電阻應變計式傳感器

1、電阻應變計式傳感器第1頁，共58頁，2022年，5月20日，8點10分，星期五電阻應變計的應用1.2第2章 電阻應變計式傳感器電阻應變計的主要特性2.22.3測量電路2.4電阻應變計式傳感器2.52.6電阻應變計的溫度效應及其補償2.1電阻應變計的基本原理與結(jié)構(gòu)第2頁，共58頁，2022年，5月20日，8點10分，星期五第2章 電阻應變式傳感器(Resistive Strain Gauge Sensors) 2.1電阻應變計的基本原理結(jié)構(gòu)和應用一、導電材料的應變電阻效應 電阻應變片的工作原理是基于應變效應，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“應變

2、效應”。 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3頁，共58頁，2022年，5月20日，8點10分，星期五第2章 電阻應變式傳感器(Resistive Strain Gauge Sensors) 2.1電阻應變計的基本原理結(jié)構(gòu)和應用（2-2） 當電阻絲受到拉力F作用時， 將伸長dl，橫截面積相應減小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4頁，共58頁，2022年，5月20日，8點10分，星期五第2章 電阻應變式傳感器(Resistive Strain Gauge

3、 Sensors) 2.1電阻應變計的基本原理結(jié)構(gòu)和應用式中dl/l= 材料的軸向線應變，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導體的半徑，受拉時r縮??； 導體材料的泊松比。第5頁，共58頁，2022年，5月20日，8點10分，星期五第2章 電阻應變式傳感器(Resistive Strain Gauge Sensors) 2.1電阻應變計的基本原理結(jié)構(gòu)和應用可得： 通常把單位應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變所引起的電阻相對變化量，其表達式為 ： （2-3） （

4、2-4） 第6頁，共58頁，2022年，5月20日，8點10分，星期五第2章 電阻應變式傳感器(Resistive Strain Gauge Sensors) 2.1電阻應變計的基本原理結(jié)構(gòu)和應用 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變成正比，即K為常數(shù)。1.金屬材料的應變電阻效應 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，金屬絲材的應變電阻效應以結(jié)構(gòu)尺寸變化為主。金屬材料的電阻相對變化與其線應變成正比。這就是金屬材料的應變電阻效應。對金屬或合

5、金, 一般Km=1.84.8。2.半導體材料的壓阻效應 而半導體材料的(d/)/項的值比1+2大得多。第7頁，共58頁，2022年，5月20日，8點10分，星期五第2章 電阻應變式傳感器(Resistive Strain Gauge Sensors) 2.1電阻應變計的基本原理結(jié)構(gòu)和應用2.半導體材料的壓阻效應 壓阻效應是指半導體材料，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：半導體材料的壓阻系數(shù);半導體材料的所受應變力; E半導體材料的彈性模量;半導體材料的應變。（2-5） 第8頁，共58頁，2022年，5月20日，8點10分，星期五第2章 電阻應變式傳感器(Resistive

6、 Strain Gauge Sensors) 2.1電阻應變計的基本原理結(jié)構(gòu)和應用2.半導體材料的壓阻效應 由于E(1+2)，因此半導體絲材的KsE?？梢姡雽w材料的應變電阻效應主要基于壓阻效應。通常Ks=(5080)Km。 （2-6） 第9頁，共58頁，2022年，5月20日，8點10分，星期五第2章 電阻應變式傳感器(Resistive Strain Gauge Sensors) 2.1電阻應變計的基本原理結(jié)構(gòu)和應用二、電阻應變計的結(jié)構(gòu)與類型結(jié)構(gòu)：圖2.2 典型應變計的結(jié)構(gòu)及組成(a)絲式 (b)箔式 (c)半導體1敏感柵 2基底 3引線 4蓋層 5粘結(jié)劑 6電極第10頁，共58頁，20

7、22年，5月20日，8點10分，星期五第2章 電阻應變式傳感器(Resistive Strain Gauge Sensors) 2.1電阻應變計的基本原理結(jié)構(gòu)和應用二、電阻應變計的結(jié)構(gòu)與類型結(jié)構(gòu)：(1)敏感柵實現(xiàn)應變-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。基底必須很薄，一般為0.020.04mm。 (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連接。第11頁，共58頁，2022

8、年，5月20日，8點10分，星期五第2章 電阻應變式傳感器(Resistive Strain Gauge Sensors) 2.1電阻應變計的基本原理結(jié)構(gòu)和應用二、電阻應變計的結(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)劑制造應變計時，用它分別把蓋層和敏感柵固結(jié)于基底；使用應變計時，用它把應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變的作用。第12頁，共58頁，2022年，5月20日，8點10分，星期五第2章 電阻應變式傳感器(Resistive Strain Gauge Sensors) 2.1電阻應變計的基本原理結(jié)構(gòu)和應用二、電阻

9、應變計的結(jié)構(gòu)與類型類型：圖2.2 典型應變計的結(jié)構(gòu)及組成(a)絲式 (b)箔式 (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.金屬絲式應變片 有回線式和短接式二種。回線式最為常用，制作簡單，性能穩(wěn)定，成本低，易粘貼，但橫向效應較大。 第13頁，共58頁，2022年，5月20日，8點10分，星期五第2章 電阻應變式傳感器(Resistive Strain Gauge Sensors) 2.1電阻應變計的基本原理結(jié)構(gòu)和應用二、電阻應變計的結(jié)構(gòu)與類型類型： 2.金屬箔式應變片 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，也稱為應變花。3.半導

10、體應變片 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。 但重復性、溫度及時間穩(wěn)定性差。第14頁，共58頁，2022年，5月20日，8點10分，星期五第2章 電阻應變式傳感器(Resistive Strain Gauge Sensors) 2.1電阻應變計的基本原理結(jié)構(gòu)和應用三、電阻應變計的應用1、應變計的選用（1）選擇類型使用目的、要求、對象、環(huán)境等（2）材料考慮使用溫度、時間、最大應變量及精度（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15頁，共58頁，2022年，5月2

11、0日，8點10分，星期五第2章 電阻應變式傳感器(Resistive Strain Gauge Sensors) 2.1電阻應變計的基本原理結(jié)構(gòu)和應用三、電阻應變計的應用2、應變計的使用（1）粘結(jié)劑的選擇 通常在室溫工作的應變片多采用常溫、指壓固化條件的粘結(jié)劑如聚脂樹脂、環(huán)氧樹脂類。（2）應變計的粘貼 準備試件和應變片；涂膠；貼片；復查；接線；防護。第16頁，共58頁，2022年，5月20日，8點10分，星期五第2章 電阻應變計式傳感器應變計多為一次性使用，應變計的特性是按規(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，應變計的軸向應變一般KK0橫向效應及橫向效應系數(shù)H由于傳感

12、器是多線的，線與線之間連接部分不在測量方向上，引起橫向效應計算公式：第二節(jié) 電阻應變計的主要特性第17頁，共58頁，2022年，5月20日，8點10分，星期五第2章 電阻應變計式傳感器標定情況下：可見，橫向效應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減小第18頁，共58頁，2022年，5月20日，8點10分，星期五第2章 電阻應變計式傳感器對橫向效應分析結(jié)果的應用結(jié)果之一是箔式應變計另外，應變計的長度要長、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：指示值實際值第19頁，共58頁，2022年，5月20日，8點10分，星期五第2章 電阻應

13、變計式傳感器蠕變 與零漂零漂和蠕變反映傳感器的長期穩(wěn)定性應變極限應變計的線性范圍，是衡量應變計測量范圍和過載能力的指標，一般8000真實應變指示應變第20頁，共58頁，2022年，5月20日，8點10分，星期五第2章 電阻應變計式傳感器動態(tài)特性機械應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、膠層并引起應變計的響應時，會有時間的遲后。應變計的這種響應遲后對動態(tài)(高頻)應變測量，尤會產(chǎn)生誤差。應變計的動態(tài)特性就是指其感受隨時間變化的應變時之響應特性對正弦信號的響應圖表示一頻率為f，幅值為0的正弦波，以速度v沿著應變計縱向x方向傳播時，在某一瞬時t的分布圖。應變計中點xt的瞬時

14、應變?yōu)?第21頁，共58頁，2022年，5月20日，8點10分，星期五第2章 電阻應變計式傳感器而柵長l范圍xt（l/2）內(nèi)的平均應變?yōu)橄鄬φ`差為：上式表明，當頻率增加時，誤差增大,因此應使：或第22頁，共58頁，2022年，5月20日，8點10分，星期五第2章 電阻應變式傳感器(Resistive Strain Gauge Sensors) 2.3電阻應變計的溫度效應及其補償一、溫度效應及其熱輸出1、溫度效應設(shè)工作溫度變化為t，則引起粘貼在試件上的應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23頁，

15、共58頁，2022年，5月20日，8點10分，星期五第2章 電阻應變式傳感器(Resistive Strain Gauge Sensors) 2.3電阻應變計的溫度效應及其補償2、熱輸出相對的熱輸出為: 應變計的溫度效應及其熱輸出由兩部分組成：前部分為熱阻效應所造成；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24頁，共58頁，2022年，5月20日，8點10分，星期五第2章 電阻應變式傳感器(Resistive Strain Gauge Sensors) 2.3電阻應變計的溫度效應及其補償二、熱輸出補償方法1、溫度自補償法 精心選配

16、敏感柵材料與結(jié)構(gòu)參數(shù)來實現(xiàn)熱輸出補償 。(1)單絲自補償應變計 在研制和選用應變計時，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＃?-9） 第25頁，共58頁，2022年，5月20日，8點10分，星期五第2章 電阻應變式傳感器(Resistive Strain Gauge Sensors) 2.3電阻應變計的溫度效應及其補償二、熱輸出補償方法1、溫度自補償法(2)雙絲自補償應變計 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）

17、 圖2.2 （a）回線式（ b）短接式第26頁，共58頁，2022年，5月20日，8點10分，星期五第2章 電阻應變式傳感器(Resistive Strain Gauge Sensors) 2.3電阻應變計的溫度效應及其補償二、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變計第27頁，共58頁，2022年，5月20日，8點10分，星期五第2章 電阻應變式傳感器(Resistive Strain Gauge Sensors) 2.3電阻應變計的溫度效應及其補償二、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

18、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28頁，共58頁，2022年，5月20日，8點10分，星期五第2章 電阻應變式傳感器(Resistive Strain Gauge Sensors) 2.3電阻應變計的溫度效應及其補償2、橋路補償法（2）補償塊法 圖2.4 補償塊半橋熱補償應變計 使用兩個相同的應變計。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

19、作用。 第29頁，共58頁，2022年，5月20日，8點10分，星期五第2章 電阻應變式傳感器(Resistive Strain Gauge Sensors) 2.3電阻應變計的溫度效應及其器補償2、橋路補償法（3）差動電橋法 巧妙地安裝應變片可以起補償作用并提高靈敏度。 將兩個應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 差動電橋法第30頁，共58頁，2022年，5月20日，8點10分，星期五第2章 電阻應變計式傳感器應變計的代號選用應變計應的方法選擇類型選擇材

20、料選擇阻值測量儀器的要求第四節(jié) 電阻應變計的應用第31頁，共58頁，2022年，5月20日，8點10分，星期五第2章 電阻應變計式傳感器應變計的使用1.粘接劑的選擇2.應變計的粘貼準備涂膠貼片復查接線防護第32頁，共58頁，2022年，5月20日，8點10分，星期五第2章 電阻應變計式傳感器第五節(jié) 測量電路工作原理第33頁，共58頁，2022年，5月20日，8點10分，星期五第2章 電阻應變計式傳感器應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第34頁，共58頁，2022年，5月20日，8點10分，星期五第2章 電阻應變計式

21、傳感器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：第35頁，共58頁，2022年，5月20日，8點10分，星期五第2章 電阻應變計式傳感器代入R：分子分母同除以R1R3,并略去高除微量得：如果為全等臂電橋，則：第36頁，共58頁，2022年，5月20日，8點10分，星期五第2章 電阻應變計式傳感器可簡寫為：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： 第37頁，共58頁，2022年，5月20日，8點10分，星期五第2章 電阻應變計式傳感器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第38頁，共58頁，2022年，5月20日，8點1

22、0分，星期五第2章 電阻應變計式傳感器采用金屬應變計，減小R，在一定精度條件下可免去補償措施半導體應變計雖然靈敏度高，但非線性誤差大非線性補償差動電橋補償采用恒流源第39頁，共58頁，2022年，5月20日，8點10分，星期五 一.原理和特點電阻應變計有兩方面的應用：一是作為敏感元件，直接用于被測試件的應變測量；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)變成彈性元件應變的其它物理量作簡接測量。第2章 電阻應變計式傳感器第六節(jié) 電阻應變計式傳感器第40頁，共58頁，2022年，5月20日，8點10分，星期五用作傳感器 的應變計，應有更高的要求，尤其非線性誤差要小(0.05%0.1

23、%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。應變計式傳感器有如下應用特點：(1)應用和測量范圍廣。 用應變計可制成各種機械量傳感器，如測力傳感器可測102107N壓力傳感器可測103 108 Pa，加速度傳感器可測到103級m/s2。 第2章 電阻應變計式傳感器第41頁，共58頁，2022年，5月20日，8點10分，星期五 (2)分辨力(1)和靈敏度高，尤其是用半導體應變計，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，對試件影響小；對復雜環(huán)境的適應性強，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、

24、高速、強磁場、核幅射等特殊環(huán)境中使用；頻率響應好。 第2章 電阻應變計式傳感器第42頁，共58頁，2022年，5月20日，8點10分，星期五(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變計式應用最普遍。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)應用。 第2章 電阻應變計式傳感器第43頁，共58頁，2022年，5月20日，8點10分，星期五第2章 電阻應變計式傳感器二.應變計式傳感器 1.測力傳感器 應變計式傳感器的最大用武之地還是稱重

25、和測力領(lǐng)域。這種測力傳感器的結(jié)構(gòu)由應變計、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。 第44頁，共58頁，2022年，5月20日，8點10分，星期五第45頁，共58頁，2022年，5月20日，8點10分，星期五第2章 電阻應變計式傳感器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變計直接粘貼在受壓彈性膜片或筒上。膜片式應變壓力傳感器的結(jié)構(gòu)、應力分布及布片，與固態(tài)壓阻式傳感器雷同(參閱2.6節(jié))。 第46頁，共58頁，2022年

26、，5月20日，8點10分，星期五第2章 電阻應變計式傳感器第47頁，共58頁，2022年，5月20日，8點10分，星期五第48頁，共58頁，2022年，5月20日，8點10分，星期五針對圖2.22 筒式應變壓力傳感器 (a)結(jié)構(gòu)示意；(b)筒式彈性元件；(c)應變計布片1插座；2基體；3溫度補償應變計；4工作應變計；5應變筒 對厚壁筒(2-39) 第2章 電阻應變計式傳感器第49頁，共58頁，2022年，5月20日，8點10分，星期五 對薄壁筒 (2-40) 第2章 電阻應變計式傳感器第50頁，共58頁，2022年，5月20日，8點10分，星期五組合式壓力傳感器則由受壓彈性元件(膜片、膜盒或波

27、紋管)和應變彈性元件(如各種梁)組合而成。前者承受壓力，后者粘貼應變計。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，使應變計具有良好的工作環(huán)境。第2章 電阻應變計式傳感器第51頁，共58頁，2022年，5月20日，8點10分，星期五 3.位移傳感器應變式位移傳感器是把被測位移量轉(zhuǎn)變成彈性元件的變形和應變，然后通過應變計和應變電橋，輸出正比于被測位移的電量。它可用來近測或遠測靜態(tài)與動態(tài)的位移量。因此，既要求彈性元件剛度小，對被測對象的影響反力小，又要求系統(tǒng)的固有頻率高，動態(tài)頻響特性好。第2章 電阻應變計式傳感器第52頁，共58頁，2022年，5月20日，8點10分，星期五圖2.23(a)為國產(chǎn)YW系列應變式位移傳感器結(jié)構(gòu)。這種傳感器由于采用了懸臂梁-螺旋彈簧串聯(lián)的組合結(jié)構(gòu)，因此它適用于較大位移