傳感檢測技術及其應用第4章課件

第4章電阻式傳感器及應用一、電阻式傳感器及分類1.電阻式傳感器電阻式傳感器是把被測量轉換為電阻變化的一種傳感器。2.電阻式傳感器分類電阻式傳感器主要有變阻器式、電阻應變式和固態(tài)壓阻式傳感器。二、變阻器式電阻式傳感器

7/29/20231優(yōu)點：＊結構簡單、尺寸小、重量輕、價格低廉且性能穩(wěn)定；＊受環(huán)境因素(如溫度、濕度、電磁場干擾等)影響小；＊可以實現(xiàn)輸出—輸入間任意函數(shù)關系；＊輸出信號大，一般不需放大。7/29/20232缺點：＊因為存在電刷與線圈或電阻膜之間摩擦，因此需要較大的輸入能量；＊由于磨損不僅影響使用壽命和降低可靠性，而且會降低測量精度，所以分辨力較低；＊動態(tài)響應較差，適合于測量變化較緩慢的量。三、電阻應變式電阻傳感器金屬電阻應變片的工作原理是基于金屬導體的電阻-應變效應，即金屬導體在外力作用下發(fā)生機械變形時，其電阻值隨著它所受機械變形(伸長或縮短)的變化而發(fā)生變化的現(xiàn)象。7/29/202331.分類及結構金屬電阻應變片分為金屬絲式、箔式和膜式等。（1）電阻絲應變片金屬絲式應變片的典型結構：將一根高電阻率金屬絲（康銅、鎳鉻、卡瑪合金等，直徑0.025mm左右）繞成柵形，粘貼在絕緣的基片和覆蓋層之間，由引出導線接于電路中。

7/29/20234（2）箔式應變片

箔式應變片由厚度為1~10m的康銅箔或鎳鉻箔經(jīng)光刻，腐蝕工藝制成的柵狀箔片。箔式應變片適于大批量生產(chǎn)，可制成多種復雜形狀，線條均勻，敏感柵尺寸準確，柵長最小可到0.2mm；散熱好，允許電流大；橫向效應、蠕變和機械滯后小，疲勞壽命長；柔性好（可貼于形狀復雜的表面），傳遞試件應變性能好。

目前使用的應變片大多是金屬箔式應變片。7/29/202357/29/20236（3）膜式應變片膜式應變片采用真空蒸發(fā)或真空沉積等方法，在薄的絕緣基片上形成厚度在0.1mm以下的金屬電阻材料薄膜的敏感柵。它的優(yōu)點是應變靈敏系數(shù)大，允許電流密度大，工作范圍廣，可達－197～317℃。2.工作原理（電阻－應變效應）電阻－應變效應是指金屬電阻絲的電阻隨著它所承受機械變形（伸長或縮短）的大小而發(fā)生改變的一種物理現(xiàn)象。7/29/20237設有一根圓截面金屬電阻絲，其電阻為

金屬電阻絲受拉變形當受到軸向力F被拉伸時，其電阻變化為7/29/20238則上式即為電阻－應變效應表達式。7/29/20239對于電阻應變片，其電阻變化率與應變的關系為3.電阻應變片的主要特性（1）應變計的電阻值R應變計在沒有粘貼及未參與變形有前，在室溫下測定的電阻值。（2）靈敏度系數(shù)k應變計的靈敏度系數(shù)由其材料及結構決定，由實驗獲得。7/29/202310（3）機械滯后試件上加載、卸載過程中，對同一機械應變，應變片指示應變值發(fā)生變化，其差值稱之機械滯后。其滯后大小與應變片承受的應變量大小有關，造成原因主要是敏感柵、基底粘合劑在承受機械應變后所留下的機械變形。7/29/202311（4）橫向效應與橫向效應系數(shù)應變片在感受被測試件的應變時，橫向應變將使電阻變化率減小，從而降低靈敏度系數(shù)的現(xiàn)象，稱為應變片的橫向效應。在同一單向應力作用下，垂直于單向應變方向安裝的應變計的指示應變與平行于單向應變方向安裝的同批應變計的指示應變之比，稱為橫向應變系數(shù)。所以，為了減小橫向效應的影響，應變片都做成窄長的形狀。（5）零點漂移指試件空載（不受應力作用）、溫度恒定的條件下，指示應變隨時間的變化值。7/29/202312（6）蠕變粘貼在試件上的應變片，在恒溫恒載條件下，指示應變隨時間的變化數(shù)值稱為蠕變。（7）應變極限對于已安裝的應變計，在溫度恒定時，指示應變和真實應變的相對誤差不超過規(guī)定數(shù)值的真實應變值，稱為應變極限。如圖所示。7/29/202313（8）疲勞壽命在恒定幅值交變應力作用下，連續(xù)工作到產(chǎn)生疲勞損壞的循環(huán)次數(shù)，稱為應變片的疲勞壽命。（9）溫度效應及熱輸出由于環(huán)境溫度變化的影響，將使應變片的電阻發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為應變計的溫度效應。而由于溫度變化引起的應變輸出稱為熱輸出。熱輸出定義為：當應變片安裝在某一線性膨脹系數(shù)的試件上，試件可以自由膨脹，在緩慢升（或降）溫的均勻溫度場內(nèi)，由溫度變化引起的指示應變。7/29/202314從上面可知，影響熱輸出因素主要有三個：溫度變化；應變片敏感柵材料電阻溫度系數(shù)；試件材料和敏感柵材料線性膨脹系數(shù)不等。7/29/202315（10）應變計的最大工作電流應變片正常工作允許通過的最大電流。通常靜態(tài)測量時為25mA，動態(tài)測量時為75－100mA。工作電流過大會導致應變片過熱、靈敏度變化、零漂和蠕變增加，甚至燒毀。（11）絕緣電阻已安裝的應變計的敏感柵及引線與被測試件之間的電阻值。是檢查應變計的粘貼質量與粘合劑是否干燥或固化的重要指標。絕緣電阻越高越好，在室溫下，一般為500－5000MΩ之間。（12）應變片的動態(tài)特性應變片在測量變化頻率較高的動態(tài)應變時，應該考慮其頻率響應，即動態(tài)特性問題。7/29/202316應變片的動態(tài)特性最終可歸結到應變片的基長與輸入應變波的頻率的關系。若輸入正弦應變波的極限工作頻率f與應變片基長L的關系為若輸入應變波為階躍波時7/29/202317四、應變計測量電橋測量電橋在應變計電阻傳感器中得到廣泛的應用，結構簡單，靈敏度高，測量范圍寬，線性度好，精度高，易于實現(xiàn)和補償。測量電橋有直流電橋和交流電橋，本課重點講直流電橋。1.直流電橋

7/29/202318當R1R4=R2R3時，電橋平衡，輸出為零。按接入電橋應變片的數(shù)量可分為單臂工作電橋、半橋工作電橋、全橋工作電橋。2.單臂工作電橋只有一個橋臂接入應變片，其它三個橋臂是平衡電阻。7/29/202319（1）立式橋立式橋（2）臥式橋7/29/202320（3）等臂電橋3.半臂工作電橋有兩只應變片接入電橋，設R1，R2作為應變片，半臂工作電橋（1）半臂臥式電橋7/29/202321(2)半臂等臂電橋4.全臂工作等臂電橋四個臂均接入應變片，并為差動工作，且7/29/2023225.恒流供電電橋上面所講都是恒壓供電的電橋。在全橋差動工作時，在不考慮溫度變化時，電橋的輸出與電阻的相對變化量△R／R成比例。而實際上溫度變化時，每個電阻隨溫度變化量為△Rt，電橋的輸出為UO=E·△R/(R+△Rt)電橋的輸出是非線性的。恒流源供電電橋如右圖所示，設4個橋臂初始電阻均為R，則IABC=IADC=I/2，。有壓力作用時，仍有IABC=IADC=I/2，則電橋輸出為7/29/202323因此，電橋的輸出與溫度無關。總結：從上面可以知道，半臂工作臥式電橋、等臂電橋的輸出是單臂工作臥式電橋、等臂電橋的輸出的2倍；而全臂工作等臂電橋的輸出是半臂工作電橋輸出的2倍。6.電橋輸出非線性誤差上述電橋輸出公式都是在△R《R的假設條件下得到。當該條件不成立時，必存非線性誤差。7/29/202324對于單臂工作的臥式電橋和等臂電橋，有相對誤差為7/29/202325如果＝2，當相對誤差<1％時，則，則，也就是應變值時，電橋輸出相對誤差。7/29/2023267.電阻應變片的溫度補償由前面內(nèi)容知道電阻應變片的熱輸出為由于應變片電阻絲溫度系數(shù)

而產(chǎn)生的誤差；由于電阻絲膨脹系數(shù)

與測試試件材料的膨脹系數(shù)

之間不同而產(chǎn)生誤差?？梢圆捎醚a償法消除電阻應變片的熱輸出誤差，稱為熱輸出補償。補償常用的方法有兩種：溫度自補償應變片法，用于高溫下測量；橋路補償法，用于常溫下測量。（1）溫度自補償應變片法

①單絲自補償應變片7/29/202327通過選配敏感柵材料與試件材料相匹配實現(xiàn)熱輸出補償。由上式可知，要使，只要滿足即可。所以，在選用應變計時，通過選擇敏感柵的合金材料，使其、與試件材料的相匹配，即滿足上式，就能達到溫度自補償?shù)哪康?。②雙絲自補償應變片如左圖所示，當應變計的敏感柵是由電阻溫度系數(shù)為一正一負的兩種7/29/202328合金絲Ra和Rb串接而成，當工作溫度變化時，若Ra柵產(chǎn)生的正（負）熱輸出與Rb柵產(chǎn)生的負（正）熱輸出大小相等或相近，就可達到自補償?shù)哪康?。?）橋路補償發(fā)橋路補償法是利用電橋的和、差原理來達到補償?shù)哪康?。常主要有雙絲半橋式，補償計式。在工業(yè)應用中常用補償計式。

選用型號和特性完全相同的兩只應變片，可以構成單臂工作補償電橋和半臂工作補償電橋。如果相同的兩應變片之一粘貼在被測試件上作為工作片，另一只粘貼在與被測試件的結構材料相同而不受應力的補償塊上，作為補償片，構成單臂工作補償電橋。7/29/202329如圖，工作片R1和補償片R2處于相同環(huán)境溫度下，則他們所產(chǎn)生的熱輸出相等。當被測試件受力為F，并有溫度變化Δt時，則工作應變片電阻由原來R1變?yōu)闉镽’1，補償電阻由R2變?yōu)镽’2即代入電橋電壓輸出公式，則電橋輸出端電壓為7/29/202330當R3=R4=R0時代入和得由上述條件知R1=R2=R，時因為得7/29/202331上式表示電橋輸出端電壓僅與作用力有關，而與溫度變化產(chǎn)生的熱輸出無關，即消除了熱輸出的影響。如果R1和R2都是工作應變片，但使R2粘貼于被測試件的相反應變處，則構成半臂工作補償電橋。則R1和R2在應力作用和溫度變化影響下有：7/29/202332根據(jù)上述條件有R1=R2=R，

，，則有上式同樣表示電橋輸出端電壓僅與作用力有關，而與溫度變化產(chǎn)生的熱輸出無關，即消除了熱輸出的影響。7/29/202333五、壓阻式傳感器及其應用1.壓阻效應根據(jù)電阻－應變效應，有對于金屬電阻絲而言，，而對于半導來說，，所以半導體的電阻－應變效應為7/29/2023342.固態(tài)壓阻式壓力傳感器（1）結構N作為彈性敏感元件，在其上擴散制成P型電阻，稱為硅杯。（2）特點體積小，重量輕，可微型化；相應頻率高，頻帶寬，適合動態(tài)測量；精度、靈敏度高等。（3）電源電橋及其特點（4）固態(tài)壓阻傳感器的補償3.壓阻式壓力傳感器的三種測量方式絕壓測量方式、表壓測量方式、差壓測量方式。4.壓阻壓力傳感器分類壓力傳感器、壓力變送器等。7/29/2023355.壓阻壓力傳感器選用6.壓阻壓力傳感器制造商Freescale(Motorola),Honeywell,Philips等7/29/202336直流電橋的測量電路如圖所示六、電阻式傳感器測量電路1.恒流源和恒壓源7/29/2023372.放大電路（1）差動放大器7/29/202338（2）運算放大器的儀表放大器7/29/202339（3）運算放大器的儀表放大器7/29/202340七、電阻式傳感器應用1.電阻應變式傳感器的應用特點：①應用和測量范圍廣：測力可達到10-2～107N；測壓力可達103～108Pa；測加速度可達103m/s3數(shù)量級。

②分辨力、靈敏度和精度高。（1）測力①柱筒形彈性元件測力傳感器7/29/2023417/29/2023427/29/2023437/29/202344②環(huán)形彈性元件測力傳感器7/29/202345③懸臂梁彈性元件測力傳感器7/29/2023467/29/2023472.電阻應變式傳感器的應用示例①基本應用平面膜片式壓力傳感器，應變橋連接成全橋，且如圖4－22所示，應變計k=2.0，膜片允許