2006_检测_6_电阻应变式传感器

Cha.6电阻应变式传感器敏感元件：金属电阻应变片或半导体电阻应变片。主要应用：力学参数的测量(应变及能转换为应变的其它物理量如压力、荷重、加速度等)。基本概念：应变——由载荷、温度、湿度等因素引起的物体局部的相对形变。一、电阻应变片的结构和类型⑴．金属电阻丝式⑵．金属箔式⑶．半导体式金属电阻丝式应变片实物图金属箔式应变片实物图二、金属电阻应变片工作原理金属导体的电阻定律(以线材为例分析)2rA=πr2L：导线截面积。：导线的电阻率、均匀导线的长度、总电阻、式中ALRALR::.其全微分，并两边同除以R：的变化均为线形的）、、（ALRAALLRRAdAdLdLRdR给出了总电阻的相对变化量与其它三个量的相对变化的关系：在力的作用下，L、A、ρ均可发生变化，进而导致R发生变化。xxyxyyxrdrLdLrdrrdrLdL即由，，径向应变为（纵向）应变为向轴设drdrLdLdAdALdLRdR2由:得:)21(2xxxRR半导体压阻效应金属应变效应xK)21(令xKRR**可得电阻的相对变化与轴向(线)应变的关系——电阻应变效应表达式关于K的讨论：①金属材料，以几何尺寸变化为主；②半导体材料，以电阻率变化为主。一般，金属材料在弹性范围内，K为常数，1.6~6。三、金属电阻应变片主要参数①原始电阻值R：指应变片未经安装也不受外力情况下于室温时所测定的电阻值。常见有60Ω，120Ω，200Ω，250Ω，1000Ω几种规格。②应变灵敏系数K③最大工作电流④应变极限⑤温度效应及热输出t）分缩短，引起电阻减小（轴向伸长同时弯曲部测量值偏小横向效应）测量值偏大（温度效应（主要）源利用应变片测量误差来t(a)应变片及轴向受力图(b)横向效应应变片在使用时，用粘合剂粘在试件表面，用来测量试件表面的应变。粘贴时需使栅丝的轴线沿应变方向。应变方向应变片与试件的粘结试件应变片注：当试件的应变方向不单一时，要使用多片。应用时将应变片粘结在被测试件表面上，当试件受力变形时，应变片的敏感栅也随之变形，引起应变片电阻变化，通过测量电路将其转换为电压或电流信号输出。四、电阻应变片选用和粘贴五、测量电路测量电路：把应变片的电阻变化转变为电压或电流变化功能的电路。常用应变片的灵敏系数较小，所以电阻的变化范围很小，一般在0.5Ω以下。如何能测量出这样小的电阻变化，选择测量电路也是很重要的。电阻应变式传感器的测量电路一般采用电桥电路。见P69图7－3，电桥的一个对角线接入电源电压U，另一个对角线为输出电压Uo：为了使电桥在测量前的输出为零，应该选择四个桥臂电阻，使R2R4=R1R3或R1/R2=R4/R3——电桥的平衡条件URRRRRRRRURRRRRRUUUUDCBCBDO43213142433212•工作应变片：感受弹性元件变形，产生电阻变化并接入电桥充当桥臂电阻的应变片称为工作应变片。•根据不同的要求，应变片在电桥中主要有以下三种不同组桥方式：1).单臂电桥（一块工作应变片）假设R2为应变片，工作时阻值变化为∆R；其余各臂为固定电阻；对半等臂电桥（）及全等臂电桥，分析(*)式最终可得到KUUO4RRRRRR4321,过程见板书推导2).半桥工作（2块应变片）对半等臂电桥及全等臂电桥，分析(*)式最终可得到3).全桥工作（4块应变片）对半等臂电桥及全等臂电桥，分析(*)式最终可得到RRRRR令工作，即动差为应变片，且、设2121KUUO2工作动差，且各臂设各应变片电阻变化4,3,2,1iRiUKUO测量补偿电路1)热输出补偿（桥路补偿法）KUURRURRRRRRRRRRURRRRURRRRRRRRURRRRRRRRRRRRRRfttfttfOtftftt44222222112432131422222211121桥）对半等臂电桥（卧式电工作时，有应变片作工为应变片，偿补为设热输出已消除！2)传感器电路补偿温漂补偿（温度变化零点和灵敏度漂移）电桥初始不平衡补偿非线性补偿测量电路结构分析六、压阻效应与压阻式传感器（半导体应变片传感器）半导体压阻效应与半导体电阻应变效应ERRERRRRxx＝应变效应故，半导体材料的电阻而根据半导体压阻效应故对于半导体材料，关系一般地，电阻应变效应)21()21(七、应用1、应用范围及应用特点测力、扭矩、加速度等可以转换为弹性元件应变的物理量。2、应用举例柱筒型测力传感器位移传感器，为线性关系。且，输出电压再经过电桥测量电路，测量之间的关系，由此，建立了应变和被＝均匀受力)(FfUUEAFEAFdAdFooxx柱式力传感器工作示意图