第2电阻式传感器

第2章电阻式传感器电阻式传感器是将被测非电量转换成电阻值变化的器件或装置。由于构成电阻的材料种类很多，如导体、半导体、电解质等，引起电阻变化的物理原因也很多，如材料的应变或应力变化、温度变化等，这就产生了各种各样的电阻式传感器。被测量电阻式传感器电阻第2章电阻式传感器电阻式传感器包括：①热电阻；②热敏电阻；③光敏电阻；④湿敏电阻；⑤气敏电阻；⑥磁敏电阻；⑦压敏电阻；⑧电位器式传感器；⑨电阻应变式传感器；⑩压阻式传感器。第2章电阻式传感器2.1电阻应变式传感器2.2压阻式传感器2.1电阻应变式传感器应变式传感器是利用电阻应变效应做成的传感器。由电阻应变片和测量电路两部分组成。应变式传感器的核心元件是电阻应变片(计)。电阻应变片弹性元件信号调节电路2.1.1电阻应变片的基本原理与结构2.1.2电阻应变片的主要参数及工作特性2.1.3电阻应变片的测量电路2.1.4电阻应变式传感器应用举例2.1电阻应变式传感器1.金属的电阻应变效应长为L、截面积为A、电阻率为r的金属或半导体丝，电阻为若导线沿着轴线方向受到力的作用而产生变形，则其电阻值也随之发生变化，这一现象称为电阻应变效应。)1.2(ALRr2.1.1电阻应变片的基本原理与结构将式(2.1)两边微分得)2.2(ddddrrAALLRR经推导可得)3.2(]d1)21[(d)21(dSrrrrKRR2.1.1电阻应变片的基本原理与结构2.1.1电阻应变片的基本原理与结构KS称为电阻应变敏感材料的灵敏系数，即)4.2(/dd1)21(SrrRRKKS表示当发生应变时，其电阻变化率与其应变的比值。KS的大小由两个因素引起，第一项是由几何尺寸的改变所引起的，第二项是受力后材料的电阻率r发生变化而引起的(称压阻效应)。2.1.1电阻应变片的基本原理与结构对金属来说，第二项很小，可忽略不计，KS的第一项起主要作用，＝0.25～0.5，故KS≈1.5～2。对半导体而言，第二项取值为50～100，第一项可忽略不计。可见，半导体的灵敏系数要比金属大得多。制造金属电阻应变片的几种材料的性能如表2.1所示。2.1.1电阻应变片的基本原理与结构2.电阻应变片的结构图中，l称为应变片的标距，或称工作基长；b称为应变片的基宽，或称工作宽度；l×b称为应变片的使用面积。2.1.1电阻应变片的基本原理与结构电阻丝较细，直径一般在0.015～0.06mm，两端焊有较粗的低阻镀锡铜丝(直径为0.1～0.2mm)作为引线，以便与测量电路连接。应变片的规格一般是以使用面积和电阻来表示的，如PJ-120型金属电阻应变片的规格为13mm×5mm，120W。2.1.1电阻应变片的基本原理与结构应变片的分类：①从尺寸上，长的有几百mm，短的仅0.2mm；②从结构形式上，有单片、双片、应变花和各种特殊形状的图案；③从使用环境上，有高温、低温、水、核辐射、高压、磁场等；④从安装形式上，有粘贴、非粘贴、焊接、火焰喷涂等。2.1.1电阻应变片的基本原理与结构主要的分类方法是根据敏感元件材料的不同，将应变片分为金属式和半导体式两大类。从敏感元件的形态又可进一步分成不同类型。结及其他形式外延型扩散型薄膜型体型半导体式薄膜型箔式胶基纸基丝式金属式应变片PN2.1.1电阻应变片的基本原理与结构1)金属应变片(1)金属丝式应变片最早采用圆弧(U)形，制作简单但横向效应较大。直角(H)形两端用较粗的镀银铜线焊接，横向效应相对较小，但制作工艺复杂，将逐渐被横向效应小、其他方面性能更优越的箔式应变片所代替。2.1.1电阻应变片的基本原理与结构(2)箔式应变片它是利用照相制版或光刻腐蚀法将电阻箔材在绝缘基底上制成各种图形的应变片(厚度一般在0.003～0.01mm)。2.1.1电阻应变片的基本原理与结构箔式应变片与金属丝式应变片相比有如下特点①敏感栅尺寸准确、线条均匀，大批量生产时电阻值离散程度小。可根据不同测量要求制成任意形状。②可制成基长很小的应变片。③敏感栅弯头横向效应可忽略。2.1.1电阻应变片的基本原理与结构④箔式应变片敏感栅截面为长方形，表面积大，散热性能好，在相同断面积情况下能通过较大的工作电流，从而能增大输出信号。⑤疲劳寿命长，机械滞后小，蠕变小。⑥便于批量生产，而且生产效率高。2.1.1电阻应变片的基本原理与结构(3)薄膜式应变片它是采用真空溅射或真空沉积等镀膜技术将应变电阻材料镀在基底材料上而形成的(厚度在零点几nm到几百nm)。这类应变片的显著特点是灵敏系数大，允许的电流密度大，工作温度范围广(－197～317℃)，也可用于核辐射等特殊情况下，易实现工业化批量生产。2.1.1电阻应变片的基本原理与结构2)半导体应变片(1)体型半导体应变片。2.1.1电阻应变片的基本原理与结构(2)薄膜型半导体应变片。(3)扩散型半导体应变片。(4)外延型半导体应变片。2.1.1电阻应变片的基本原理与结构半导体应变片有如下优点①灵敏度高。②体积小，耗电省。③具有两种符号的应力效应(即在拉伸时P型硅应变片的灵敏系数为正值，N型硅的为负值)。主要缺点是受温度的影响大、非线性严重。2.1.1电阻应变片的基本原理与结构3.电阻应变片的工作原理弹性元件变形应变片变形电阻改变FDR力)(SFfRKRDf(F)的形式与弹性元件有关。2.1.1电阻应变片的基本原理与结构4.电阻应变片的特点(1)优点①测量精度高，测量应变的误差小于1%。②测量范围广，应变测量范围一般可由数个至数千个。从弹性变形一直可测至塑性变形。变形范围从1%～20%。③分辨力高，通常可达1。2.1.1电阻应变片的基本原理与结构④频率响应特性好，可测几十甚至上百kHz的动态过程。⑤尺寸小(超小型应变片的敏感栅尺寸为0.2mm×2.5mm)、重量轻、结构简单，测试时对试件的工作状态及应力分布基本上没有影响，适合动、静态测量。2.1.1电阻应变片的基本原理与结构⑥环境适应性强，可在高温、低温、高压、高速、水下、强烈振动、强磁场、核辐射及化学腐蚀等各种恶劣环境条件下使用。⑦便于实现多点测量及远距离传送。2.1.1电阻应变片的基本原理与结构(2)缺点①在大应变状态下具有较大的非线性，半导体应变片的非线性更为显著。②应变片的输出信号较微弱，故其抗干扰能力较差，因此，对信号连接导线要认真屏蔽。2.1.1电阻应变片的基本原理与结构③虽然应变片尺寸较小，但测出的仍是应变片敏感栅范围内的平均应变，不能完全显示应力场中应力梯度的变化。④应变片的温度系数较大。2.1电阻应变式传感器2.1.1电阻应变片的基本原理与结构2.1.2电阻应变片的主要参数及工作特性2.1.3电阻应变片的测量电路2.1.4电阻应变式传感器举例√2.1.2电阻应变片的主要参数及工作特性1.电阻应变片的主要参数(1)电阻值是指应变片在安装前及室温下测定的电阻值，也称为初始电阻值。有60W、90W、120W、250W、350W、600W和1000W等，120W和350W应用较多。2.1.2电阻应变片的主要参数及工作特性(2)几何尺寸标距(或工作基长)l相对于工作宽度(或基宽)b较小时横向效应较大，所以通常尽量用l值较大的应变片。但在应变变化梯度大的场合(如应力集中处)，则应该使用l小的应变片。目前最小标距可做到0.2mm，最大可达300mm以上。b值小时应变片的整体尺寸可减小，但散热性能变差。2.1.2电阻应变片的主要参数及工作特性(3)灵敏系数应变片灵敏系数(以下用K表示)的定义为：将应变片安装在处于单向应力状态的试件表面，试件由泊松比µ＝0.285的钢构成。使其灵敏轴线与应力方向平行时，应变片电阻值的相对变化与沿轴向的应变之比值。即)6.2(/RRKD2.1.2电阻应变片的主要参数及工作特性因一般应变片粘贴到试件上后不能取下再用，故只能在每批产品中提取一定百分比(如5%)的产品进行测定，取其平均值作为这一批产品的灵敏系数。这就是产品包装盒上注明的灵敏系数，或称“标称灵敏系数”。2.1.2电阻应变片的主要参数及工作特性例2.1如果将100W的电阻应变片贴在弹性试件上，试件受力横截面积S＝0.5×10－4m2，弹性模量E＝2×1011N/m2，若有F＝5×104N的拉力引起应变片电阻变化为1W。试求该应变片的灵敏系数。2.1.2电阻应变片的主要参数及工作特性(4)绝缘电阻(5)允许电流(6)应变极限(7)疲劳寿命是指粘贴在试件表面上的应变片，在恒定幅值的交变应力作用下，可以连续工作而不产生疲劳损坏的循环次数。2.1.2电阻应变片的主要参数及工作特性(8)机械滞后(9)零漂和蠕变(10)线性度2.1.2电阻应变片的主要参数及工作特性2.横向效应应变片由于圆弧处感受横向应变而使电阻变化率减小并使应变片灵敏系数降低的现象称为应变片的横向效应。原因在于圆弧段感受到的轴向应变从x到x。lqxy=x2.1.2电阻应变片的主要参数及工作特性应变片的粘贴应变片通常是用粘合剂粘贴到试件上的，在做应变测量时，通过粘合剂所形成的胶层将试件上的应变传递到应变片的敏感栅上去。因此，粘合剂的选择和粘贴质量的好坏直接关系到应变片的工作情况，影响测量结果的准确性。2.1.2电阻应变片的主要参数及工作特性3.温度效应及其补偿(1)温度效应把应变片安装在自由膨胀的试件上，即使试件不受任何外力作用，如果环境温度发生变化，应变片的电阻也将发生变化，这种现象称为应变片的温度效应。由温度变化引起的应变输出称为热输出，它是虚假应变，在测量中须设法予以消除。2.1.2电阻应变片的主要参数及工作特性产生温度误差的原因主要有两个①敏感栅金属丝本身的电阻随温度变化。电阻与温度的关系可由下式表示)7.2(100）（TRRTD)8.2(//001KTKRRTDDD若由于电阻值随温度变化引起的应变误差记作D1，则由式(2.6)、(2.7)可得2.1.2电阻应变片的主要参数及工作特性②由于敏感栅材料的线膨胀系数bs与试件材料的线膨胀系数bg不同引起附加变形而使电阻变化，表示为)9.2()(/sg0TKKRRTDDbb若由于bs与bg不同而使电阻变化造成的应变误差记作D2，则)10.2()(/sg02TKRRTDDDbb2.1.2电阻应变片的主要参数及工作特性由于温度效应而造成的附加应变(热输出)为)11.2(]/[sg021TKDDDD）（bb(2)温度补偿温度补偿就是消除热输出对应变测量的影响。通常有桥路补偿法、应变片自补偿法和热敏电阻补偿法。2.1.2电阻应变片的主要参数及工作特性①桥路补偿工作应变片R1与补偿应变片R2参数相同。R1粘贴在试件上，R2粘贴在和试件材料相同、处于同一温度的补偿块上。测量时，使二者接入电桥的相邻臂上。2.1.2电阻应变片的主要参数及工作特性有时可将补偿片亦贴在被测试件上，使其既能起到温度补偿作用，又能提高灵敏度、补偿非线性。例如，构件作纯弯曲变形时。R1MMR2非纯弯曲变形也近似适用。2.1.2电阻应变片的主要参数及工作特性②应变片自补偿法。通过选配敏感栅材料及其结构参数，使其自身具有温度补偿作用(称为温度自补偿应变片)。i.单丝自补偿应变片。由式(2.11))12.2(sg0）（bbK)11.2(]/[sg0TKDD）（bb可知，自补偿条件如下2.1.2电阻应变片的主要参数及工作特性ii.双金属敏感栅自补偿应变片。也称组合式自补偿应变片。它是利用两种电阻温度系数符号相反的电阻丝材料，将二者串联绕制成敏感栅。若两段敏感栅R1和R2的DR1T=DR2T，就可实现温度补偿。R1与R2的关系可由下式决定)14.2(//12112221DDRRRRRRTT焊点R1R22.1.2电阻应变片的主要参数及工作特性也可采用两种电阻温度系数符号相同的丝材。R1是工作臂，R2与外接串联电阻R5(温度系数很小)组成补偿臂。满足下面条件即