第二章電阻式傳感器

1、第二章第二章 電阻式傳感器電阻式傳感器信息獲取技術(shù)主講教師：應(yīng)捷主講教師：應(yīng)捷辦公室：光電學(xué)院辦公室：光電學(xué)院309309Email: Email: 2主要內(nèi)容應(yīng)變式傳感器的工作原理應(yīng)變式傳感器的工作原理*應(yīng)變片的主要特性應(yīng)變片的主要特性*應(yīng)變式傳感器的轉(zhuǎn)換電路應(yīng)變式傳感器的轉(zhuǎn)換電路*應(yīng)變式傳感器的溫度誤差及補(bǔ)償應(yīng)變式傳感器的溫度誤差及補(bǔ)償*應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器壓阻式傳感器壓阻式傳感器*3第一節(jié) 應(yīng)變式傳感器非電量非電量應(yīng)變應(yīng)變電阻應(yīng)變片電阻應(yīng)變片彈性元件彈性元件電阻變化電阻變化電量電量傳感器傳感器一一. .金屬電阻應(yīng)變片的工作原理金屬電阻應(yīng)變片的工作原理1. 1. 工作原理工作原理導(dǎo)體的

2、導(dǎo)體的 應(yīng)變應(yīng)變電阻電阻 效應(yīng)效應(yīng)金屬絲伸長后幾何尺寸變化Strain gage transducerStrain gage transducer4dssldlsdsldR2ssllRR llllrrslR rrss2可得：可得：llRR21金屬應(yīng)變片工作原理5金屬絲應(yīng)變靈敏系數(shù)21210llRRK材料材料幾何幾何尺寸尺寸變化變化材料物理材料物理特性變化特性變化00KllKRR62、應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu)與測量原理 主要結(jié)構(gòu)參數(shù)：主要結(jié)構(gòu)參數(shù)：bl 基寬敏感柵長度基長,)(11,bl寬基底：長規(guī)格以使用面積和電阻值來表示：規(guī)格以使用面積和電阻值來表示：120,)103(2mmElectronic r

3、esistance strain gage (Electronic resistance strain gage (計量器計量器) )7應(yīng)變計金屬應(yīng)變片8 靈敏度高、精確度高；靈敏度高、精確度高； 尺寸小、重量輕，簡單尺寸小、重量輕，簡單; ; 測量范圍大；測量范圍大； 適應(yīng)性強(qiáng)；適應(yīng)性強(qiáng)； 便于多點(diǎn)測量便于多點(diǎn)測量; ; 頻率響應(yīng)特性好。頻率響應(yīng)特性好。金屬應(yīng)變片的優(yōu)點(diǎn)金屬應(yīng)變片的優(yōu)點(diǎn):測量原理測量原理:Ell)/(:mm應(yīng)變)(:N應(yīng)力)(:PaE 材料的彈性模量測量原理9二、金屬電阻應(yīng)變片的類型和材料絲式應(yīng)變片一般多用紙基，價格低、粘貼容易，但耐久性、耐濕性較差，橫向效應(yīng)大，在要求不高時

4、可用；要求：電阻系數(shù)高，電阻溫度系數(shù)小，強(qiáng)度高，延展性好，對銅的熱電勢盡可能小，耐磨耐腐蝕，焊接性好。常用材料：銅鎳合金類、銅錳合金類、鉑銥合金類、鎳鉻鋁合金等。(a)(b)(c)類型：金屬絲式、箔式、薄膜式類型：金屬絲式、箔式、薄膜式(1) (1) 絲式：金屬絲絲式：金屬絲 d=0.0120.05mmd=0.0120.05mm10幾種箔式應(yīng)變計(a)(b)(c)(d)(e)(f)(2) (2) 箔式：（厚膜）箔式：（厚膜） 膜厚膜厚 25um25um左右左右 光刻光刻箔式應(yīng)變片多用膠基，可用于150以下的中溫和常溫測試，它絕緣性能好，參數(shù)分散性小，精度高，在應(yīng)變測量中應(yīng)用最廣泛。11（3 3

5、）薄膜式：）薄膜式： 膜厚膜厚 0.1um 0.1um 沉積或真空蒸鍍沉積或真空蒸鍍 金屬膜式在玻璃或膠木基體上，用高溫蒸鍍或電鍍方法，涂覆一層金屬膜而制成。 優(yōu)點(diǎn)：溫度系數(shù)小，可在高溫環(huán)境下工作。 缺點(diǎn)：耐磨性差、功率小、阻值不高(1k2k)。12三、金屬應(yīng)變片的工作特性 1 1、靈敏系數(shù)：、靈敏系數(shù)：RRk/0kk 實驗表明：實驗表明：2 2、橫向效應(yīng)、橫向效應(yīng)直線段：軸向拉應(yīng)變直線段：軸向拉應(yīng)變 ，電阻值增大，電阻值增大x圓弧段：除存在軸向應(yīng)變外，還存在橫向負(fù)應(yīng)變圓弧段：除存在軸向應(yīng)變外，還存在橫向負(fù)應(yīng)變xy，造成電阻值減小，因而靈敏度減小。，造成電阻值減小，因而靈敏度減小。應(yīng)變片的靈敏

6、系數(shù)小于電阻絲的應(yīng)變片的靈敏系數(shù)小于電阻絲的靈敏系數(shù)。靈敏系數(shù)。133. 3.機(jī)械滯后機(jī)械滯后m原因：殘余變形原因：殘余變形4. 4.零漂和蠕變零漂和蠕變零漂：零漂：,(constT溫度）當(dāng) t，指示真實而0蠕變：蠕變：,(constT溫度）當(dāng) tconst，指示真實而機(jī)械滯后三、金屬應(yīng)變片的工作特性 145. 5.應(yīng)變極限和疲勞壽命應(yīng)變極限和疲勞壽命應(yīng)變極限應(yīng)變極限：表明應(yīng)變片在不超過規(guī)定非線性誤差（一般為：表明應(yīng)變片在不超過規(guī)定非線性誤差（一般為1010）時，所能經(jīng)受的最大真實應(yīng)變值。）時，所能經(jīng)受的最大真實應(yīng)變值。疲勞壽命疲勞壽命：在恒定幅值交變力的作用下，連續(xù)工作不產(chǎn)：在恒定幅值交變力

7、的作用下，連續(xù)工作不產(chǎn)生疲勞損壞的循環(huán)次數(shù)生疲勞損壞的循環(huán)次數(shù)N.N.應(yīng)變極限應(yīng)變極限三、金屬應(yīng)變片的工作特性 156 6、最大工作電流和絕緣電阻、最大工作電流和絕緣電阻最大工作電流：最大工作電流：允許通過應(yīng)變片而不影響其工作的最大電流值。允許通過應(yīng)變片而不影響其工作的最大電流值。靜態(tài)測量約取靜態(tài)測量約取25mA25mA絕緣電阻：應(yīng)變片引線和被測試件之間的電阻值絕緣電阻：應(yīng)變片引線和被測試件之間的電阻值要求：要求：MM100507 7、應(yīng)變片的電阻值、應(yīng)變片的電阻值應(yīng)變片未經(jīng)安裝、不受力、室溫下測得的電阻值應(yīng)變片未經(jīng)安裝、不受力、室溫下測得的電阻值目前常用的電阻系列有：目前常用的電阻系列有：6

8、060 、120120 、200200 、350350 、500500 、10001000 、15001500 等，其中以等，其中以120120 最常用。最常用。 三、金屬應(yīng)變片的工作特性 168. 8.動態(tài)特性動態(tài)特性sm/5000鋼材 測量變化頻率較高的動態(tài)應(yīng)變時，測量變化頻率較高的動態(tài)應(yīng)變時，應(yīng)變片反映敏感應(yīng)變片反映敏感柵長度內(nèi)的平均應(yīng)變。柵長度內(nèi)的平均應(yīng)變。 應(yīng)變波傳播速度應(yīng)變波傳播速度V=V=聲波，聲波，設(shè)某瞬間應(yīng)變設(shè)某瞬間應(yīng)變波傳播過程：波傳播過程：1 1）正弦輸入信號：）正弦輸入信號：三、金屬應(yīng)變片的工作特性 17 誤差曲線誤差曲線1202cos2cos2xxpllpsin01s

9、in00llp已知應(yīng)變波的傳播速度已知應(yīng)變波的傳播速度v v，誤，誤差情況取差情況取n=20n=20，可以確定，可以確定不不同應(yīng)變片的基長同應(yīng)變片的基長 l l 情況下的最情況下的最高工作頻率高工作頻率 f=v/nlf=v/nl令 =v/f2010lnn(%)18四.轉(zhuǎn)換電路( (一一) )直流電橋直流電橋平衡條件：R1 R4 =R2 R30oI則，不平衡時，求得負(fù)載電流：2143432143213241RRRRRRRRRRRRRRRRRUILo輸出電壓LooRIU 1. 1.一般情況一般情況19時，若LR43213241RRRRRRRRUUo當(dāng)電阻引起增量時 URRRRRRRRRRRRRRR

10、RUo4433221133224411設(shè)等臂電橋4321RRRRURRRRRRRRRRRRRRRUo432132413241222. 2.當(dāng)當(dāng) 時時LR時當(dāng)RR)(443210RRRRRRRRUU)(44321UK203. 3.單臂工作單臂工作URRRRRRRRU4332111103412RRRRnURRnnU11201UnnK21URRRRRRRU432114103412113141011RRRRRRURRRRU時當(dāng)RRi-n為橋臂比電壓靈敏度：時，若LR輸出電壓：21單臂工作的非線性誤差單臂工作的非線性誤差 11110001RRnRRUUUL1104RRUU4UK 112RRLn1時，K最

11、大。此時：式中U0為實際值，U0為近似值。n=1時，有：V VE ER1R1R2R2R4R4R3R3224. 4.兩臂差動工作兩臂差動工作433221111RRRRRRRRRUUo輸出靈敏度提高一倍，并有溫度補(bǔ)償作用。RRUUo2等臂時，時當(dāng)RR得：時，若LR23四臂差動四臂差動進(jìn)一步提高輸出靈敏度。RRUUo時，若LR等臂時，時當(dāng)RR)(443210RRRRRRRRUU得：24五、溫度誤差及補(bǔ)償（一）溫度誤差 1) 電阻溫度系數(shù)tRRtt2) 線膨脹系數(shù)不同，使電阻變化tKRRsgtt：電阻溫度系數(shù)g：試件膨脹系數(shù)s：敏感柵膨脹系數(shù)tKtRRsgtt251. 1. 自補(bǔ)償法自補(bǔ)償法(1 (1

12、）單絲）單絲)(sgtk（二）補(bǔ)償方法t與退火溫度的關(guān)系曲線26常用材料的膨脹系數(shù)材料材料 g g t t=-2(=-2( g g - - s s) )鋼鋼11111010-6 -68 81010-6 -6杜拉鋁杜拉鋁22221010-6 -6-14-141010-6 -6不銹鋼不銹鋼14141010-6 -62 21010-6 -6鈦合金鈦合金8 81010-6 -614141010-6 -6杜拉鋁 duralumin：鋁（90%以上）與銅（約4%）、少量 鎂和錳的合金27(2)(2)雙絲串接雙絲串接tbtaRRBbtbataRRRRR(a) 材料的電阻溫度系數(shù) 符號不同(b) 材料的電阻溫

13、度系數(shù) 符號相同282、電路補(bǔ)償法(2)直接補(bǔ)償如圖應(yīng)變片直接粘貼在試件上下兩側(cè)(3)熱敏電阻R1工作應(yīng)變片，安裝在被測試件上；RB補(bǔ)償應(yīng)變片，安裝在補(bǔ)償塊上，與被測試件溫度相同，但不承受應(yīng)變。(1)采用溫度補(bǔ)償應(yīng)變片29六. 應(yīng)變式傳感器（一）應(yīng)變式傳感器的組成應(yīng)變片粘貼1.受力構(gòu)件2.彈性元件彈性元件設(shè)計主要要求：靈敏度高，剛度夠足，線性好，固有振動頻率高（二）電阻應(yīng)變式力傳感器測量范圍廣：N721010精度高：FSFS%05. 0%03. 0線性好；工作性能穩(wěn)定、可靠30 其彈性元件如圖應(yīng)變片粘貼處要大的曲率半徑或平面，以保證粘貼質(zhì)量。傳感器對稱布片，縱橫向貼片，并用橋路連接方式作用：減

14、小橫向力和彎矩的影響，并溫度補(bǔ)償且提高靈敏度。1.柱式力傳感器額定載荷：10t50 t 31R2R3R1R4F受力圖 貼片示意圖柱式力傳感器示例t4t1t2t3應(yīng)變的大?。篟1（R4)R2（R3)43214KUUio傳感器所受應(yīng)變與輸出電壓成正比關(guān)系。傳感器所受應(yīng)變與輸出電壓成正比關(guān)系。12124ii0KUKUU輸出電壓的大小：輸出電壓的大?。篟1R2R3R4UoUi因為：得：電橋電路圖332、梁式應(yīng)變力傳感器（b）等截面粱（a）等強(qiáng)度粱34等強(qiáng)度梁：梁厚為h，梁長為l，固定端寬為b0，自由端寬為b。其表面應(yīng)變?yōu)椋?等強(qiáng)度梁式應(yīng)變力傳感器35（三）應(yīng)變式壓力傳感器1.膜片膜片式壓力傳感器徑向應(yīng)

15、力2223183xrhpr切向應(yīng)力22231183xrhpt膜片上各點(diǎn)的應(yīng)力與壓力p的關(guān)系式：x：計算點(diǎn)半徑r：膜片半徑h：膜厚：泊松系數(shù)36 機(jī)床液壓系統(tǒng)的壓力（106107Pa），槍炮的膛內(nèi)壓力（108Pa），動態(tài)特性和靈敏度主要由材料的E值和尺寸決定 37（四）電阻應(yīng)變式加速度傳感器原理圖201axm(1) (1) 質(zhì)量塊位移與加速度成正比線性關(guān)系；質(zhì)量塊位移與加速度成正比線性關(guān)系；(2)(2)固有頻率固有頻率 越大，傳感器靈越大，傳感器靈敏度愈低，適于低頻測量；敏度愈低，適于低頻測量；mko(3)(3)固有頻率愈高，測量頻率范圍愈寬。固有頻率愈高，測量頻率范圍愈寬。質(zhì)量塊質(zhì)量塊應(yīng)變片應(yīng)

16、變片懸臂梁懸臂梁硅油硅油阻尼液阻尼液38舉例：電阻應(yīng)變式稱重計39舉例：電阻應(yīng)變式稱重計40舉例：電阻應(yīng)變式稱重計41實例：振動式地音入侵探測器實例：振動式地音入侵探測器 適合于金庫、倉庫、古建筑的防范，挖墻、打適合于金庫、倉庫、古建筑的防范，挖墻、打洞、爆破等破壞行為均可及時發(fā)現(xiàn)。洞、爆破等破壞行為均可及時發(fā)現(xiàn)。 電阻式傳感器42應(yīng)變式力傳感器的應(yīng)用-電子皮帶秤43第二節(jié) 壓阻式傳感器EllRR21為壓阻系數(shù)固體受到作用力后，電阻率發(fā)生變化，這種效應(yīng)稱為壓阻效應(yīng)。一一. . 壓阻效應(yīng)：壓阻效應(yīng)：半導(dǎo)體應(yīng)變片靈敏系數(shù)高，機(jī)械滯后和蠕變小，頻率響應(yīng)好；但參數(shù)離散度大，溫度影響大，線性范圍小。半導(dǎo)體應(yīng)變計多用于測量小的應(yīng)變。441. 1. 晶向晶向二. 影響壓阻系數(shù)的因素 根據(jù)外界應(yīng)力相對晶軸的方向，分為縱向應(yīng)力和橫向應(yīng)力，當(dāng)半導(dǎo)體同時受到兩向應(yīng)力作用時： ttLLRR45表1 硅壓阻系數(shù)的典型數(shù)據(jù) 46壓阻系數(shù)與表面雜質(zhì)的濃度的關(guān)系 2.擴(kuò)散雜質(zhì)的表面濃度 壓阻系數(shù)隨擴(kuò)散雜質(zhì)濃度的增加而減小，表面雜質(zhì)濃度相同時，P型硅的壓阻系數(shù)值比N型硅的(絕對)值高。 473. 環(huán)境溫度壓阻系數(shù)與溫度的關(guān)系 48三.壓阻式力傳感器 低壓腔低壓腔高壓腔高壓腔硅膜片硅膜片引線引線硅杯硅杯ttLLRR徑向應(yīng)力2223183rrhpor切向應(yīng)力2223