電阻應變式傳感器的原理與應用

1、- -?？飘厴I(yè)論文設計題目：電阻應變式傳感器的原理與應用系 院：電子工程系學生XX：王宇鵬學 號：0861520226專 業(yè)：應用電子年 級：3年級完成日期：11月29日 指導教師：樊翠玲電阻應變式傳感器設計原理與應用電阻應變式傳感器概述 以電阻應變計為轉換元件的電阻式傳感器。電阻應變式傳感器由彈性敏感元件、電阻應變計、補償電阻和外殼組成，可根據具體測量要求設計成多種構造形式。彈性敏感元件受到所測量的力而產生變形，并使附著其上的電阻應變計一起變形。電阻應變計再將變形轉換為電阻值的變化，從而可以測量力、壓力、扭矩、位移、加速度和溫度等多種物理量。常用的電阻應變式傳感器有應變式測力傳感器、應變式壓

2、力傳感器、應變式扭矩傳感器見轉矩傳感器、應變式位移傳感器見位移傳感器、應變式加速度傳感器見加速度計和測溫應變計等。電阻應變式傳感器的優(yōu)點是精度高，測量范圍廣,壽命長,構造簡單，頻響特性好，能在惡劣條件下工作，易于實現小型化、整體化和品種多樣化等。它的缺點是對于大應變有較大的非線性、輸出信號較弱，但可采取一定的補償措施。因此它廣泛應用于自動測試和控制技術中。電阻應變式傳感器傳感器中的電阻應變片具有金屬的應變效應，即在外力作用下產生機械形變，從而使電阻值隨之發(fā)生相應的變化。電阻應變片主要有金屬和半導體兩類，金屬應變片有金屬絲式、箔式、薄膜式之分。半導體應變片具有靈敏度高通常是絲式、箔式的幾十倍、橫

3、向效應小等優(yōu)點。關鍵詞：應變片； 電阻； 組橋方式； 誤差補償 目錄電阻應變式稱重傳感器原理 一、電阻應變片 二、彈性體 三、檢測電路 稱重傳感器的選擇 應變片的粘貼技術 電阻應變片選用方法與原那么 應變片的組橋方式溫度補償電阻應變式稱重傳感器原理電阻應變式稱重傳感器是基于這樣一個原理：彈性體彈性元件，敏感梁在外力作用下產生彈性變形，使粘貼在他外表的電阻應變片轉換元件也隨同產生變形，電阻應變片2變形后，它的阻值將發(fā)生變化增大或減小，再經相應的測量電路把這一電阻變化轉換為電信號電壓或電流，從而完成了將外力變換為電信號的過程。 由此可見，電阻應變片、彈性體和檢測電路是電阻應變式稱重傳感器中不可缺少

4、的幾個主要局部。下面就這三方面簡要論述。電阻應變片是把一根電阻絲機械的分布在一塊有機材料制成的基底上，即成為一片應變片。他的一個重要參數是靈敏系數K。我們來介紹一下它的意義。設有一個金屬電阻絲，其長度為L，橫截面是半徑為r的圓形，其面積記作S，其電阻率記作，這種材料的泊松系數是。當這根電阻絲未受外力作用時，它的電阻值為R：R = L/S 21當他的兩端受F力作用時，將會伸長，也就是說產生變形。設其伸長L，其橫截面積那么縮小，即它的截面圓半徑減少r。此外，還可用實驗證明，此金屬電阻絲在變形后，電阻率也會有所改變，記作。對式2-1求全微分，即求出電阻絲伸長后，他的電阻值改變了多少。我們有：R =

5、L/S + L/S SL/S2 22用式2-1去除式2-2得到R/R = / + L/L S/S 23另外，我們知道導線的橫截面積S = r2，那么 s = 2r*r，所以S/S = 2r/r 24從材料力學我們知道r/r = -L/L 25其中，負號表示伸長時，半徑方向是縮小的。是表示材料橫向效應泊松系數。把式2425代入2-3，有R/R = / + L/L + 2L/L=1 + 2/L/L*L/L= K *L/L 2-6其中K = 1 + 2 +/L/L -式2-6說明了電阻應變片的電阻變化率電阻相對變化和電阻絲伸長率長度相對變化之間的關系。需要說明的是：靈敏度系數K值的大小是由制作金屬電

6、阻絲材料的性質決定的一個常數，它和應變片的形狀、尺寸大小無關，不同的材料的K值一般在1.73.6之間；其次K值是一個無因次量，即它沒有量綱。在材料力學中L/L稱作為應變，記作，用它來表示彈性往往顯得太大，很不方便常常把它的百萬分之一作為單位，記作。這樣，式-常寫作：R/R = K (28)二、彈性體彈性體是一個有特殊形狀的構造件。它的功能有兩個，首先是它承受稱重傳感器所受的外力，對外力產生反作用力，到達相對靜平衡；其次，它要產生一個高品質的應變場區(qū)，使粘貼在此區(qū)的電阻應變片比較理想的完成應變棗電信號的轉換任務。以托利多公司的SB系列稱重傳感器的彈性體為例，來介紹一下其中的應力分布。設有一帶有肓

7、孔的長方體懸臂梁。肓孔底部中心是承受純剪應力，但其上、下局部將會出現拉伸和壓縮應力。主應力方向一為拉神，一為壓縮，假設把應變片貼在這里，那么應變片上半部將受拉伸而阻值增加，而應變片的下半部將受壓縮，阻值減少。下面列出肓孔底部中心點的應變表達式，而不再推導。 = 3Q1+/2Eb*BH2-h2+bh2/ BH3-h3+bh3 2-9其中：Q-截面上的剪力；E-揚氏模量：泊松系數；B、b、H、h為梁的幾何尺寸。需要說明的是，上面分析的應力狀態(tài)均是“局部情況，而應變片實際感受的是“平均狀態(tài)。三、檢測電路檢測電路的功能是把電阻應變片的電阻變化轉變?yōu)殡妷狠敵觥Ｒ驗榛菟沟请姌蚓哂泻芏鄡?yōu)點，如可以抑制溫度變

8、化的影響，可以抑制側向力干擾，可以比較方便的解決稱重傳感器的補償問題等，所以惠斯登電橋在稱重傳感器中得到了廣泛的應用。因為全橋式等臂電橋的靈敏度最高，各臂參數一致，各種干擾的影響容易相互抵銷，所以稱重傳感器均采用全橋式等臂電橋。稱重傳感器的選擇：TR系列TR 系列GEFRAN稱重傳感器用于測量在機械引導滾筒上的上經常用來纏繞用的X力塑料膜或膠帶的X力。它可以安裝在機械底盤上的固定和傳送軸上，它對末端軸所起到的作用是一個壓力敏感元件和負載的功能。它可以用于固定和旋轉兩種軸上。TR 系列傳感器可與固定的，4 M6 螺紋或中心螺紋是與M10或M12 的適配法蘭一起供貨。主要特征：􀁺

9、 測量范圍為從 100N 到 2KN􀁺 精度等級：0.5%􀁺 抗腐蝕􀁺 內部形成的校準信號􀁺 最小靈敏度軸線方向是從固定孔開場的35 度。􀁺 保護等級：IP65DIN40050􀁺 形成過載保護TC系列TC 系列負載單元是X力測量傳感器，它常用于靜態(tài)測量和動態(tài)測量，壓縮形式，具有較好的精度。它的機械局部是由一整塊的金屬局部組成，所以這個根本的測量元件和它的外殼局部沒有焊接過程，從而使尺寸更小，并且加強了保護等級，這種點部測量的構造，具有8 個X力測量，減少因負載的不完善的應用帶來的誤差。并

10、聯的稱重元件的典型應用是：貯藏箱、加料斗、大的稱重平臺。不銹鋼構造適合于石油化學和化學工業(yè)中攻擊性環(huán)境的應用。主要特征：􀁺 測量范圍為從 100 到 20.000Kg􀁺 精度等級：0.2%􀁺 全部不銹鋼構造􀁺 抗腐蝕􀁺 內部形成的校準信號􀁺 保護等級：IP67DIN40050TU系列TU 系列負載單元是X力測量傳感器，它常用于靜態(tài)測量和動態(tài)測量，壓縮形式，具有較好的精度。所有變送器的每個負載單元質塊Kg經過校準。TU 系列準負載從50Kg 到1 噸的均可供貨。這種型號具有IP67 的保護

11、等級，所以它可以用來使用到一些具有危險的化學工業(yè)中，它的機械局部是由一整塊的金屬局部組成，所以沒有焊接過程。這意味著它可以高度防止機械沖擊和振動。這種致密的尺寸意味著這些單元可以使它放置在難于進入和空間較小的位置。主要特征：􀁺 測量范圍為從 50 到 1000Kg􀁺 精度等級：0.2%􀁺 全部不銹鋼構造􀁺 抗腐蝕􀁺 保護等級：IP67DIN40050􀁺應變片的粘貼技術在電測技術中，應變片粘貼質量的優(yōu)劣對測量的可靠性影響很大，是一個非常關鍵性的環(huán)節(jié)，必須予以注意為提高電測結果的準確性，我們

12、應在應變片的粘貼過程中做到認真操作，一絲不茍應變片的種類很多，有金箔式、絲式、薄膜式、半導體式鑒于目前在電測實驗中較為常用的電阻應片是金箔式應變片(以下簡稱箔式應變片)，下面我們就以箔式電阻應變片為例，談一談電測應力實驗中應變片的粘貼技巧箔式應變片是用厚變?yōu)?0o3001mm 的康銅或鎳鉻箔片借光刻和腐蝕工藝制作成柵狀，它由電阻絲、基片和引出線三大局部組成(如圖1)這種應變片由于其具有線條均勻、靈敏度分散性小，測試范圍廣等優(yōu)點，故而得到廣泛應用在做電測實驗之前，我們面臨的第一個問題是如何選擇正確的應變片由于箔式應變片的主要參數指標有：應變片的幾何尺寸(包括敏感柵基長、應變片基底長、敏感 柵基寬

13、、應變片基底寬)、名義阻值、靈敏度系數、允許電流、線性度、滯后、零漂、極限應變等，能否正確選擇適當正確的應變片將直接影響到電測法的測試結 果為合理選用應變片，我們應對其性能作一些了解一般而言，大尺寸的應變片，能感受較多的平均應變量，有利于測量精度的提高；小尺寸的應變片，雖然感受 平均應變量較少，但能較好地反映出“點的應力，所以對于應變片尺寸的選擇，應根據構件受力后的應力分布情況和構件自身相關尺寸來決定在選好應變片準備粘貼之前，我們應對應變片作嚴格仔細地檢查，檢查的內容包括：(1)應變片的外形檢查，即檢查應變片是否存在斷路、短路現象、片中各部位是否有損傷、折斷發(fā)生、片內是否夾有氣泡或霉變現象等等

14、(2)應變片電阻值的檢測為保證使用的應變片的電阻誤差不超過允許范圍(這個范圍通常在±05Q)，可事先用精度較高的歐姆表或采用直流電橋對其進展檢測，以免因同組使用的應變片的阻值誤差太大而造成測量結果欠準(3) 檢查應變片上是否標有中心線假設無，那么應在其基蓋上補畫出縱、橫線條，這樣可方便粘貼應變片與此同時，被測試件的外表上應劃出定位線。以確保應變片的粘 貼到位假設被測試件的外表質量不高，將會影響應變片的粘貼，為此，我們應用刮刀或銼刀去除被測點處的氧化皮及污垢，然后用細砂皮紙在試件粘貼部位(一般應 大于應變片面積35倍左右的外表)進展打磨，沿貼片方向打出45。穿插紋，以保證外表的足夠光滑

15、，最后用劃針在被測點處進展畫線，從而保證應變片能結實 順利地粘貼粘貼應變片前，還需用脫脂棉球蘸上清潔溶劑，如丙酮、無水酒精、四氯化碳等溶劑擦洗被測點處的油污，直至棉球上無明顯油漬為止，且注 意此時勿用手觸摸清洗后的外表然后在應變片的粘貼面處涂上薄薄一層膠水，如KH501、KH502膠，一般宜薄不宜厚將應變片的方位線對準事先在試件 上的劃線，此時應密切注意應變片的方位線與試件的劃線是否重合，這時可在應變片上蓋上一層透明紙(或臘紙)，一一只手捏住應變片的引出線，另一只手的手指 反復輕輕滾壓透明紙外表，以便將里面多余的膠水和氣泡擠出滾壓應變片時切記不能垂直用力，不能產生滑動或轉動，待膠水和氣泡被完全

16、擠出后，還應保持手指 不動約一分鐘左右當然也可以在試件外表蓋上一層玻璃紙，然后墊上一塊硅皮，用夾具或平整的壓塊輕壓應變片的粘貼處，這些做法的目的均是為了保證應變片在 粘貼過程中不發(fā)生錯移，保證其方位線與被測試件測試點處的定位線完全重合粘貼后的應變片可讓其在室溫中自然枯燥15至24h為節(jié)省時間，也可在自然枯燥數小時后，用紅外線燈進展烘烤，但溫度應控制在不超過40。80。范圍假設一開場就烘烤，那么應變片敏感柵材料的電阻系數將會隨溫度的驟然變化而改變，這對于后面的測試工作不利上述工作完成后，還應對應變片的粘貼質量進展檢查，例如可通過放大鏡觀察應變片粘貼位置和方位角是否準確，粘貼外表有無氣泡，應變片是

17、否粘貼結實；用萬用表 測量應變片有無斷路、短路現象假設無異常，那么再用低壓變阻表測量應變片的引出線和金屬試件之間的絕緣電阻是否符合要求。這一阻值通常應到達100M歐以上 才可作用接下來，我們在應變片的引出線附近粘貼一片接線端子，同時在引出線下面粘貼一層絕緣膠布。此舉意在保證引出線焊點處的絕緣此后將測量 導線的一端靠近應變片的引出線，在測量導線焊接端去皮約3mm 并涂上焊錫后，用電烙鐵將應變片引出線與測量導線進展錫焊接時要快且準，以免產生氧化物而影響焊點質量應變片接好導線后應立即在應變片的焊接 端子處涂上一層防護層，以對其進展防濕、防潮、防老化處理，從而延長其使用壽命短期防護可采用凡士林作防護劑

18、，長期防護可采用密封性好的防護劑。如環(huán)氧 樹脂、氯丁橡膠、硅橡膠密封劑等目前，最方便的是用南大化工廠生產的“703和“705膠電阻應變片選用方法與原那么(一)應變片構造形式的選擇根據應變測量的目的、被測試件的材料和其應力狀態(tài)以及測量精度，選擇應變片的形式，對于測試點應力狀態(tài)是一維應力的構造可以選用單軸應變片，已經知道主應力方向的二維應力構造，可以使用直角應變花，并使其中一條應變柵與主應力方向一致，如主應力方向未知就必須使用三柵或四柵的應變花。對于傳感器設計來說應變片的形式主要決定于彈性體的構造，如柱式、板環(huán)、雙孔平行梁等彈性體，他們采樣正應力或彎曲應力，所以應變片均采用單軸應變片，如金鐘公司生

19、產的BA3502AA系列。另外象剪切橋式、輪輻式、剪切懸臂式、三梁剪切式彈性體一般使用雙軸45。應變片，如金鐘公司生產的BA3502HA系列。平膜片壓力傳感器多采用全橋圓形應變片，根據絲柵局部的外徑分規(guī)格，目前金鐘公司生產的主要有7、8、10三個規(guī)格的BA350一()KA系列應變片。(二)應變片尺寸的選擇選擇應變片尺寸時應考慮應力分布、動靜態(tài)測量、彈性體應變區(qū)大小等因素。假設材質均勻、應力梯度大，應選用柵長小的應變片，假設材質不均勻而強度不等的材料(如混凝土)或應力分布變化比較緩慢的構件，應選用柵長大的應變片。對于沖擊載荷或高頻動荷作用下的應變測量還要考慮應變片的響應頻率。一般來說，應變片絲柵

20、越小，測量精度越高，越能正確反映出被測量點的真實應變，因此，在加工精度可以保證的情況下，綜合考慮各種因素影響，應變片的柵長小一些比大一些好。(三)電阻值的選擇國家標準中電阻應變片的阻值規(guī)定為60、120、200、350、500、1000Q，目前傳感器生產中大多項選擇用350Q的應變片，但是由于大阻值應變片具有通過電流小、自熱引起的溫升低、持續(xù)工作時間長、動態(tài)測量信噪比高等優(yōu)點，大阻值應變片應用越來越廣。目前金鐘公司已經掌握了制作2500Q大阻值應變片的技術，該BA25004AA系列應變片已經應用在超市購物車傳感器上，取得很好的效果。并且大阻值應變片在測力應用范圍特別是材料試驗機用的負荷傳感器，

21、由于傳感器的零漂特性，對測量精度影響極大，而高阻值(如1000Q)應變片，不僅可以減小應變焦耳熱引起的零漂，提高傳感器的長期穩(wěn)定性，而且在要求高分辨率的電子天平中應用也是非常有利的。因此，在不考慮價格因素的前提下，使用大阻值應變片對提高傳感器精度是有益的。(四)使用溫度的選擇使用環(huán)境溫度對應變片的影響很大，應根據使用溫度選用不同絲柵材料的應變片國家標準中規(guī)定的常溫應變片使用溫度為一3060。一般康銅合金的最高使用溫度為300，卡瑪合金為450鐵鎳鋁合金可以到達7001000cC。常溫應變片一般采用康銅制造，在應變片型號中省略使用溫度。如果需要高溫應變片應在訂貨時說明使用溫度，以便廠家提供適宜的

22、應變片。由于基底材料和粘接膠的限制，目前中溫箔式電阻應變片一般都使用卡瑪合金制作200250c|c左右的中溫應變片，金鐘公司生產的BA3502HA(250)系列中溫應變片，根本上可以滿足鋼鐵行業(yè)的高溫測量要求，并且質量穩(wěn)定精度較高。(五)蠕變的選擇傳感器一般由彈性體、應變片、粘接劑、保護層等局部組成，彈性體金屬材料本身存在的彈性后效、以及熱處理工藝等原因可以造成傳感器的正蠕變現象，而粘接劑、基底材質可以造成負蠕變影響，因此傳感器的蠕變指標是由各種因素綜合作用最終形成的。在上述因素中對于某一傳感器生產廠家，許多的因素都是相對固定的。一般不會有很大改變，因此應變片生產廠家都通過應變片的圖形設計、工

23、藝控制來制造出蠕變不同的系列應變片供用戶選用。每一個傳感器生產廠由于原材料、粘接劑、貼片、固化工藝的不同，在應變片選型時，必須進展蠕變匹配試驗。一般規(guī)律是同一種構造形式的傳感器量程越小，傳感器的蠕變越正應該選用蠕變補償序號更負的應變片來與之匹配。 應變片的組橋方式電橋工作原理 應變儀測量電路的作用，就是把電阻片的電阻變化率R/ R轉換成電壓輸出，然后提供給放大電路放大后進展測量。測量電路有多種，最常用的是橋式測量電路。R1、R2、R3、R4四個電阻依次接在A、B、C、D 或1、2、3、4之間，構成電橋的四橋臂。電橋的對角AC接電源，電源電壓為E；對角BD 為電橋的輸出端，其輸出電壓用UDB表示

24、?？梢宰C明UDB與橋臂電阻有如下關系：UDB = E 假設4個橋臂電阻由貼在構件上的4枚電阻片組成，而且初始電阻R1 = R2 = R3 = R4，當輸出電壓UDB = 0時，電橋處于平衡狀態(tài)。構件變形時，各電阻的變化量分別為R1、R2、R3、R4。輸出電壓的相應變化為：UDB+UDB = E( )在小應變 >>1的條件下，可以證明橋路輸出電壓為：UDB =+如果R僅由機械變形引起、與溫度影響無關，而且4枚電阻片的靈敏系數Ks相等時，根據 ，可以寫成：UDB = Ks1234如果供橋電壓E不變，那么構件變形引起的電壓輸出UDB 與4個橋臂的應變值1、2、3、4成線性關系。式中各是代

25、數值，其符號由變形方向決定。一般拉應變?yōu)?quot;正"、壓應變?yōu)?quot;負"。根據這一特性：相鄰兩橋臂的1、3或 2、4符號一致時，兩應變相抵消；如符號相反，那么兩應變的絕對值相加。相對兩橋臂的 1 、2或 3、4符號一致時，兩應變的絕對值相加；如符號相反，那么兩應變相抵消。實驗如果能很好地利用電橋的這一特性，合理布片、靈活組橋，將直接影響電橋輸出電壓的大小，從而有效地提高測量靈敏度、并減少測量誤差。這種作用稱做橋路的加減特性。電阻應變儀是測量應變的專用儀器，橋路輸出電壓UDB的大小，是按應變直接標定來顯示的。因此與UDB對應的應變值儀儀可由應變儀直接讀出來。2.2.

26、2 組橋方式一般貼在構件上參與機械變形的電阻片稱做工作片，在不考慮溫度影響的前提下，應變片接入各橋臂的組橋方式不同、與工作片相應的輸出電壓也不同。幾種典型的組橋方式如下：單臂測量只有一枚工作片R1接在AB橋臂上。其它3個橋臂的電阻片都不參與變形應變e為零。這時電橋的輸出電壓為：UDB =Ks1單臂測量的結果UDB代表被測點的真實工作應變。半橋測量 兩枚工作片R1、 R2分別接在相鄰兩個橋臂AB、BC上。其它兩個橋臂是應變儀的內接電阻。這時電橋的輸出電壓為：UDB = =Ks12對臂測量 兩枚工作片R1、 R3分別接在對臂AB、CD上。溫度補償片R2、 R4分別接在其它兩對臂BC、AD上。這時：UDB =+=Ks13兩枚串聯的工作片2R接AB臂。而兩枚串聯的溫度補償片2R接BC臂。其他兩個橋臂接儀器的內接電阻這時：UDB=工作片串聯后R1 = 2R，同樣R1= 2R ，因此UDB的測量結果不變，與兩枚阻片電阻變化率的平均值成正比。圖表1典型的