檢測與技術(shù)傳感器

檢測與技術(shù)傳感器第一頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期日第一章電阻應(yīng)變傳感器《檢測技術(shù)及儀表》唐山學(xué)院?信息工程系第二頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期日《檢測技術(shù)及儀表》唐山學(xué)院?信息工程系教學(xué)目標(biāo)：

1.通過對本章的學(xué)習(xí)，掌握金屬應(yīng)變片傳感器構(gòu)成原理及特點(diǎn)

2.通過對電阻應(yīng)變片測量橋路的分析，掌握測量電橋的結(jié)構(gòu)、形式、特點(diǎn)及相關(guān)的測量計算。第三頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期日《檢測技術(shù)及儀表》唐山學(xué)院?信息工程系補(bǔ)充:彈性敏感元件1.軸向應(yīng)變：εl=ΔL/L（微應(yīng)變、毫應(yīng)變）2.橫向應(yīng)變：εr=Δd/d3.泊松系數(shù)：-μ=εl/εr（當(dāng)應(yīng)力未超過一定限度時，泊松系數(shù)為常數(shù)）4.應(yīng)力：σ=F/A（柱式彈性元件在遠(yuǎn)離端面的截面上應(yīng)力的分布是均勻的）5.虎克定律：σ=Eε（E為彈性模量，在彈性范圍內(nèi)，應(yīng)變與應(yīng)力有線性關(guān)系）第四頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期日《檢測技術(shù)及儀表》唐山學(xué)院?信息工程系第一節(jié)基本知識1.理論推導(dǎo)：第五頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期日《檢測技術(shù)及儀表》唐山學(xué)院?信息工程系式中K0為應(yīng)變靈敏度系數(shù)，由兩部分組成：

式中第一項中μ=-εl/εr，取決于導(dǎo)體的幾何尺寸變化，對于給定材料是一常數(shù)。式中第二項取決于材料電阻率變化。對于金屬導(dǎo)體而言，機(jī)械應(yīng)變所引起的電阻率變化很小，可以忽略不計。金屬絲電阻相對變化與軸向應(yīng)變成正比。通常K0在1.8～3.6范圍內(nèi)。半導(dǎo)體電阻的受應(yīng)力變化主要由電阻率變化引起的（壓阻效應(yīng)）。第六頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期日《檢測技術(shù)及儀表》唐山學(xué)院?信息工程系壓阻效應(yīng)：電阻率的變化率與應(yīng)力成正比。由虎克定律：σ=Eε在應(yīng)力作用下，半導(dǎo)體電阻的變化主要由壓阻效應(yīng)引起的，遠(yuǎn)大于第一項。第七頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期日《檢測技術(shù)及儀表》唐山學(xué)院?信息工程系第二節(jié)金屬應(yīng)變片一、基本類型及構(gòu)成材料：1.基本類型：1）絲式：線徑0.012~0.05mm金屬電阻絲繞成敏感柵。2）箔式：采用光刻技術(shù)刻成很薄的金屬箔柵。3）薄膜式：厚度0.1μm以下。1—基底2—敏感柵3—蓋層4—引線第八頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期日《檢測技術(shù)及儀表》唐山學(xué)院?信息工程系2.構(gòu)成材料：1）敏感柵：由金屬細(xì)絲繞成柵形。應(yīng)變片柵長大小關(guān)系到所測應(yīng)變的準(zhǔn)確度，應(yīng)變片測得的應(yīng)變大小是應(yīng)變片柵長和柵寬所在面積內(nèi)的平均軸向應(yīng)變量。對敏感柵的材料的要求：①應(yīng)變靈敏系數(shù)大，并在所測應(yīng)變范圍內(nèi)保持為常數(shù)；②電阻率高而穩(wěn)定，以便于制造小柵長的應(yīng)變片；③電阻溫度系數(shù)要?。虎芸寡趸芰Ω?，耐腐蝕性能強(qiáng)；⑤在工作溫度范圍內(nèi)能保持足夠的抗拉強(qiáng)度；⑥加工性能良好,易于拉制成絲或軋壓成箔材；⑦易于焊接，對引線材料的熱電勢小。對應(yīng)變片要求必須根據(jù)實(shí)際使用情況，合理選擇。第九頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期日《檢測技術(shù)及儀表》唐山學(xué)院?信息工程系2）基底和蓋片：基底用于保持敏感柵、引線的幾何形狀和相對位置，蓋片既保持敏感柵和引線的形狀和相對位置，還可保護(hù)敏感柵。基底的全長稱為基底長，其寬度稱為基底寬。資料：1）金屬絲式應(yīng)變片分為圓角線柵和直角線柵。圓角線柵是最常見的形式，制造的設(shè)備和技術(shù)都簡單，但橫向效應(yīng)較直角線柵和箔式應(yīng)變片大。線柵采用圓斷面的康銅（或其他材料）制成，線材直徑0.012~0.05mm（0.025最常用），電阻一般在100歐以上。直角線柵是數(shù)條線材平行放置，焊上大面積銅條，形成橫向線和引線，減小橫向效應(yīng)的影響。其缺點(diǎn)是耐疲勞性能差。由于箔式應(yīng)變片的出現(xiàn)而沒有得到推廣。第十頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期日《檢測技術(shù)及儀表》唐山學(xué)院?信息工程系箔式應(yīng)變片是在電子工程中印刷板電路和集成制造技術(shù)上發(fā)展的，是由軋制成厚度在0001~0.01mm（最薄的可達(dá)0.00035mm）之間的金屬箔片經(jīng)光刻技術(shù)制成的，材料一般選用康銅、鎳鉻合金。制造時現(xiàn)在箔片的一面上涂上粘合劑并加熱，使之固化成薄膜做基底，然后在箔片的另一面涂上光致抗蝕劑，在光線照射下，分子會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生抗腐蝕的性能，保護(hù)其下面的金屬材料。用光學(xué)投影的方法將預(yù)先繪制好的線柵圖象投影到光致抗蝕劑的表面，然后用強(qiáng)酸將沒有受到光線照射的金屬箔腐蝕掉，最后在柵面涂保護(hù)層。亦有使用沖壓的方法來制造箔式應(yīng)變片的，適用于不能用光刻制造的材料。箔式應(yīng)變片橫向較粗，減少橫向效應(yīng)，焊接引線的位置較寬，避免截面積突然變化而折斷。箔式線柵與粘合層的接觸面積大，能更好隨同試件形變。第十一頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期日《檢測技術(shù)及儀表》唐山學(xué)院?信息工程系箔式優(yōu)點(diǎn)：1）批量生產(chǎn)時電阻離散度小，可制成任意形狀，縱向長度（基長）可以做的很?。ㄗ钚〉?.2mm），用于應(yīng)變梯度大的場合。2）散熱好、電流大3）橫向效應(yīng)小4）疲勞壽命長5）柔性好，可以貼在復(fù)雜的零件上。6）蠕變小7）在大批量生產(chǎn)的基礎(chǔ)上價格便宜基于這些優(yōu)點(diǎn)，逐漸取代絲式應(yīng)變片。第十二頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期日《檢測技術(shù)及儀表》唐山學(xué)院?信息工程系二、主要特性參數(shù)：1.幾何尺寸：柵長、柵寬、基長、基寬注：柵長（基）通常情況下為2~30毫米，箔式最小為0.2毫米，最長的達(dá)100毫米或更長，基長相對于基寬較小時會增加橫向效應(yīng)，應(yīng)變傳遞性能差，粘貼困難，一般不用基長過小的應(yīng)變片，除非是應(yīng)變梯度大的場合。柵寬（基）以較小為佳，能使應(yīng)變片的整體尺寸減少，但會使電阻值減小，散熱條件變壞，基寬一般在10毫米以下。bl柵長柵寬第十三頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期日《檢測技術(shù)及儀表》唐山學(xué)院?信息工程系2.應(yīng)變片電阻值：在應(yīng)力測量中，使用最多為120歐的。3.靈敏系數(shù)K04.橫向效應(yīng)系數(shù)：在同一單向應(yīng)變作用下，應(yīng)變片的橫向靈敏度與縱向之比。(與K0的方向相反，降低了應(yīng)變片的靈敏系數(shù))5.應(yīng)變極限：6.最大工作電流：在靜態(tài)時允許電流值一般為25毫安，在動態(tài)測量時，允許電流可達(dá)到75~100毫安，箔式允許電流較大。7.極限工作溫度：指應(yīng)變片在規(guī)定條件下，能保持其工作特性不變或在允許范圍內(nèi)變化的最高工作溫度或最低工作溫度。第十四頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期日《檢測技術(shù)及儀表》唐山學(xué)院?信息工程系第三節(jié)應(yīng)變式傳感器一、構(gòu)成原理：彈性體，電阻應(yīng)變片，測量電路，顯示記錄。彈性體：試件（彈性元件），例如懸臂梁二、測量橋路：

R2R3R1R4E電橋線路原理圖RgACDIgB第十五頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期日《檢測技術(shù)及儀表》唐山學(xué)院?信息工程系思考：后續(xù)電路搭建？第十六頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期日《檢測技術(shù)及儀表》唐山學(xué)院?信息工程系第十七頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期日《檢測技術(shù)及儀表》唐山學(xué)院?信息工程系三、技術(shù)特性：1.靜態(tài)特性：1）非線性：在規(guī)定條件下所得到的傳感器校準(zhǔn)曲線與理論擬合直線之間的最大偏差。非線性誤差為：L=ΔθL/θn×100%

θn：傳感器的額定輸出，是指傳感器在額定輸入時的輸入信號與零輸入是的輸出信號之間的代數(shù)差。2）滯后誤差（回差）：上、下行程之間輸出最大差值H=|ΔθH|/θn×100%3）重復(fù)性誤差：輸入量按同一行程作全量程連續(xù)多次變動時所得特性曲線不一定程度R=|ΔθR|/θn×100%

第十八頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期日《檢測技術(shù)及儀表》唐山學(xué)院?信息工程系三、技術(shù)特性：1.靜態(tài)特性4）靈敏度允差：輸出靈敏度：單位激勵電壓時傳感器額定輸出S=θn/Ui，標(biāo)準(zhǔn)輸出靈敏度通常規(guī)定為1，1.5，2，2.5，3mV/V。允差：指允許的誤差值，通常用百分比表示。靈敏度允差：傳感器實(shí)際輸出靈敏度與標(biāo)準(zhǔn)靈敏度相對誤差。

δS=ΔS/S0×100%例：已知某應(yīng)變片傳感器輸出靈敏度為1mV/V，電源電壓為10V，A/D轉(zhuǎn)換器的參考電壓為5V，放大器的倍數(shù)應(yīng)如何選擇？第十九頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期日《檢測技術(shù)及儀表》唐山學(xué)院?信息工程系三、技術(shù)特性：2.蠕變特性：當(dāng)被測量不變，所有環(huán)境條件和其它變量也保持恒定的情況下，傳感器輸出量隨時間變化的特性。蠕變原因是在溫度和載荷作用下，粘貼劑和基底內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化而引起的。3.電氣特性：激勵電壓、輸入電阻、輸出電阻、絕緣電阻（敏感刪與基底）。4.動態(tài)特性：第二十頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期日《檢測技術(shù)及儀表》唐山學(xué)院?信息工程系三、技術(shù)特性：5.溫度特性：零點(diǎn)溫度漂移：通常用環(huán)境溫度每變化10度所引起的零點(diǎn)輸出變化與額定輸出的百分比來表示。額定輸出溫度漂移：通常用環(huán)境溫度每變化10度所引起的額定輸出變化與額定輸出的百分比來表示。6.穩(wěn)定性：傳感器在規(guī)定的校準(zhǔn)期內(nèi)，按實(shí)驗(yàn)規(guī)范檢查其各項性能指標(biāo)仍保持不超過允許誤差范圍的能力。對應(yīng)變傳感器是指在一定時間內(nèi)（不小于6個月）和相同條件下，傳感器輸出靈敏度最大相對變化量。第二十一頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期日《檢測技術(shù)及儀表》唐山學(xué)院?信息工程系四、誤差補(bǔ)償1.蠕變誤差補(bǔ)償：2.溫度誤差補(bǔ)償：（1）零點(diǎn)溫度補(bǔ)償溫度影響也可以看作是由于應(yīng)變片感受到某種“應(yīng)變”，稱為“虛假應(yīng)變”或稱“視應(yīng)變”。1）由溫度引起的電阻率變化引起的視應(yīng)變：

2）由溫度引起的試件長度變化：

3）由溫度引起的敏感柵受到附加應(yīng)變：補(bǔ)償方法：在相應(yīng)的橋臂上插入適當(dāng)?shù)你~電阻作為補(bǔ)償（切割式調(diào)阻法P42、摩擦法調(diào)阻法P43）第二十二頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期日《檢測技術(shù)及儀表》唐山學(xué)院?信息工程系例如：某試件為合金鋼，其線膨脹系數(shù)為βg=11*10-6/OC,其電阻應(yīng)變片敏感柵材質(zhì)是康銅，靈敏度系數(shù)K0=2.05，其電阻溫度系數(shù)為α=15*10-6/OC，線膨脹系數(shù)為βs=11*10-6/OC，當(dāng)傳感器溫度從10度變化到50度時，引起的電阻相對變化率是多少？折合成附加應(yīng)變?yōu)槎嗌伲康诙?，共三十五頁，編輯?023年，星期日《檢測技術(shù)及儀表》唐山學(xué)院?信息工程系補(bǔ)充：1）單絲自補(bǔ)償法：選擇合理的參數(shù)α、β，讓視應(yīng)變?yōu)?，局限性大。2）雙絲補(bǔ)償法：敏感柵由正負(fù)電阻溫度系數(shù)兩種合金串接而成。第二十四頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期日《檢測技術(shù)及儀表》唐山學(xué)院?信息工程系（2）額定輸出溫度影響補(bǔ)償：額定輸出溫度影響是由于溫度對彈性模量E和應(yīng)變片靈敏度K影響造成的。1）溫度升高，E減小，由虎克定律：σ=Eε得到對于相同的應(yīng)力，應(yīng)變增加。2）溫度升高，靈敏度系數(shù)K增加。補(bǔ)償辦法：電源輸入電路串聯(lián)一個具有正溫度系數(shù)的電阻。第二十五頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期日《檢測技術(shù)及儀表》唐山學(xué)院?信息工程系五、電阻應(yīng)變傳感器應(yīng)用：1.用途：應(yīng)變，力，壓力，扭矩，加速度2.特點(diǎn)：測試范圍寬，輸出特性好，測量精度高、工作可靠、能適應(yīng)惡劣環(huán)境條件。3形式：柱式和梁式1）柱式應(yīng)變片：

軸向應(yīng)變：εl=F/SE

橫向應(yīng)變：εr=-μεl第二十六頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期日《檢測技術(shù)及儀表》唐山學(xué)院?信息工程系2）懸臂梁：對于等強(qiáng)度懸臂梁：第二十七頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期日《檢測技術(shù)及儀表》唐山學(xué)院?信息工程系例：已知100歐姆應(yīng)變片貼在柱壯彈性試件上，試件的橫截面積S=0.5*10-4m2，彈性模量E=2*1011N/m2，在F=5*104N拉力的情況下電阻變化為1歐姆，求該應(yīng)變片的靈敏度系數(shù)。（K=2）例：一電子稱使用等強(qiáng)度梁作為彈性元件，在梁的上下各貼兩片電阻應(yīng)變片（K=2），已知l=100mm，b=11mm，h=3mm，E=2*104N/mm2，電橋電壓為6V，物體重量為0.5kg時，電橋的輸出電壓是多少？（17.8mV）第二十八頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期日《檢測技術(shù)及儀表》唐山學(xué)院?信息工程系補(bǔ)充：1.惠斯登電橋分類：根據(jù)電源：直流和交流根據(jù)臂電阻不同配置：等臂、臥式（輸出對稱，第一電橋）和立式橋根據(jù)工作應(yīng)變片情況：單臂橋：R1為工作應(yīng)變片，R2為補(bǔ)償應(yīng)變片雙臂橋：R1R2為工作應(yīng)變片，R3R4為固定電阻（半橋）全橋：

R2R3R1R4E電橋線路原理圖RgACDIgB第二十九頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期日《檢測技術(shù)及儀表》唐山學(xué)院?信息工程系2.測量橋路分析：開路電壓：電橋平衡：R1R3=R2R4，輸出

為零，稱為電橋平衡。

1）單臂橋分析：

R2R3R1R4E電橋線路原理圖RgACDIgB忽略分母中ΔR1可得：第三十頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期日《檢測技術(shù)及儀表》唐山學(xué)院?信息工程系各種形式單臂橋輸出情況：等臂橋：第一對稱電橋：(同上）

第二對稱電橋：R1=R4=R，R2=R3=R’，令k=