第三章_电阻应变片式传感器

航空与机械工程学院第三章电阻应变式传感器本章学习要求：1.了解传感器的分类2.掌握金属应变片传感器的机构原理及特性3.对电阻应变片测量电桥的分析,掌握电桥的结构、形式、特点及相关的计算。机电工程测量航空与机械工程学院第三章、电阻应变片式传感器3.1概述1.传感器定义传感器是借助检测元件将一种形式的信息转换成另一种信息的装置。物理量电量目前，传感器转换后的信号大多为电信号。因而从狭义上讲，传感器是把外界输入的非电信号转换成电信号的装置。航空与机械工程学院2.传感器的构成传感器由敏感器件与辅助器件组成。敏感器件的作用是感受被测物理量，并对信号进行转换输出。辅助器件则是对敏感器件输出的电信号进行放大、阻抗匹配，以便于后续仪表接入。3.1概述dV航空与机械工程学院3.传感器的分类3.1概述1)按被测物理量分类常见的被测物理量机械量:长度,厚度,位移,速度,加速度,旋转角,转数,质量,重量,力,压力,真空度,力矩,风速,流速,流量;声:声压,噪声.磁:磁通,磁场.温度:温度,热量,比热.光：亮度，色彩航空与机械工程学院3.1概述机械式,电气式,光学式,流体式等.2)按工作的物理基础分类:航空与机械工程学院3.1概述能量转换型和能量控制型.3)按信号变换特征:能量转换型:直接由被测对象输入能量使其工作.例如:热电偶温度计,压电式加速度计.能量控制型:从外部供给能量并由被测量控制外部供给能量的变化.例如:电阻应变片.航空与机械工程学院3.1概述4)按敏感元件与被测对象之间的能量关系:物性型:依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来实现信号变换.如:水银温度计.结构型:依靠传感器结构参数的变化实现信号转变.例如:电容式和电感式传感器.航空与机械工程学院电阻应变式传感器--应变片电阻应变片工作原理是基于金属导体的应变效应，即金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着所受机械变形(伸长或缩短)的变化而发生变化象。3.2电阻应变式传感器航空与机械工程学院1)工作原理(电阻应变效应)上述任何一个参数变换均会引起电阻变化,求导数3.2电阻应变式传感器金属应变片的电阻R为AlR/dAldAAldlAdR2代入AlR/dRAdARldlRdR航空与机械工程学院3.2电阻应变式传感器dAdAldlRdR有：金属丝：2rAdrdrldlRdR2金属丝体积不变：ldlrdr航空与机械工程学院3.2电阻应变式传感器有：dRdR2对金属材料，导电率不变：)21(RdR金属丝应变片：航空与机械工程学院应变计3.2电阻应变式传感器金属应变计航空与机械工程学院3.2电阻应变式传感器半导体应变计drdrldlRdR2简化为：dRdRE•优点：灵敏度大;体积小;•缺点：温度稳定性和可重复性不如金属应变片。航空与机械工程学院3)应变片的主要参数4）其它表示应变计性能的参数（工作温度、滞后、蠕变、零漂以及疲劳寿命、横向灵敏度等）。3.2电阻应变式传感器1）几何参数：表距L和丝栅宽度b，制造厂常用b×L表示。2）电阻值：应变计的原始电阻值。3）灵敏系数：表示应变计变换性能的重要参数。航空与机械工程学院1.直流电桥平衡条件E为电源电压，R1、R2、R3及R4为桥臂电阻，RL为负载电阻R1R2R4R3ACBEDIoRLUo＋－433211RRRRRREUo当RL→∞时，电桥输出电压为当电桥平衡时，Uo=0，则有4321RRRR或R1R4=R2R33)应变片测量电路3.2电阻应变式传感器为电桥平衡条件航空与机械工程学院2.电压灵敏度应变片工作时，其电阻值变化很小，电桥相应输出电压也很小，一般需要加入放大器进行放大。由于放大器的输入阻抗比桥路输出阻抗高很多，所以此时仍视电桥为开路情况。当受应变时，若应变片电阻变化为ΔR，其它桥臂固定不变，电桥输出电压Uo≠0，则电桥不平衡，输出电压为3.2电阻应变式传感器341211113443211414332111111))((RRRRRRRRRRERRRRRRRRRRRRRRREUo航空与机械工程学院3.2电阻应变式传感器设桥臂比n=R2/R1，由于ΔR1R1，分母中ΔR1/R1可忽略，并考虑到平衡条件R2/R1=R4/R3，则上式可写为ERRnnUo112)1(电桥电压灵敏度定义为EnnRRUKoU211)1(航空与机械工程学院从上式分析发现：①电桥电压灵敏度正比于电桥供电电压，供电电压越高，电桥电压灵敏度越高，但供电电压的提高受到应变片允许功耗的限制，所以要作适当选择；②电桥电压灵敏度是桥臂电阻比值n的函数，恰当地选择桥臂比n的值，保证电桥具有较高的电压灵敏度。当E值确定后，n取何值时才能使KU最高。EnnRRUKoU211)1(3.2电阻应变式传感器航空与机械工程学院由dKU/dn=0求KU的最大值，得0)1(132nndndKU求得n=1时，KU为最大值。这就是说，在供桥电压确定后，当R1=R2=R3=R4时，电桥电压灵敏度最高，此时有4411EKRREUUo从上述可知，当电源电压E和电阻相对变化量ΔR1/R1一定时，电桥的输出电压及其灵敏度也是定值，且与各桥臂电阻阻值大小无关。)21(RdR金属丝应变片：3.2电阻应变式传感器航空与机械工程学院3.非线性误差及其补偿方法式是略去分母中的ΔR1/R1项，电桥输出电压与电阻相对变化成正比的理想情况下得到的，实际情况则应按下式计算，即ERRnnUo112)1()1(11111'nRRnRRnEUo与ΔR1/R1的关系是非线性的，非线性误差为'oU1111'1RRnRRUUUoooL3.2电阻应变式传感器航空与机械工程学院如果是四等臂电桥，R1=R2=R3=R4，即n=1，则1111212RRRRL对于一般应变片来说，所受应变ε通常在5000μ以下，若取KU=2，则ΔR1/R1=KUε=0.01，代入式计算得非线性误差为0.5%；若KU=130，ε=1000μ时，ΔR1/R1=0.130，则得到非线性误差为6%，故当非线性误差不能满足测量要求时，必须予以消除。3.2电阻应变式传感器航空与机械工程学院为了减小和克服非线性误差，常采用差动电桥如图所示，在试件上安装两个工作应变片，一个受拉应变，一个受压应变，接入电桥相邻桥臂，称为半桥差动电路，如图(a)所示。该R1＋R1R4R3ACBEDR2－R2Uo(a)R1＋R1ACBEDR2－R2Uo(b)R3－R3R4＋R4＋－＋－图差动电桥3.2电阻应变式传感器航空与机械工程学院433221111RRRRRRRRREUo若ΔR1=ΔR2，R1=R2，R3=R4，则得112RREUo由式可知，Uo与ΔR1/R1成线性关系，差动电桥无非线性误差，而且电桥电压灵敏度KU=E/2，是单臂工作时的两倍，同时还具有温度补偿作用。3.2电阻应变式传感器航空与机械工程学院若将电桥四臂接入四片应变片，如图（b）所示，即两个受拉应变，两个受压应变，将两个应变符号相同的接入相对桥臂上，构成全桥差动电路。若ΔR1=ΔR2=ΔR3=ΔR4，且R1=R2=R3=R4，则EKRREUUo11此时全桥差动电路不仅没有非线性误差，而且电压灵敏度为单片工作时的4倍，同时仍具有温度补偿作用。3.2电阻应变式传感器航空与机械工程学院3.2电阻应变式传感器电阻应变片的选择、粘贴技术1.目测电阻应变片有无折痕.断丝等缺陷，有缺陷的应变片不能粘贴。2.用数字万用表测量应变片电阻值大小。同一电桥中各应变片之间阻值相差不得大于0.5欧姆.3.试件表面处理：贴片处置用细纱纸打磨干净，用酒精棉球反复擦洗贴处，直到棉球无黑迹为止。4.应变片粘贴:在应变片基底上挤一小滴502胶水，轻轻涂抹均匀，立即放在应变贴片位置。航空与机械工程学院3.2电阻应变式传感器5.焊线:用电烙铁将应变片的引线焊接到导引线上。6.用兆欧表检查应变片与试件之间的绝缘组织，应大于500M欧。7.应变片保护：用704硅橡胶覆于应变片上，防止受潮。航空与机械工程学院1.应变片的温度误差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。1)敏感栅的电阻丝阻值随温度变化的关系可用下式表示：Rt=R0(1+α0Δt)3.2电阻应变式传感器航空与机械工程学院式中: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当温度变化Δt时，电阻丝电阻的变化值为：ΔRα=Rt-R0=R0α0Δt3.2电阻应变式传感器航空与机械工程学院2)当试件与电阻丝材料的线膨胀系数相同时，不论环境温度如何变化，电阻丝的变形仍和自由状态一样，不会产生附加变形。当试件与电阻丝材料的线膨胀系数不同时，由于环境温度的变化，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ls=l0(1+βsΔt)lg=l0(1+βgΔt)3.2电阻应变式传感器航空与机械工程学院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tRKRKRtlltllllsgsggsgsg)()()(0000003.2电阻应变式传感器航空与机械工程学院由上式，可得由于温度变化而引起的应变片总电阻相对变化量为tKtKtRRRRRsgsgt)]([)(000000由上式可知，因环境温度变化而引起的附加电阻的相对变化量，除了与环境温度有关外，还与应变片自身的性能参数（K0,α0,βs）以及被测试件线膨胀系数βg有关。3.2电阻应变式传感器航空与机械工程学院2.电阻应变片的温度补偿方法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。1)线路补偿法电桥补偿是最常用且效果较好的线路补偿。图(a)是电桥补偿法的原理图。电桥输出电压Uo与桥臂参数的关系为：Uo=A(R1R4-RBR3)R1R3RBR4UoR1RB(a)(b)R1—工作应变片；RB—补偿应变片FF~U3.2电阻应变式传感器航空与机械工程学院式中,A为由桥臂电阻和电源电压决定的常数。由上式可知，当R3和R4为常数时，R1和RB对电桥输出电压Uo的作用方向相反。利用这一基本关系可实现对温度的补偿。测量应变时，工作应变片R1粘贴在被测试件表面上，补偿应变片RB粘贴在与被测试件材料完全相同的补偿块上，且仅工作应变片承受应变,如图3-8(b)所示。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的温度场中，调整电桥参数使之达到平衡，此时有0)(341RRRRAUBo工程上，一般按R1=RB=R3=R4选取桥臂电阻。3.2电阻应变式传感器航空与机械工程学院当温度升高或降低Δt=t-t0时，两个应变片因温度而引起的电阻变化量相等，电桥仍处于平衡状态，即0])()[(3411RRRRRRAUBtBto若此时被测试件有应变ε的作用，则工作应变片电阻R1又有新的增量ΔR1=R1Kε，而补偿片因不承受应变，故不产生新的增量，此时电桥输出电压为KRARUo41由上式可知，电桥的输出电压Uo仅与被测试件的应变ε有关，而与环境温度无关。3.2电阻应变式传感器航空与机械工程学院应当指出，若要实现完全补偿，上述分析过程必须满足以下4个条件：①在应变片工作过程中，保证R3=R4。②R1和RB两个应变片应具有相同的电阻温度系数α、线膨胀系数β、应变灵敏度系数K和初始电阻值R0