第2章 电阻式传感器

传感器技术机械学院仪器系陈良洲卢文龙Tel:13971645670E-mail:[e-mail]2应变式传感器2020年1月24日星期五应变式传感器2.1应变片的工作原理2.2种类材料及粘贴2.3应变片的特性2.4应变片测量电路2.5应变片传感器应用2020年1月24日星期五2020年1月24日星期五应变式传感器八角环2020年1月24日星期五弹簧压力传感器2020年1月24日星期五2.1应变式传感器的工作原理2020年1月24日星期五一根导体电阻丝，在其未受力时，原始电阻值为：lRA2.1应变式传感器的工作原理电位器式电阻传感器就是基于此原理的。改变电阻丝的长度，即移动电刷位置，可实现位移与阻值的线性变化。电阻丝的长度电阻丝截面积电阻丝电阻率2020年1月24日星期五示例2.1应变式传感器的工作原理2020年1月24日星期五2.1应变式传感器的工作原理示例2020年1月24日星期五当导体或半导体材料在外界力的作用下产生机械变形时，其电阻值相应发生变化，这种现象称为“应变效应”。电阻应变片的工作原理就是基于应变效应的。2.1应变式传感器的工作原理2020年1月24日星期五dRdlddARlAdll长度相对变化量,用应变ε表示。2.1应变式传感器的工作原理FlrrlF金属电阻丝的应变效应lRA2020年1月24日星期五2dAdrAr为圆形电阻丝的截面积相对变化量，设r为电阻丝的半径，微分后可得dA=2πrdr，于是可得：dAA2.1应变式传感器的工作原理2020年1月24日星期五由材料力学可知，在弹性范围内，金属丝受拉力时，沿轴向伸长，沿径向缩短，那么轴向应变和径向应变的关系可表示为：222dAdrdlArlμ为电阻丝材料的泊松比；负号表示应变方向相反。2.1应变式传感器的工作原理2020年1月24日星期五代入到电阻变化公式得：(12)12(12)dRdCKRK称为电阻丝的灵敏系数，表示单位应变能引起的电阻值变化量。2.1应变式传感器的工作原理12(12)KC由一定材料和加工方式决定的常数。2020年1月24日星期五对金属材料:1+2μ的值要比C(1-2μ)大;半导体材料:C(1-2μ)的值比1+2μ大得多。大量实验证明，在电阻丝拉伸极限内，电阻的相对变化与应变成正比，即K为常数。K受两个因素影响：1.几何尺寸的变化:1+2μ；2.电阻率的变化:C(1-2μ).2.1应变式传感器的工作原理2020年1月24日星期五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。压阻效应是指半导体材料，当某一轴向受外力作用时，其电阻率ρ发生变化的现象。2.1应变式传感器的工作原理2020年1月24日星期五(12)dRERdE半导体材料的弹性模量半导体材料的压阻系数半导体材料所受的应变力。2.1应变式传感器的工作原理2020年1月24日星期五2.1应变式传感器的工作原理(12)dREEKR因此，半导体应变片的灵敏系数为：KE半导体材料的弹性模量半导体材料的压阻系数2020年1月24日星期五半导体应变片的灵敏系数比金属丝式高50～80倍，但半导体材料的温度系数大，应变时非线性比较严重，使它的应用范围受到一定的限制。2.1应变式传感器的工作原理2020年1月24日星期五用应变片测量应变或应力时，在外力作用下，应变片随着被测对象产生微小机械变形，同时其电阻值也发生相应变化。若测得其电阻值变化量为ΔR，根据应力与应变的关系，得到应力值σ为：σ=E·ε=E·ΔR/K应变传感器测力是反求过程2.1应变式传感器的工作原理2.2应变片的结构材料及粘贴2020年1月24日星期五2.2应变片的结构材料及粘贴1应变片的结构3应变片的粘贴2应变片的材料2020年1月24日星期五引线覆盖层基片电阻丝式敏感栅lb金属电阻应变片的结构2.2.1应变片的结构2020年1月24日星期五敏感栅是应变片的核心部分，它粘贴在绝缘的基片上，其上再粘贴起保护作用的覆盖层，两端焊接引出导线。2.2.1应变片的结构2020年1月24日星期五金属电阻应变片的敏感栅有丝式和箔式两种形式:丝式金属电阻应变片的敏感栅由直径0.01～0.05mm的电阻丝平行排列而成；箔式金属电阻应变片是利用光刻、腐蚀等工艺制成的一种很薄的金属箔栅，其厚度一般为0.003~0.01mm，可制成各种形状的敏感栅(即应变花)。2.2.1应变片的结构2020年1月24日星期五覆盖层与基片将敏感栅紧密地粘贴在中间，对敏感栅起几何形状固定和绝缘、保护作用。基片要将被测体的应变准确地传递到敏感栅上，一般为0.03～0.06mm。应有良好的绝缘、抗潮和耐热性能。基片和覆盖层的材料有胶膜、纸、玻璃纤维布等。2.2.1应变片的结构2020年1月24日星期五2.2.1应变片的结构常用的电阻应变片形式2020年1月24日星期五2.2.1应变片的结构2020年1月24日星期五对电阻丝材料有如下要求：①灵敏系数大，且在相当大的应变范围内保持常数；②ρ值大，即在同样长度、同样横截面积的电阻丝中具有较大的电阻值；③电阻温度系数小，否则因环境温度变化也会改变其阻值；④与铜线的焊接性能好，与其它金属的接触电势小；⑤机械强度高，具有优良的机械加工性能。2.2.2应变片的材料2020年1月24日星期五常用金属电阻丝材料的性能2.2.2应变片的材料最常用动态中高温高温2020年1月24日星期五康铜是目前应用最广泛的应变丝材料，有很多优点：灵敏系数稳定性好，不但在弹性变形范围内能保持为常数，进入塑性变形范围内也基本上能保持为常数；电阻温度系数较小且稳定，当采用合适的热处理工艺时，可使电阻温度系数在±50×10-6/℃的范围内；加工性能好，易于焊接，因而国内外多以康铜作为应变丝材料。2.2.2应变片的材料2020年1月24日星期五应变片被粘结剂粘贴在被测件上；粘结剂形成的胶层必须准确迅速地将被测件应变传递至敏感栅。要求：粘接力强，机械性能可靠，剪切弹性模量足够大，良好的电绝缘性，蠕变和滞后小，耐湿，耐油，耐老化，动态应力测量时耐疲劳等。2-3应变片的粘贴2020年1月24日星期五常用的粘结剂类型有硝化纤维素型、氰基丙稀酸型、聚酯树脂型、环氧树脂型和酚醛树脂型等。粘结剂的性能及应变片的粘贴质量直接影响应变片的工作特性，选择粘结剂和正确的粘结工艺与应变片的测量精度有着极重要的关系。2-3应变片的粘贴2.3应变片的特性2020年1月24日星期五2.3应变片的特性1弹性元件特性2应变片的特性3温度误差补偿2020年1月24日星期五弹性元件：具有弹性变形特性的物体。弹性元件在应变片测量技术中首先把力、力矩或压力变换成相应的应变或位移，然后传递给粘贴在弹性元件上的应变片。通过应变片将力、力矩或压力转换成相应的电阻值。弹性元件的基本特性有：2.3.1弹性元件及特性2020年1月24日星期五刚度是弹性元件受外力作用下变形大小的量度，其定义是弹性元件单位变形下所需要的力，用C表示:limFdFCxdxF：作用外力，牛顿（N）x：产生的变形，毫米（mm）。1)刚度2.3.1弹性元件及特性2020年1月24日星期五刚度的倒数称为弹性元件的灵敏度：1dxSCdF灵敏度就是单位力作用下弹性元件产生变形的大小，灵敏度大，表明弹性元件软，变形大。2)灵敏度2.3.1弹性元件及特性2020年1月24日星期五2.3应变片的特性1弹性元件特性2应变片的特性3温度误差补偿2020年1月24日星期五当具有初始电阻值R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，有：'dRKR2.3.2应变片的特性1)灵敏系数应变片的灵敏系数K’不等于其敏感栅整长应变丝的灵敏系数K，一般K’K。2020年1月24日星期五Fll1Frxyar(a)(b)2.3.2应变片的特性应变片的轴向受力图应变片的横向效应图2020年1月24日星期五将直的电阻丝绕成敏感栅后，虽然长度不变，应变状态相同，但由于应变片敏感栅的电阻变化减小，其灵敏系数K’较整长电阻丝的灵敏系数K小，此现象称为应变片的横向效应。为了减小横向效应产生的测量误差，现在一般多采用箔式应变片。2.3.2应变片的特性2)横向效应2020年1月24日星期五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Rm。通常要求Rm在50~100MΩ以上。绝缘电阻下降将使测量系统的灵敏度降低，使应变片的指示应变产生误差。2.3.2应变片的特性3)绝缘电阻2020年1月24日星期五最大工作电流是指已安装的应变片允许通过敏感栅而不影响其工作特性的最大电流Imax。工作电流大，输出信号也大，灵敏度就高。但工作电流过大会使应变片过热，灵敏系数产生变化，零漂及蠕变增加，甚至烧毁应变片；通常静态测量时取25mA左右，动态测量时可取75～100mA。2.3.2应变片的特性4)最大工作电流2020年1月24日星期五电阻应变片在测量频率较高的动态应变时，应变是以应变波的形式在材料中传播的，所需的时间是非常短暂。但是由于应变片的敏感栅相对较长，只有在应变波通过敏感栅全部长度后，应变片所反映的波形经过一定时间的延迟，才能达到最大值。2.3.2应变片的特性5)动态响应特性2020年1月24日星期五t10%tk90%100%tk＝0.8l0/(a)(b)(c)l02.3.2应变片的特性应变片对阶跃应变的响应特性应变波为阶跃波理论响应特性实际响应特性2020年1月24日星期五应变片对正弦应变波的响应特性ex1x2λπ2sin0xloox2.3.2应变片的特性2020年1月24日星期五2.3应变片的特性1弹性元件特性2应变片的特性3温度误差补偿2020年1月24日星期五由于测量现场环境温度的改变而给测量带来的附加误差，称为应变片的温度误差。产生应变片温度误差的主要因素有下述两个方面：电阻温度系数的影响和材料线膨胀系数的影响2.3.3温度误差及补偿1)温度误差2020年1月24日星期五Rt：温度为t时的电阻值；R0：温度为t0时的电阻值；α0：温度为t0时金属丝的电阻温度系数；Δt：温度变化值，Δt=t-t0。温度变化Δt时，电阻的变化值为：ΔRα=Rt-R0=R0α0ΔtRt=R0(1+α0Δt)(1)电阻温度系数的影响敏感栅的电阻丝阻值随温度变化的关系可用下式表示：2.3.3温度误差及补偿2020年1月24日星期五(2)材料的线膨胀系数的影响ls=l0(1+βsΔt)lg=l0(1+βgΔt)2.3.3温度误差及补偿试件与电阻丝材料的线膨胀系数不同时，环境温度的变化，电阻丝会产生附加变形，从而产生附加电阻变化;设电阻丝和试件在温度为0℃时的长度均为l0,它们的线膨胀系数分别为βs和βg，若两者不粘贴，则它们的长度分别为：2020年1月24日星期五当两者粘贴在一起时，电阻丝产生的附加变形Δl、附加应变εβ和附加电阻变化ΔRβ分别为：0000()()()gsgsgsgslllltltlRKRKRt2.3.3温度误差及补偿2020年1月24日星期五可得由于温度变化而引起的应变片总电阻相对变化量为：0000()[()]tgsgsRRRRRtKtKt2.3.3温度误差及补偿2020年1月24日星期五2)温度补偿电阻应变片的温度补偿方法通常有线路补偿和应变片自补偿两大类。2.3.3温度误差及补偿2020年1月24日星期五R1R3RBR4UoR1RB(a)(b)R1—工作应变片；RB—补偿应变片FF~U(1)线路补偿法:电桥补偿是最常用且效果较好的线路补偿。如下图：Uo=A(R1R4-RBR3)2.3.3温度误差及补偿2020年1月24日星期五当被测试件不承受应变时，R1和RB又处于同一环境温度为t的温