傳感器5-6-7-2.1-應變式傳感器

1、Sensor & Detecting Technology主要內(nèi)容2.1 應變式傳感器2.2 壓阻式傳感器第二章 電阻式傳感器原理與應用第2章 電阻式傳感器原理與應用1. 應變式傳感器2. 壓阻式傳感器3. 熱電阻式傳感器（溫度檢測）電阻式傳感器的基本原理是將被測的非電量轉變成電阻值，通過測量電阻值達到測量非電量的目的。主要用途：形變、壓力、力、位移、加速度、溫度等。電子秤 磅秤超市打印秤遠距離顯示2.1 應變式傳感器人體秤 2.1 應變式傳感器2.1 應變式傳感器2.1.1 工作原理2.1.2 電阻應變片的主要特性2.1.3 測量電路2.1.4 應變式傳感器應用2.1 應變式傳感器電阻應變式

2、傳感器由彈性元件和電阻應變片構成。金屬電阻應變片半導體應變片工作原理當彈性元件感受被測物理量時，其表面產(chǎn)生應力，粘貼在彈性元件表面的電阻應變片的電阻值將隨著彈性元件的應變而相應變化，測量電阻應變片的電阻值變化，來測量非電量根據(jù)應變片的材料不同，可分為兩種：2.1.1工作原理（一）應變效應（二）電阻絲的靈敏系數(shù)（三）應變片的結構和種類+- DC +6V +R A 實驗一因為：金屬導體或半導體的電阻與其電阻率及幾何尺寸（長度、面積）有關，當其受到外力作用時，這些參數(shù)發(fā)生變化，因而引起其電阻值變化，進而引起電流的變化。原理：金屬導體或半導體在受到外力作用時，會產(chǎn)生相應的應變，其電阻也將隨之發(fā)生變化。

3、K電流施加力FK接通時安培表指示安培表變化?2.1.1 工作原理2.1 應變式傳感器應變效應導體或半導體材料在外界力的作用下產(chǎn)生機械變形時，其電阻值相應發(fā)生變化。求R的全微分2.1.1 工作原理稱為泊松比 2.1 應變式傳感器對于半徑為r的圓導體S=r2，S/S=2r/r由材料力學可知，在彈性范圍內(nèi)， 為導體的縱向應變，其數(shù)值一般很小，常以微應變度量；為電阻絲材料的泊松比，一般金屬=0.30.5；為壓阻系數(shù)，與材質(zhì)有關；為應力值；E為材料的彈性模量。 縱向應變電阻絲材料的泊松比壓阻系數(shù)應力值彈性模量2.1.1 工作原理2.1 應變式傳感器材料的幾何尺寸變化引起的電阻的相對變化量材料的電阻率隨應

4、變引起的電阻的相對變化量金屬材料：前者半導體材料：后者電阻絲的靈敏系數(shù)：單位應變所引起的電阻值相對變化。2.1.1 工作原理2.1 應變式傳感器應變片的結構與種類 金屬絲式應變片 金屬箔式應變片 金屬薄膜式應變片 2.1.1 工作原理2.1 應變式傳感器金屬絲式應變片2.1.1 工作原理2.1 應變式傳感器金屬絲式應變片0.025mm電阻絲-柵狀電阻體-(敏感柵：金屬細絲繞成柵形)基片中間介質(zhì)和絕緣作用，保持敏感柵、引線的幾何形狀和相對位置。覆蓋層：保護敏感柵引出線與外部電路相連:連接測量導線之用 構成的應變片再通過黏結劑與感受被測物理量的彈性體黏結。2.1.1 工作原理2.1 應變式傳感器對

5、于金屬電阻應變片，材料電阻率隨應變產(chǎn)生的變化很小，可忽略 應變片電阻的相對變化與應變片縱向應變成正比， 并且對同一電阻材料， K0=1+2是常數(shù)。其靈敏度系數(shù)多在1.73.6之間。 2.1.1 工作原理2.1 應變式傳感器金屬箔式應變片 電阻敏感元件不是金屬絲柵在絕緣基底上，將厚度為0.0010.01mm電阻箔材，利用照相制板或光刻腐蝕的方法，制成適用于各種需要的形狀。箔式應變片 2.1.1 工作原理2.1 應變式傳感器優(yōu)點：（1）尺寸準確，線條均勻，適應不同的測量要求。（2）可制成多種復雜形狀尺寸準確的敏感柵。 （3）與被測試件接觸面積大，粘結性能好。 散熱條件好，允許電流大，靈敏度提高。（

6、4）橫向效應可以忽略。（5）機械滯后小，疲勞壽命長。 2.1.2 電阻應變片的特性（一）應變片的電阻值（二）靈敏系數(shù)（三）橫向效應（四）溫度誤差及其補償2.1 應變式傳感器（一）應變片的電阻值 R應變片在未經(jīng)安裝也不受外力情況下，于室溫下測得的電阻值。 電阻系列：60、120、200、350、500、1000。 可以加大應變片承受電壓， 電阻值大 輸出信號大， 敏感柵尺寸也增大 2.1.2 電阻應變片的特性2.1 應變式傳感器定義K=(R/R)/為應變片的靈敏系數(shù)。它表示安裝在被測試件上的應變片在其軸向受到單向應力時，引起的電阻相對變化(R/R)與其單向應力引起的試件表面軸向應變()之比。注：

7、應變片靈敏系數(shù)不等于其敏感柵整長應變絲的靈敏系數(shù)這是因為在單向應力產(chǎn)生應變時，應變片的靈敏系數(shù)除受到敏感柵結構形狀、成型工藝、粘結劑和基底性能的影響外，尤其受到柵端圓弧部分橫向效應的影響。（二）靈敏系數(shù)2.1.2 電阻應變片的特性2.1 應變式傳感器 （三）橫向效應應變片的敏感柵是由多條直線和圓弧部分組成（橫柵）直線段：沿縱向拉應變x，電阻圓弧段：沿橫向壓應變y 電阻 Klyxy2.1.2 電阻應變片的特性2.1 應變式傳感器金屬應變片由于敏感柵的兩端為半圓弧形的橫柵，測量應變時，構件的軸向應變使敏感柵電阻發(fā)生變化，其橫向應變r也將使敏感柵半圓弧部分的電阻發(fā)生變化(除了起作用外)，應變片的這種

8、既受軸向應變影響，又受橫向應變影響而引起電阻變化的現(xiàn)象稱為橫向效應。（三）橫向效應2.1.2 電阻應變片的特性2.1 應變式傳感器 應變片的橫柵部分將縱向絲柵部分的電阻變化抵消了一部分，從而降低了整個電阻應變片的靈敏度，帶來測量誤差，其大小與敏感柵的構造及尺寸有關。敏感柵的縱柵愈窄、愈長，而橫柵愈寬、愈短，則橫向效應的影響愈小。2.1.2 電阻應變片的特性2.1 應變式傳感器機械滯后 應變片粘貼在被測試件上，當溫度恒定時，其加載特性與卸載特性不重合，即為機械滯后。 產(chǎn)生原因：應變片在承受機械應變后，其內(nèi)部會產(chǎn)生殘余變形，使敏感柵電阻發(fā)生少量不可逆變化；在制造或粘貼應變片時，如果敏感柵受到不適當

9、的變形或者粘結劑固化不充分。 機械滯后值還與應變片所承受的應變量有關。所以，通常在實驗之前應將試件預先加、卸載若干次，以減少因機械滯后所產(chǎn)生的實驗誤差。1機械應變卸載加載指示應變i補充概念2.1 應變式傳感器零點漂移和蠕變對于粘貼好的應變片，當溫度恒定時，不承受應變時，其電阻值隨時間增加而變化的特性，稱為應變片的零點漂移。產(chǎn)生原因：敏感柵通電后的溫度效應；應變片的內(nèi)應力逐漸變化；粘結劑固化不充分等。 如果在一定溫度下，使應變片承受恒定的機械應變，其電阻值隨時間增加而變化的特性稱為蠕變。一般蠕變的方向與原應變量的方向相反。產(chǎn)生原因：由于膠層之間發(fā)生“滑動”，使力傳到敏感柵的應變量逐漸減少。這是兩

10、項衡量應變片特性對時間穩(wěn)定性的指標，在長時間測量中其意義更為突出。補充概念2.1 應變式傳感器溫度誤差用作測量應變的金屬應變片，希望其阻值僅隨應變變化，而不受其它因素的影響。實際上應變片的阻值受環(huán)境溫度(包括被測試件的溫度)影響很大。由于環(huán)境溫度變化引起的電阻變化與試件（彈性元件）應變所造成的電阻變化幾乎有相同的數(shù)量級，從而產(chǎn)生很大的測量誤差，稱為應變片的溫度誤差，又稱熱輸出。（四）溫度誤差及其補償 2.1.2 電阻應變片的特性2.1 應變式傳感器1、電阻溫度系數(shù)。敏感柵電阻隨溫度的變化引起的誤差。當環(huán)境溫度變化t 時，敏感柵材料電阻溫度系數(shù)為 ，2、試件（彈性元件）材料和電阻絲材料的線膨脹系

11、數(shù)不同。當溫度變化t時，因敏感柵材料和試件材料的線膨脹系數(shù)不同，應變片將產(chǎn)生附加拉長（或壓縮），引起的電阻相對變化 。溫度誤差 2.1.2 電阻應變片的特性當溫度變化時 2.1 應變式傳感器線膨脹系數(shù)：溫度每變化1攝氏度材料長度變化的百分率。設：電阻絲和試件溫度0時的長度為l0，溫度變化t后的膨脹量分別為： 2.1 應變式傳感器2.1.2 電阻應變片的特性相應的虛假應變輸出可得由于溫度變化而引起的總電阻變化為2.1.2 電阻應變片的特性（四）溫度誤差及其補償 2.1 應變式傳感器自補償法（材料）線路補償法電橋補償法溫度補償 2.1.2 電阻應變片的特性（四）溫度誤差及其補償 2.1 應變式傳感

12、器應變片的自補償法 粘貼在被測部位上的是一種特殊應變片，當溫度變化時，產(chǎn)生的附加應變?yōu)榱慊蛳嗷サ窒?，這種應變片稱為溫度自補償應變片。利用這種應變片來實現(xiàn)溫度補償?shù)姆椒ǚQ為應變片自補償法。a. 選擇式自補償應變片b. 雙金屬敏感柵自補償應變片 2.1.2 電阻應變片的特性2.1 應變式傳感器a.選擇式自補償應變片 優(yōu)點：容易加工，成本低。缺點：試件確定的情況下，選擇相應的應變片， 只適用特定試件材料，溫度補償范圍也較窄。 實現(xiàn)溫度補償?shù)臈l件為 當被測試件的線膨脹系數(shù)g已知時，通過選擇敏感柵材料， 使下式成立 即可達到溫度自補償?shù)哪康摹?.1.2 電阻應變片的特性2.1 應變式傳感器R1R2組合自

13、補償法b. 雙金屬敏感柵自補償應變片 敏感柵絲由兩種不同溫度系數(shù)（一正一負）的金屬絲串接組成 選用兩者具有不同符號的電阻溫度系數(shù)調(diào)整R1和R2的比例，使溫度變化時產(chǎn)生的電阻變化滿足 通過調(diào)節(jié)兩種敏感柵的長度來控制應變片的溫度自補償。 2.1.2 電阻應變片的特性2.1 應變式傳感器電橋輸出電壓與橋臂參數(shù)的關系為 A由橋臂電阻和電源電壓決定的常數(shù)。USCR2R4R1R3E電橋補償法由上式可知，當R3、R4為常數(shù)時（固定電阻，不受溫度影響），Rl和R2對輸出電壓的作用方向相反。利用這個基本特性可實現(xiàn)對溫度的補償，并且補償效果較好，這是最常用的補償方法之一。 電橋補償法 2.1.2 電阻應變片的特性

14、2.1 應變式傳感器 測量應變時，使用兩個應變片，一片貼在被測試件的表面，圖中R1稱為工作應變片。另一片貼在與被測試件材料相同的補償塊上，圖中R2，稱為補償應變片。在工作過程中補償塊不承受應變，僅隨溫度發(fā)生變形。補償應變片粘貼示意圖R1R22.1.2 電阻應變片的特性2.1 應變式傳感器當被測試件不承受應變時，R1和R2處于同一溫度場，調(diào)整電橋參數(shù)，可使電橋輸出電壓為零，即上式中可以選擇R1=R2=R及R3=R4=R。 當溫度升高或降低時，若R1t=R2t，即兩個應變片的熱輸出相等，由上式可知電橋的輸出電壓為零，即2.1.2 電阻應變片的特性2.1 應變式傳感器若此時有應變作用，只會引起電阻R

15、1發(fā)生變化，R2不承受應變。故由前式可得輸出電壓為由上式可知，電橋輸出電壓只與應變有關，與溫度無關。為達到完全補償，需滿足下列三個條件：R1和R2屬于同一批號的，它們的電阻溫度系數(shù)、線膨脹系數(shù)、應變靈敏系數(shù)K都相同，兩片的初始電阻值也要求相同；用于粘貼補償片的構件和粘貼工作片的試件二者材料必須相同，即要求兩者線膨脹系數(shù)相等；兩應變片處于同一溫度環(huán)境中。 2.1.2 電阻應變片的特性2.1 應變式傳感器優(yōu)點：簡單、方便，在常溫下補償效果較好缺點：在溫度變化梯度較大的條件下，很難做到工作片與補償片處于溫度完全一致的情況，因而影響補償效果。 電橋補償法 2.1.2 電阻應變片的特性2.1 應變式傳感

16、器2.1.3 電阻應變片的測量電路 1 直流電橋2 非線性誤差及其補償 應變片將應變的變化轉換成電阻相對變化R/R，要把電阻的變化轉換成電壓或電流的變化，才能用電測儀表進行測量。測量電路：直流電橋和交流電橋。2.1 應變式傳感器1. 直流電橋 （1）按橋臂電阻不同配制分（a）R1=R2=R3=R4 等臂橋（b）R1=R2=R, R3=R4=R 輸出對稱橋，第一對稱橋（c） R1=R3=R, R2=R4=R 電源對稱橋，第二對稱橋2.1.3 電阻應變片的測量電路 2.1 應變式傳感器1. 直流電橋 （2）按工作應變片分（a）R1為工作應變片 R2補償應變片 單臂橋（b）R1，R2工作應變片 雙臂

17、橋 R1=R+R,R2=R-R 半橋形式的差動測量橋（c） R1,R2,R3,R4工作應變片 全橋 R1=R3=R+R,R2=R4=R-R 全橋形式的差動測量橋2.1.3 電阻應變片的測量電路 2.1 應變式傳感器1. 直流電橋 電橋的輸出式為： 初始平衡平衡條件2.1.3 電阻應變片的測量電路 2.1 應變式傳感器（A）單個工作應變片組成的單臂橋，當工作應變片產(chǎn)生忽略分母中的不考慮環(huán)境溫度的影響。2.1.3 電阻應變片的測量電路 2.1 應變式傳感器各種形式橋的輸出情況（單臂工作形式）（1）等臂橋 2.1.3 電阻應變片的測量電路 2.1 應變式傳感器（2）第一對稱橋 （3）第二對稱橋 2.

18、1.3 電阻應變片的測量電路 靈敏度與等臂橋和第一對稱橋相等(b) 除此之外，靈敏度下降。當k1時，橋輸出靈敏度下降很快。2.1 應變式傳感器采用等臂橋，即R1= R2= R3=R4=R ，若各橋臂均有電阻增量時，上式可寫為當Ri R ( i=1,2,3,4) 時，略去上式中的高階微量，則 （B）全橋工作形式：2.1.3 電阻應變片的測量電路 2.1 應變式傳感器 Ri R時，電橋的輸出電壓與應變成線性關系。 若相鄰兩橋臂的應變極性一致，即同為拉應變或壓應變時，輸出電壓為兩者之差；若相鄰兩橋臂的應變極性不同，則輸出電壓為兩者之和。 若相對兩橋臂應變的極性一致，輸出電壓為兩者之和；反之則為兩者之

19、差。 電橋供電電壓E越高，輸出電壓U0越大。但是，當E大時，電阻應變片通過的電流也大，若超過電阻應變片所允許通過的最大工作電流，傳感器就會出現(xiàn)蠕變和零漂。 增大電阻應變片的靈敏系數(shù)K，可提高電橋的輸出電壓。2.1.3 電阻應變片的測量電路 2.1 應變式傳感器2.1.3 電阻應變片的測量電路 1 直流電橋2 非線性誤差及其補償 應變片將應變的變化轉換成電阻相對變化R/R，要把電阻的變化轉換成電壓或電流的變化，才能用電測儀表進行測量。測量電路：直流電橋和交流電橋。2.1 應變式傳感器前提條件：應變片的參數(shù)變化很小，即Ri/R1時 （RR）非線性誤差較等臂橋大b) 當k1時 （RR）非線性誤差將會

20、降低，但橋的靈敏度下降很快2.1.3 電阻應變片的測量電路 2.1 應變式傳感器2.非線性誤差及其補償（2）第二對稱橋單臂工作下誤差分析c) 當k=1時 （R=R）情況等同于等臂橋2.1.3 電阻應變片的測量電路 2.1 應變式傳感器思考：如何分析第一對稱橋單臂工作下誤差？2.1.3 電阻應變片的測量電路 2.1 應變式傳感器非線性誤差補償：差動形式的半橋和全橋輸出（等臂橋為例）(a)差動半橋輸出在懸臂梁上粘貼形式如圖所示2.非線性誤差及其補償2.1.3 電阻應變片的測量電路 2.1 應變式傳感器靈敏度是單臂形式的2倍關系！2.1.3 電阻應變片的測量電路 2.1 應變式傳感器(b)差動全橋輸出在懸臂梁上粘貼形式如圖所示2.1.3 電阻應變片的測量電路 2.1 應變式傳感器靈敏度是單臂形式的4倍關系！2.1.3 電阻應變片的測量電路 2.1 應變式傳感器2.1.4 應變式傳感器應用 柱式力傳感器 梁式力傳感器金屬應變片， 除了測定試件應力、應變外，還制造成多種應變式傳感器用來測定力、扭矩、加速度、壓力等其它物理量。 應變式傳感器包括兩個部分：一是彈性元件，利用它將被測物理量（如力、扭矩、加速度、壓力等）轉換為彈性體的應變值；另一個是應變片作為轉換元件將應變轉換為電阻的變化值。