Strain Gauge Sensors),和差特性 非線性特性 從上述各式可看出，只有R很小時，橋路的輸出才為線性,2.5 測量電路,第2章 電阻應(yīng)變計式傳感器(Resistive Strain Gauge Sensors),采用金屬應(yīng)變計，減小R，在一定精度條

20、件下可免去補償措施 半導體應(yīng)變計雖然靈敏度高，但非線性誤差大 非線性補償 差動電橋補償 采用恒流源,2.5 測量電路,一.原理和特點 電阻應(yīng)變計有兩方面的應(yīng)用： 一是作為敏感元件，直接用于被測試件的應(yīng)變測量； 另一是作為轉(zhuǎn)換元件，通過彈性元件構(gòu)成傳感器，用以對任何能轉(zhuǎn)變成彈性元件應(yīng)變的其它物理量作簡接測量。,第2章 電阻應(yīng)變計式傳感器(Resistive Strain Gauge Sensors),2.6 電阻應(yīng)變計式傳感器,用作傳感器 的應(yīng)變計，應(yīng)有更高的要求，尤其非線性誤差要小(0.05%0.1%F.S.)，力學性能參數(shù)受環(huán)境溫度影響小，并與彈性元件匹配。 應(yīng)變計式傳感器有如下應(yīng)用特點：

21、(1)應(yīng)用和測量范圍廣。 用應(yīng)變計可制成各種機械量傳感器，如測力傳感器可測10107N壓力傳感器可測10310Pa，加速度傳感器可測到103級m/s2。 ,第2章 電阻應(yīng)變計式傳感器(Resistive Strain Gauge Sensors),2.6 電阻應(yīng)變計式傳感器,(2)分辨力(1)和靈敏度高，尤其是用半導體應(yīng)變計，靈敏度可達幾十mV/V；精度較高(一般達1%3%F.S.，高精度達0.1% .01%F.S.)。 (3)結(jié)構(gòu)輕小，對試件影響??；對復(fù)雜環(huán)境的適應(yīng)性強，易于實施對環(huán)境干擾的隔離或補償，從而可以在高低溫、高壓、高速、強磁場、核幅射等特殊環(huán)境中使用；頻率響應(yīng)好。,第2章 電阻應(yīng)

22、變計式傳感器(Resistive Strain Gauge Sensors),2.6 電阻應(yīng)變計式傳感器,(4)商品化，選用和使用都方便，也便于實現(xiàn)遠距離、自動化測量。 因此，目前傳感器的種類雖已繁多，但高精度的傳感器仍以應(yīng)變計式應(yīng)用最普遍。它廣泛用機械、冶金、石油、建筑、交通、水利和宇航等部門的自動測量與控制或科學實驗中；近年來在生物、醫(yī)學、體育和商業(yè)等部門亦已得到開發(fā)應(yīng)用。,第2章 電阻應(yīng)變式傳感器(Resistive Strain Gauge Sensors),2.6 電阻應(yīng)變計式傳感器,第2章 電阻應(yīng)變計式傳感器(Resistive Strain Gauge Sensors),二.應(yīng)變

23、計式傳感器 1.測力傳感器 應(yīng)變計式傳感器的最大用武之地還是稱重和測力領(lǐng)域。這種測力傳感器的結(jié)構(gòu)由應(yīng)變計、彈性元件和一些附件所組成。視彈性元件結(jié)構(gòu)型式(如柱形、筒形、環(huán)形、梁式、輪幅式等)和受載性質(zhì)(如拉、壓、彎曲和剪切等)的不同，它們有許多種類。,2.6 電阻應(yīng)變計式傳感器,第2章 電阻應(yīng)變計式傳感器(Resistive Strain Gauge Sensors),2.壓力傳感器 壓力傳感器主要用來測量流體的壓力。視其彈性體的結(jié)構(gòu)形式有單一式和組合式之分。 單一式壓力傳感器是指應(yīng)變計直接粘貼在受壓彈性膜片或筒上。膜片式應(yīng)變壓力傳感器的結(jié)構(gòu)、應(yīng)力分布及布片，與固態(tài)壓阻式傳感器雷同(參閱2.6節(jié)

24、)。 圖2.22為筒式應(yīng)變壓力傳感器。圖中(a)為結(jié)構(gòu)示意；(b)為材料取E和的厚底應(yīng)變筒；(c)為4片應(yīng)變計布片,工作應(yīng)變計R1、R3沿筒外壁周向粘貼，溫度補償應(yīng)變計R2、 R4貼在筒底外壁，并接成全橋。當應(yīng)變筒內(nèi)壁感受壓力P時，筒外壁的周向應(yīng)變?yōu)椋?2.6 電阻應(yīng)變計式傳感器,第2章 電阻應(yīng)變計式傳感器(Resistive Strain Gauge Sensors),圖2.22為筒式應(yīng)變壓力傳感器,2.6 電阻應(yīng)變計式傳感器,圖2.22 筒式應(yīng)變壓力傳感器 (a)結(jié)構(gòu)示意；(b)筒式彈性元件；(c)應(yīng)變計布片1插座；2基體；3溫度補償應(yīng)變計；4工作應(yīng)變計；5應(yīng)變筒 對厚壁筒,(2-39),

25、第2章 電阻應(yīng)變計式傳感器(Resistive Strain Gauge Sensors),2.6 電阻應(yīng)變計式傳感器,對薄壁筒,(2-40),第2章 電阻應(yīng)變計式傳感器(Resistive Strain Gauge Sensors),2.6 電阻應(yīng)變計式傳感器,組合式壓力傳感器則由受壓彈性元件(膜片、膜盒或波紋管)和應(yīng)變彈性元件(如各種梁)組合而成。前者承受壓力，后者粘貼應(yīng)變計。兩者之間通過傳力件傳遞壓力作用。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是受壓彈性元件能對流體高溫、腐蝕等影響起到隔離作用，使應(yīng)變計具有良好的工作環(huán)境。,第2章 電阻應(yīng)變計式傳感器(Resistive Strain Gauge Sensors),2.6 電阻應(yīng)變計式傳感器,3.位移傳感器 應(yīng)變式位移傳感器是把被測位移量轉(zhuǎn)變成彈性元件的變