第二章 电阻式传感器资料

第二章电阻式传感器电阻式传感器的基本原理：将被测量的变化转换成传感元件电阻值的变化，再经过转换电路变成电信号输出。它的类型很多，在几何量和机械量测量领域中应用广泛，常用来测量力、压力、位移、应变、扭矩、加速度等。特点：电阻式传感器的结构简单、性能稳定、灵敏度较高有的还适合于动态测量。电阻式传感器中的传感元件有应变片、半导体膜片、电位器和电触点副等。由它们分别制成了应变式传感器、压阻式传感器、电位器式传感器和电触点式传感器等。其中电触点式传感器目前已极少应用。第一节应变式传感器应变式传感器是利用金属的电阻应变效应，将被测量转换为电量输出的一种传感器。一、工作原理(一)金属的电阻应变效应当金属丝在外力作用下发生机械变形，其电阻值将发生变化，这种现象称为金属的电阻应变效应。一根金属电阻丝，在其未受力时，原始电阻值为lRS当电阻丝受到拉力F作用时，将伸长，横截面积相应减小，电阻率则因晶格发生变形等因素的影响而改变，故引起电阻值变化。对上式全微分，并用相对变化量来表示：lSR6110/RlsRlsllmmmmllrr：电阻丝的轴向应变，，单位（1）；：径向应变。rlrl（）电阻丝的纵向伸长与横向收缩的关系为泊松比0/121223/RlllkRlllll（）（）（）此式是“应变效应”的表达式。称为金属电阻的灵敏系数。通常把单位应变能引起的阻值变化称为电阻丝的灵敏系数。其物理意义是：单位应变所引起的电阻相对变化量。0k22SSSrSrrSr：截面积的相对变化量。微分得：则：0//12RRk从上式看出，受两个因素的影响，一是，它是由材科的几何尺寸变化引起的；另一个是，它是由材料的电阻率变化引起的（称“压阻效应”）。对于金属材料来说，以前者为主，则。大量实验证明，在金属电阻丝的拉伸比例极限内，电阻的相对变化与轴向应变成正比。对半导体材料：比大的多。12（）/（）0k012k/（）12（）半导体应变片是用半导体材料制成的，其工作原理是基于半导体材料的压阻效应。当半导体应变片受轴向力作用时，其电阻相对变化为：//12RR（）：半导体应变片的电阻率相对变化量，其值与半导体敏感元件在轴向所受的应变力有关。E==E：半导体材料的压阻系数：半导体材料所受应变力：半导体材料的弹性模量：半导体材料的应变12RER所以：（）实验证明，比大上百倍，所以可以忽略，因而半导体应变片的灵敏度系数为：E1212/RREk=半导体应变片的灵敏度系数比金属丝式高50至80倍。但半导体材料的温度系数大，应变时非线性比较严重，使它的使用范围受到一定的限制。(二)应变片的基本结构及测量原理电阻丝应变片是用直径为0.025mm合金电阻丝制成的。为了获得高的阻值，将电阻丝排列成栅网状，称为敏感栅，并粘贴在绝缘的基片上。电阻丝的两端焊接引线。敏感栅上面粘贴有保护用的覆盖层。l称为应变片的基长，b称为基宽。lxb称为应变片的使用面积。应变片的规格一般以使用面积和电阻值表示。用应变片测量受力应变时，将应变片粘贴于被测对象表面。在外力作用下，被测对象表面产生微小机械变形，应变片敏感栅也随之变形，其阻值发生相对变化。通过转换电路转换为相应的电压或电流变化，可以得到被测对象的应变值，根据应力应变关系：EE：应力：弹性模量可以得到应力值。通过弹性敏感元件，将位移、力矩、加速度、压力等物理量转换为应变，因此可以用应变片测量上述各量，从而作成各种应变式传感器。应变片之所以应用得比较广泛，是由于它有如下优点：①测量应变的灵敏度和精确度高，性能稳定、可靠，可测，误差小于1％。②应变片尺寸小、重量轻、结构简单、使用方便、响应速度快。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。③测量范围大。既可测量弹性变形，也可测量塑性变形。变形范围可从1％一20％。④适应性。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。⑤便于多点测量、远距离测量和遥测。12二、应变片的类型、材料及粘贴(一)应变片的类型和材料电阻应变片分金属丝式、金属箔式和金属薄膜式。1．金属丝式应变片金属丝式应变片有回线式和短接式两种。图2—3a所示为回线式应变片，制作简单、性能稳定、成本低、易粘贴，但其应变横向效应较大。敏感栅极丝直径一般为0.012----0.05mm，以0.025mm左右最常用。回线的曲率半径r为0.1----0.3mm。基片用以保持敏感栅及引线的几何形状和相对位置。为使被测件的应变迅速而准确地传递到敏感栅上，基片很薄，一般为0.02----0.04mm。用专门的薄纸制成的基片称为纸基，用粘结剂和有机树脂薄膜制成的称为胶基。引线常用直径为0.1----0.15mm的镀锡铜线。图2—3b所示为短接式应变片，它的敏感栅平行排列，两端用直径比栅线直径大5—10倍镀银丝短接而成，共优点是克服了横向效应，但因制造工艺复杂，而使用较少。丝式应变片敏感栅的材料要求：灵敏度高、电阻率高、稳定性好、温度系数好、机械强度高、抗氧化、耐腐蚀。常用的材料有：康铜、镍铬合金、镍铬铝合金，以及铂、铂钨合金等。2．金属箔式应变片是利用照相制版或光刻技术将厚约0.002----0.01mm的金属箔片制成所需图形的敏感栅，亦称为应变花。它有如下优点：①可制成多种复杂形状尺寸准确的敏感栅，其栅长可做到0.2mm，以适应不问的测量要求；②与被测件粘结面积大；③散热条件好，允许电流大，提高了输出灵敏度；④横向效应小，可以忽略；⑥蠕变和机械滞后小，疲劳寿命长。其缺点是电阻值的分散性比金属丝的大，有的相差几十欧姆，故需作阻值调整。3、金属薄膜应变片金属薄膜应变片是薄膜技术发展的产物。它是采用真空蒸发或真空沉积等方法在薄的绝缘基片上形成厚度在0.1um以下的金属电阻材料薄膜的敏感栅，最后再加上保护层。它的优点是应变灵敏系数大，允许电流密度大，工作范围广，可达-197—317度。目前使用中的主要问题是难于控制电阻与温度和时间的变化关系。(二)应变片的粘贴应变片是用粘结剂粘贴到被测件上的。粘结剂形成的胶层必须准确迅速地将被测件应变传进到敏感栅上。粘结剂的性能及粘结工艺的质量直接影响着应变片的工作特性。可见选择粘结剂和正确的粘贴工艺与应变片的测量精度有着极重要的关系。选择粘结剂必须适合应变片材料和被测件材料，不仅些求粘接力强，粘贴结后机械性能可靠，而且粘合层要有足够大的剪切弹性模量，良好的电绝缘性，蠕变和滞后小,耐湿、耐油、耐老化、动应力测量时耐疲劳等。还要考感到应变片的工作条件，如温度、相对湿度、稳定性要求等.三、金属应变片的主要特性(一)灵敏系数/RRK灵敏系数由实验确定。实验发现，实际应变片的K值比单丝的K值要小，造成此现象原因是横向效应。还有粘结层传递变形失真。指应变片安装于试件表面,在其轴线方向的单向应力作用下,应变片的阻值相对变化与试件表面上安装应变片区域的轴向应变之比(二)横向效应将直的电阻丝绕成敏感栅之后，虽然长度相同，但应变状态不同，其灵敏系数降低了。这种现象称横向效应。加载和卸裁特性曲线之间的最大差值称为应变片的滞后值。m（三）、机械滞后（四）、零漂和蠕变粘贴在试件上的应变片，在温度保持恒定、不承受机械应变的情况下，电阻值随时问变化的特性称为应变片的零漂。如果在一定温度下，使其承受恒定的机械应变，其电阻值随时间而变化的特性，称为应变片的蠕变。一般来说，蠕变的方向与原来应变量变化的方向相反。(四)应变极限和疲劳寿命应变片的应变极限是指在一定温度下，应变片的指示应变与试件的真实应变的相对误差不超过规定范围(一般为10％)时的真实应变值。为提高值，应选用抗剪强度较高的粘结剂和基底材料，基底和粘结剂的厚度不宜太大，并经适当的固化处理。igjj对于已安装的应变片，在恒定幅值的交变力作用下，可以连续工作而不产生疲劳损坏的循环次数N称为应变片的疲劳寿命。当出现以下三种情况之一时都认为是疲劳损坏①应变片的敏感栅或引线发生断路；②应变片输出指示应变的幅值变化10%，③应变片输出信号波形上出现穗状尖峰。疲劳寿命反映了应变片对动态应变测量的适应性。(五)绝缘电阻和最大工作电流应变片绝缘电阻是指已粘贴的应变片的引线与被测件之间的电阻值。通常要求在50—100MΩ以上。绝缘电阻过低，会造成应变片与试件之间漏电而产生测量误差。最大工作电流是指已安装的应变片，允许通过而不影响其工作特性的最大电流值。工作电流大，输出信号也大，灵敏度高。但工作电流过大会使应变片过热，灵敏系数变化，零漂及蠕变增加，甚至烧毁应变片。工作电流的选取要根据散热条件而定，主要取决于敏感栅的几何形状和尺寸、截面的形状和大小、基底的尺寸和材料，粘合剂的材料和厚度等。（七）、应变片的电阻值应变片在未经安装也不受外力情况下，于室温下测得的电阻值。(八)、动态响应特性电阻应变片在测量频率较高的动态应变时，应考虑其动态特性。动态应变是以应变波的形式在试件中传播的，它的传播速度与声波相同。对于钢材。当应变按正弦规律变化时，应变片反映出来应变是应变片敏感栅长度各相应点应变量的平均值，显然与某“点”的应变值不同。5000/vms211200212100042422sin22coscos22sin2sinxxpplllxxlxdxxxxxllllp应变波长为，基长为，其两端点的坐标为：，，此时应变片在基长内测得的平均应变达到最大值为：（）因而应变波幅测量的相对误差为0sin2ftxvtvf，设应变的变化为：应变在轴向传播，有/txf（）0sin2/x（）所以带入应变表达式，则应变式为/l可见，测量误差与应变波长对基长的相对比值有关，一般取/l=10-20，其误差范围为1.6%-0.4%。下表给出了对于钢材v=5000m/s时，取不同基长/l=20时，不同基长应变片的最高工作频率。四、转换电路应变片将被测件应变的变化转换成电阻相对变化，还须进一步转换成电压或电流信号才能用电测仪表进行测量。通常采用电桥电路实现这种转换。(一)直流电桥1、直流电桥工作原理1423123412343412142312340//LLLRRRRIURRRRRRRRRRRRRIRRRRRRRR流过负载电阻的电流为：（）（）（）+（）时电桥平衡，则平衡条件为：或2、不平衡直流电桥的工作原理和灵敏度电桥后面接放大器时，放大器的输入阻抗都很高，比电桥输出电阻大很多。电桥的输出为142301234RRRRUURRRR（）（）应变片工作时，其电阻发生变化，此时不平衡电桥输出：41310214113RRRRUURRRRRR（1++）（1+）（2-6）设桥臂比为，由于电桥初始平衡时有略去分母中的。可得：21/nRR2134//RRRR11/RR10211RnUUnR（）电桥灵敏度：011/uUkRR可得单臂工作应变片的电桥电压灵敏度为：21unkUn（）显然，与电桥电源电压成正比，同时与桥臂比n有关。ukn取何值使最大？在U值确定后，取得uk/0uudkdnk时，最大，241/10nn（）（）1234u所以n=1时，即R=R，R=R时k为最大。（2-7）当由式（2-6）得：1n时，1014RUUR4uUk可见，当电源电压及电阻相对值一定时，电桥的输出电压及电压灵敏度将与各臂阻值大小无关。n=1时的电桥称为对称电桥，这是最常采用的形式。直流电桥的优点是高稳定度直流电源易于获得，电桥调节平衡电路简单，传感器至测量仪表的连接导线的分布参数影响小等。（二）电桥的非线性误差式（2-7）求出的输出电压是由略去式（2-6）分母中的项而近似得到的。实际