2 应变式传感器重点

第二章应变式传感器（电阻）应变式传感器基本上是利用金属（或半导体）的电阻应变效应将被测量转换为电量（电压或电流）输出的一种传感器。传感元件有金属应变片、半导体膜片、电位器等。由它们分别制成了金属应变式传感器、压阻式传感器、电位器式传感器等。常用来测量力、压力、位移、应变、扭矩、加速度等。测量应变的灵敏度和精度高，性能稳定、可靠，误差小于1%价格便宜，品种多，工艺较成熟适应性强。可在高温、超低温、高压、水下、强磁场以及核辐射等恶劣环境下使用应变片尺寸小、重量轻、结构简单、使用方便、测量速度快。测量时对被测件的工作状态和应力分布基本上无影响。既可用于静态测量，又可用于动态测量精度高，测量范围大应变式传感器优点2.1金属应变式传感器频率响应特性好应变式传感器缺点在大的应变状态中具有明显的非线性，半导体应变式传感器的非线性更为突出输出信号微弱，抗干扰能力差，需采取屏蔽措施2.1金属应变式传感器只能测出一点或应变栅范围内的平均应变，不能显示应力场中应力梯度的变化2.1金属应变式传感器2.1.1工作原理2.1.2金属应变片的主要特性2.1.3测量电路2.1.4应变式传感器应用返回2.1.1工作原理1.金属的电阻应变效应电阻应变效应：当金属丝在外力作用下发生机械变形时其电阻值将发生变化AlR＝FΔl、ΔA、ΔρΔRddddRlARlA上一页返回下一页AAllRR对于半径为r的圆导体，A=πr2，ΔA/A=2Δr/r，由材料力学，在弹性范围内/,=/,rllrr泊松比[(12)(12)]SRCKRε为导体的轴向应变，其数值一般很小，常以微应变度量；μ为电阻丝材料的泊松比，一般金属μ=0.3~0.5()(-2)(2)(12)rdVdAdlCCCCCVAl金属丝电阻的相对变化与金属丝的伸长或压缩之间存在比例关系Ks---灵敏度系数，单位应变引起的电阻相对变化。一般在1.8~3.62.1.1工作原理金属电阻的灵敏系数RR/k12S21/kS金属材料：kS以前者为主，则k0≈1+2μ=1.8~3.6半导体：kS值主要是由电阻率相对变化所决定RkRS材料的几何尺寸变化引起的材料的电阻率ρ随应变引起的金属丝电阻的相对变化与金属丝的伸长或压缩之间存在比例关系位移、力、力矩、加速度、压力弹性敏感元件应变外力作用被测对象表面产生微小机械变形应变片敏感栅随同变形电阻值发生相应变化应变片由敏感栅、基底、盖片、引线和粘结剂组成金属丝式金属箔式应变片的种类与基本结构应变片的基本结构金属电阻丝应变片的基本结构1-基底；2-敏感栅；3-盖片；4-引线(1)基底—为保持敏感栅固定的形状、尺寸和位置，通常用粘结剂将它固结在纸质或胶质的基底上。一般厚度为0.02～0.04mm(2)敏感栅—应变片中实现应变-电阻转换的敏感元件。其电阻值一般规格60，120，200Ω(3)盖层—用纸、胶作成覆盖在敏感栅上的保护层；起着防潮、防蚀、防损等作用(4)引线—它起着敏感栅与测量电路之间的过渡连接和引导作用。直径为0.015--0.05mm左右的合金电阻丝绝缘栅长b栅宽金属箔式应变片在绝缘基底上，将厚度为0.003～0.01mm电阻箔材，利用照相制板或光刻腐蚀的方法，制成适用于各种需要的形状箔式应变片箔式单向应变片板式压力应变片箔式扭矩应变片金属箔式应变片优点：（1）尺寸准确，线条均匀，适应不同测量要求，可制成多种复杂形状尺寸准确的敏感栅（2）与被测试件接触面积大，粘结性能好，散热条件好，允许电流大，灵敏度提高（3）金属箔很薄，应力状态与试件表面的应力状态更为接近。（4）箔栅的端部宽，横向效应可忽略。蠕变、机械滞后小，疲劳寿命长。缺点：生产工序复杂，不耐高温，价格高2.1.2金属应变片的主要特性（一）灵敏度系数（二）横向效应（三）机械滞后（四）零点漂移和蠕变（五）应变极限（一）灵敏度系数R/RKK为应变片的灵敏系数当具有初始电阻值的应变片粘贴于试件表面时，试件受力引起的表面应变，将传递给应变片的敏感栅，使其产生电阻相对变化。实验证明，在一定的应变范围：应变片的灵敏系数直接关系到应变测量的精度。因此，值通常采用从批量生产中每批抽样，在规定条件下通过实测确定，故又称标定灵敏系数。上述规定条件是：①试件材料取泊松比μ=0.285的钢；②试件单向受力；③应变片轴向与主应力方向一致。应变片的灵敏系数并不等于其金属单丝的灵敏系数，一般情况下，K＜Ks。K除受到敏感栅结构形状、成型工艺、粘结剂和基底性能的影响外，尤其受到栅端圆弧部分横向效应的影响。例题：如果将100Ω的电阻应变片贴在弹性试件上，若试件受力横截面积S=0.5*10-4m2，弹性摸量E=2*1011N/m2，若有F=5*104N的拉力引起应变电阻变化为1Ω。试求该应变片的灵敏度系数？F==ES应变，为试件所受应力，提示：根据材料力学理论金属电阻的灵敏系数金属电阻的灵敏系数F==ES，RR1100解：应变片电阻的相对变化量4-411F510===0.005SE0.510210应变片的零度系数RRK2应变片轴向受力及横向效应(a)应变片及轴向受力图(b)横向效应直线段：沿纵向（轴向）拉应变εx圆弧段：沿横向（径向）压应度εy（二）横向效应应变片既受纵向应变影响，又受横向应变影响而引起电阻变化的现象，称为横向效应（二）横向效应纵向灵敏系数横向灵敏系数横向效应系数应变片的横栅部分将纵向丝栅部分的电阻变化抵消了一部分，从而降低了整个电阻应变片的灵敏度，带来测量误差，其大小与敏感栅的构造及尺寸有关。敏感纵栅愈窄，越长，而横栅越宽、越短，则横向效应的影响愈小。yxk(n-1)rH==k2nl+(n-1)r（三）机械滞后它是指粘贴在试件上的应变片，在恒温条件下，增(加载)、减(卸载)试件应变的过程中，对应同一机械应变所指示应变量(输出)之差值。实用中，由于敏感栅基底和粘结剂材料性能，或使用中的过载、过热，都会使应变片产生残余变形，导致应变片输出的不重合。这种不重合性用机械滞后(zj)来衡量。应变片的机械滞后通常在室温条件下，要求机械滞后zj＜3－10με。实测中，可在测试前通过多次重复预加、卸载，来减小机械滞后产生的误差。加载卸载（四）零点漂移和蠕变当试件初始空载时，应变片指示应变仍会随时间变化的现象称为零漂。零漂引起零票的原因：通以工作电流后的温度效应，应变片内的内应力变化，黏结剂固化不充分等蠕变粘贴在试件上的应变片，在恒温、恒载条件下，指示应变量随时间单向变化的特性称为蠕变。蠕变反映了应变计在长时间工作中对时间的稳定性。引起蠕变的主要原因是胶层之间产生的“滑移”所致。（五）应变极限应变片的线性(灵敏系数为常数)特性，只有在一定的应变限度范围内才能保持。当试件输入的真实应变超过某一限值时，应变片的输出特性将出现非线性。在恒温条件下，使非线性误差达到10%时的真实应变值，称为应变极限。应变极限是衡量应变计片测量范围和过载能力的指标。lim影响应变极限的大小主要因素是黏结剂和基底材料传递变形的性能及应变片安装的质量。2.1.3电阻应变片的测量电路上一页返回下一页1直流电桥2非线性误差及其补偿1.R1=R2=R3=R4=R等臂桥2.R1=R2=RR3=R4=R‘输出对称桥3.R1=R3=RR2=R4=R‘电源对称桥电阻配置工作应变片1.R1应变片，R2补偿应变片单臂桥2.R1和R2均为工作应变片半桥3.R1R2R3R4均为工作应变片全桥惠斯通电桥灵敏度高、测量范围宽、电路简单、精度高、易于实现温度补偿R1R2R4R3EABCD直流电桥示意图0URUU2R2=K＝'0URU4R1=K40RURU=UK＝三种电桥测量电路1.直流电桥直流电桥的工作原理1423123412343412RRRRIER(RR)(RR)RR(RR)RR(RR)gg-Ig=0时电桥平衡R1R4=R2R3R1/R2=R3/R4平衡条件:R1R2R4R3EABCDRgIg1423123412343412RRRRE1(RR)(RR)[RR(RR)RR(RR)]Rgg-U应变片工作时，其电阻变化ΔR))(())(())((44332211332244110RRRRRRRRRRRRRRRRUU3101234()RRUERRRRRg无穷大B，D两端开路应变片工作时，其电阻变化ΔR11442233011223344(RR)(RR)(RR)(RR)UU(RRRR)(RRRR)3101234()RRUURRRRU0R1＋⊿R1UR2+⊿R2R4＋⊿R4R3+⊿R31.直流电桥采用等臂电桥，即R1=R2=R3=R4=R1234142301234R(RRRR)RRRRUU(2RRR)(2RRR)当ΔRiR(i=1,2,3,4)时，略去上式中的高阶微量，则31240RRRRUU4RRRR01234UKU4①ΔRiR时，电桥的输出电压与应变成线性关系。②若相邻两桥臂的应变极性一致，即同为拉应变或压应变时，输出电压为两者之差；若相邻两桥臂的应变极性不同，则输出电压为两者之和。③若相对两桥臂应变的极性一致，输出电压为两者之和；反之则为两者之差。④电桥供电电压U越高，输出电压U0越大。但是，当U大时，电阻应变片通过的电流也大，若超过电阻应变片所允许通过的最大工作电流，传感器就会出现蠕变和零漂。⑤增大电阻应变片的灵敏系数K，可提高电桥的输出电压。01234UKU41.直流电桥单臂电桥，即R1桥臂变化ΔR，理想的线性关系实际输出电压，非线性关系'0URU4R1=K410211424RRRRURRRUU电桥的相对非线性误差为10'0U1R1R1R111111KU2R2R2R22.非线性误差及其补偿KU0R1＋⊿R1R4R3U减小非线性误差采用的措施为：（1）采用半桥差动电桥R1R2F][4332211110RRRRRRRRRUU拉压R1+⊿RR2-⊿RU0R1＋⊿R1R4R3UR2－⊿R20URUU2R2=K＝严格的线性关系电桥灵敏度是单臂2倍温度补偿作用设电桥在初始状态是平衡的，且为等臂电桥，12RRR1234R=R=R=R=R半桥差动输出电压(1)半桥差动电路0RUUUR=KU0R1＋⊿R1UR2－⊿R2R4＋⊿R4R3－⊿R3（2）全桥差动电路电桥灵敏度是单臂的4倍，半桥的2倍，非线性误差得以消除，具有温度补偿的作用，在实际应用中最广泛全桥桥差动输出电压温度误差及其补偿g-敏感栅材料的线膨胀系数e试件材料的线膨胀系数1、敏感栅电阻随温度的变化引起的误差。2、敏感栅材料与试件材料的线膨胀系数不同引起的误差。温度误差t00t00egRRKRK()ttRRRRtt00-电阻温度系数由于温度影响而带来的误差，称为温度误差相应的虚假应变输出t0t00R/Rt()tKKeg由于温度变化而引起的总电阻变化为ttt000RRRRtRK()teg温度误差及其补偿温度补偿单丝自补偿法自补偿法双丝组合式自补偿法电路补偿法温度补偿粘贴在被测部位上的是一种特殊应变片，当温度变化时，产生的附加应变为零或相互抵消，这种应变片称为温度自补偿应变片。利用这种应变片来实现温度补偿的方法称为应变片自补偿法。单丝自补偿法优点：结构简单，容易加工，成本低，缺点：只适用特定试件材料，温度补偿范围也较窄。实现温度补偿的条件为当被测试件的线膨胀系数βg已知时，通过选择敏