第4章 应变式传感器(电阻应变式)

传感器与检测技术第4章应变式传感器传感器与检测技术第4章应变式传感器主要内容1.电阻应变片原理2.金属应变片的主要特性3.应变片测量电路4.应变式传感器的应用传感器与检测技术第4章应变式传感器概述电阻式应变传感器作为测力的主要传感器，测力范围小到肌肉纤维，大到登月火箭，精确度可到0.01—0.1%。有拉压式（柱、筒、环元件）、弯曲式、剪切式。应变式传感器特征：不同材料类型；金属应变片、半导体应变片应用范围；应变力、压力、转矩、位移、加速度；主要优点；使用简单、精度高、范围大体积小。传感器与检测技术第4章应变式传感器概述各种电子秤广泛应用于－传感器与检测技术第4章应变式传感器概述高精度电子汽车衡动态电子秤电子天平传感器与检测技术第4章应变式传感器概述机械秤包装机吊秤电阻应变式传感器有弹性敏感元件与电阻应变片构成应变片弹性体弹性体是传感器中的敏感元件，应变片是转换元件传感器将被测量的变化转换成电阻变化，再经过转换电路变成电信号输出传感器与检测技术第4章应变式传感器3.1电阻应变片原理（1）应变效应金属电阻应变片的基本原理基于电阻应变效应：即，导体产生机械形变时它的电阻值发生变化。一根长L，截面积为A，电阻率为ρ的金属丝电阻为:当电阻丝受到轴向拉力F作用时，电阻值ΔR的变化引起电阻的相对变化为:dAdAldlRdRAlR传感器与检测技术第4章应变式传感器3.1电阻应变片原理（1）应变效应当电阻丝受到轴向拉力F作用时，金属丝几何尺寸变化引起电阻的相对变化传感器与检测技术第4章应变式传感器3.1电阻应变片原理（1）应变效应dl/l——长度相对变化量，用应变ε表示为ldldA/A——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，则rdrAdA2金属丝受拉力时，沿轴向伸长，沿径向缩短，令dl/l=ε为金属电阻丝的轴向应变，那么轴向应变和径向应变的关系可表示为ldlrdr式中,μ为电阻丝材料的泊松比，负号表示应变方向相反。传感器与检测技术第4章应变式传感器3.1电阻应变片原理（1）应变效应用横向、径向应变、泊松系数带入后电阻变化率为：受力后材料几何尺寸变化（1+2μ），材料电阻率的变化（Δρ/ρ）/ε。或：令灵敏系数传感器与检测技术第4章应变式传感器3.1电阻应变片原理（1）应变效应对于金属电阻丝μ=0.25～0.5(钢μ=0.285)k0≈1+2μk0≈1.5～2金属应变片灵敏系数k0由材料的几何尺寸决定的应力σ=Eε可见σ∝ε应变ε∝ΔR/R应力σ∝ΔR/R•通过弹性元件可将位移、压力、振动等物理量将应力转换为应变进行测量，这是应变式传感器测量应变的基本原理。/(12)传感器与检测技术第4章应变式传感器3.1电阻应变片原理（2）压阻效应和压阻式传感器半导体应变片又称压阻式传感器•优点：灵敏度高、耗电少、有正负两种应力效应。•缺点：受温度影响较大。半导体材料的灵敏系数Ｋ０主要由压阻效应引起的电阻率ρ的变化；灵敏系数远大于金属应变片的灵敏系数。已知固体受力引起的电阻变化为：对半导体Eπ压阻系数传感器与检测技术第4章应变式传感器3.1电阻应变片原理（3）应变片种类•按材料分：金属式：体型、丝式、箔式、薄膜型半导体式体式：体型、薄膜型、扩散型、外延型、PN结型•按结构分：单片、双片、特殊形状•按使用环境：高温、低温、高压、磁场、水下传感器与检测技术第4章应变式传感器3.1电阻应变片原理（3）应变片种类金属应变片结构：网状敏感栅——高阻金属丝(直径0.01-0.05mm)、金属箔(厚0.003-0.01mm)基片——绝缘材料（0.03-0.06mm）盖片——保护层传感器与检测技术第4章应变式传感器3.1电阻应变片原理（3）应变片种类1—敏感元件2、4—基底3—引线应变片组成应变片结构传感器与检测技术第4章应变式传感器3.1电阻应变片原理（3）应变片种类箔式应变片结构传感器与检测技术第4章应变式传感器3.1电阻应变片原理（3）应变片种类各种金属箔式应变片体型半导体电阻应变片传感器与检测技术第4章应变式传感器3.1电阻应变片原理（4）应变片材料对电阻丝材料应有如下要求：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。传感器与检测技术第4章应变式传感器3.1电阻应变片原理（5）应变片的粘贴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为重要的关系。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递到敏感栅上。选择粘结剂时必须考虑多种因素。粘贴工艺包括被测件粘贴表面处理、贴片位置确定、涂底胶、贴片、干燥固化、贴片质量检查、引线的焊接与固定以及防护与屏蔽等。传感器与检测技术第4章应变式传感器3.2金属应变片的主要特性（1）弹性元件的刚度和灵敏度弹性元件在应变片测量技术中占有极其重要的地位。它首先把力、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。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，传感器与检测技术第4章应变式传感器3.2金属应变片的主要特性（1）弹性元件的刚度和灵敏度用刚度的倒数来表示弹性元件的特性，称为弹性元件的灵敏度dFdxCS1dxdFxFClimOFA1230x传感器与检测技术第4章应变式传感器3.2金属应变片的主要特性（2）应变片的灵敏系数金属丝做成应变片后电阻应变特性与单根金属丝不同；实验证明，应变片灵敏系数KK0电阻丝灵敏系数，产品的灵敏系数称“标称灵敏系数”。被测体应变片ＦＦtKRR传感器与检测技术第4章应变式传感器直线电阻丝绕成敏感栅后，虽然长度相同，但应变不同，园弧部分使灵敏系数K↓下降，这种现象称为横向效应。3.2金属应变片的主要特性（3）横向效应传感器与检测技术第4章应变式传感器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。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。3.2金属应变片的主要特性（4）绝缘电阻和最大工作电流传感器与检测技术第4章应变式传感器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，它的传播速度与声波相同，应变片的敏感栅相对较长，当应变波在纵栅长度方向上传播时，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。3.2金属应变片的主要特性（5）动态响应特征t10%tk90%100%tk＝0.8l0/(a)(b)(c)l0传感器与检测技术第4章应变式传感器3.2金属应变片的主要特性（6）应变片温度误差及补偿应变片安装在自由膨胀的试件上，如果环境温度变化，应变片的电阻也会变化，这种变化叠加在测量结果中称应变片温度误差。应变片温度误差来源有两个主要因素：αt——误差应变片本身电阻温度系数影响；βg——试件材料的线膨胀系数影响因环境温度改变引起的附加电阻变化与环境温度变化Δt有关；应变片本身的性能参数K、αt、βs；试件参数βg有关。传感器原理及应用第3章应变式传感器3.2金属应变片的主要特性（6）应变片温度误差及补偿电阻丝阻值与温度关系：0001tttRRtRRt00tttRRRRt温度变化Δt时电阻丝的电阻变化传感器原理及应用第3章应变式传感器3.2金属应变片的主要特性（6）应变片温度误差及补偿试件材料和电阻丝材料的线膨胀系数的影响当试件与电阻丝线膨胀系数相同时，无附加变形。当试件与电阻丝线膨胀系数不同时，产生附加变形。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ls=l0(1+βsΔt)lg=l0(1+βgΔt)传感器原理及应用第3章应变式传感器3.2金属应变片的主要特性（6）应变片温度误差及补偿tRKRKRtlltllllsggsggsgsg)()()(000000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tKtKtRRRRRsgsgt)]([)(000000传感器原理及应用第3章应变式传感器3.2金属应变片的主要特性（6）应变片温度误差及补偿温度补偿方法有：电桥线路补偿、自补偿、辅助测量补偿、热敏电阻补偿、计算机补偿等。•线路补偿：被测试件位置上安装一个补偿片处于相同的温度场,但不承受应变；电桥输出U0与桥臂参数的关系为：当温度变化时ΔR1=ΔRB，电桥平衡，当有应变时R1有增量ΔR1=R1Kε，补偿片RB无变化ΔRB=0电桥输出U0=AR1R4Kε与温度无关Uo=A(R1R4-RBR3)传感器原理及应用第3章应变式传感器3.2金属应变片的主要特性（6）应变片温度误差及补偿•自补偿方法)(00sgK传感器与检测技术第4章应变式传感器3.3电阻应变片测量电路（1）直流电桥①直流电桥的平衡条件负载RL—∞（开路）电桥平衡时I0=0U0=0对比积相等邻臂比相等传感器与检测技术第4章应变式传感器3.3电阻应变片测量电路（1）直流电桥设R1为应变片，应变时R1变化量为ΔR1，这时电桥失衡，不平衡输出电压为：②电压灵敏度传感器与检测技术第4章应变式传感器3.3电阻应变片测量电路（1）直流电桥电桥灵敏度定义为：电桥输出：忽略②电压灵敏度设桥臂比R1传感器与检测技术第4章应变式传感器讨论：•电桥电压灵敏度Ku越大，应变变化相同情况输出电压越大；•Ku与电桥电源E成正比Ku∝E，但供电受应变片允许功耗限制；•Ku是桥臂比n的函数Ku（n），恰当选择n可提高电压灵敏度Ku。3.3电阻应变片测量电路（1）直流电桥②电压灵敏度传感器与检测技术第4章应变式传感器3.3电阻应变片测量电路（1）直流电桥•单臂工作片电压灵敏度：•桥路输出电压：②电压灵敏度讨论：•显然n=1R1=R2R3=R4时有Ku最大0)1(132nndndKU传感器与检测技术第4章应变式传感器3.3电阻应变片测量电路（1）直流电桥单桥半桥全桥②电压灵敏度例：iURRRRRRRRU))((324131420U0UiR1R2R3R4dRRR4RRRR321iURRdRRRRRdRRRU))(()(0kURdRUii44kRdR)21(传感器与检测技术第4章应变式传感器3.3电阻应变片测量电路（2）交流电桥直流电桥优点：电源稳定电路简单，仍是主要测量电路；缺点：直流放大器较复杂，存在零漂工频干扰。交流电桥优点：放大电路简单无零漂，不受干扰，为特定传感器带来方便；缺点：需专用测量仪器或电路不易取得高精度。传感器与检测技术第4章应变式传感器3.3电阻应变片测量电路（2）交流电桥交流电桥输出特征方程：电桥平衡条件：传感器与检测技术第4章应变式传感器3.3电阻应变片测量电路（2）交流电桥交流电桥传感器与检测技术第4章应变式传感器3.3电阻应变片测量电路（2）交流电桥交流电桥需满足对臂复数的模积相等，幅角之和相等。443122221111,1,1RZRZCRjRZCRjRZ每一桥臂上复阻抗分别为传感器与检测技术第4章应变式传感器3.3电阻应变片测量电路（2）交流电桥3222411111RCRjRRCRjR24241313CRjRRCRjRR