西安交通大学 现代检测技术 第五章 应变式传感器改

现代检测技术电阻应变式传感器精勤求学敦笃励志果毅力行忠恕任事Xi’anJiaotongUniversity电阻式传感器的基本原理：将被测物理量的变化转换成电阻值的变化，再经相应的测量电路显示或记录被测量值的变化。其种类繁多，应用广泛。按照其工作原理可分为：变阻器(电位器)式、电阻应变式、固态压阻式、热敏电阻式、气敏电阻式、磁敏电阻式等。电阻应变式传感器是基于测量物体受力变形所产生应变的一种传感器，最常用的传感元件为电阻应变片。电阻式传感器Xi’anJiaotongUniversity1－敏感栅；2－基底；3－引线；4－覆盖层；5－黏合剂；6－电极；电阻应变片的基本结构Xi’anJiaotongUniversity电阻应变效应是指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)的变化而发生变化的现象。应变片压阻效应：半导体材料在受到外力作用时，其电阻率ρ发生变化的现象。b引线覆盖层基片L电阻丝敏感栅ALR电阻应变片的工作原理Xi’anJiaotongUniversity22/-(--22/-21/)-2xxxxLLRLAAAARLARLAArArrArrALrLRRr假设金属丝截面为圆形为泊松比，金属约为0.3，为纵向应变电阻应变片的工作原理Xi’anJiaotongUniversity电阻应变片的工作原理对金属材料，电阻率几乎不变：0012,12xxRSSR，称为灵敏度系数S0通常取1.8～3.6。对于半导体材料，以压阻效应为主。半导体材料压阻效应的大小和符号与材料、力的方向、载流子浓度等有关，根据半导体材料的压阻效应：xEXi’anJiaotongUniversity22//66~133xxEmNENmERER－1111—轴向应力—纵向压阻系数，(40～80)10—电阻丝材料弹性模量，1.6710所以特点：比金属丝式灵敏度高，输出电流大，但非线性严重，温度稳定性较差。电阻应变片的工作原理Xi’anJiaotongUniversity电阻应变片的种类Xi’anJiaotongUniversity电阻应变片的种类Xi’anJiaotongUniversity电阻应变片的种类Xi’anJiaotongUniversity电阻应变片的种类照相制版是利用照相复制和化学腐蚀相结合的技术制取金属印刷版的化学加工方法。照相制版的原理是把所需的文字和图像按要求缩放到底片上，再将底片贴合在涂有感光胶的金属板上进行曝光，经过显影便可在金属板上形成所需要的文字或图像的感光胶膜。然后对胶膜进行抗蚀性处理，使之成为一种有很强的耐酸碱性、有光泽的珐琅质薄层。再将金属板浸入硝酸或三氯化铁溶液中，无珐琅质胶膜的金属表面便被腐蚀溶解，形成凸出的文字或图像的印刷版。1822年,法国的涅普斯首先进行了照相制版的实验。1839年，苏格兰的庞顿阐明了现代照相制版方法。1850年，法国的吉洛发明了铜锌版的照相制版法。1948年，美国发明了无粉腐蚀法，照相制版开始获得广泛使用。照相制版是光刻和化学雕刻等加工工艺的基础。Xi’anJiaotongUniversity箔式应变片优点:①可制成多种复杂形状、尺寸准确的敏感栅，其栅长最小可做到0.2mm，以适应不同的测量要求；②横向效应小；③散热条件好，允许电流大，提高了输出灵敏度；④蠕变和机械滞后小，疲劳寿命长；⑤生产效率高，便于实现自动化生产。金属箔的材料常用康铜和镍铬合金等。目前使用的应变片大多是金属箔式应变片。电阻应变片的种类Xi’anJiaotongUniversity在单晶硅上扩散p型杂质电阻应变片的种类Xi’anJiaotongUniversity电阻应变片的种类Xi’anJiaotongUniversity采用真空沉积或高频溅射等方法，在绝缘基片上形成厚度在0.1μm以下的电阻材料薄膜的敏感栅——厚度大约为箔式应变片的十分之一以下。优点：应变灵敏系数大，可靠性好，精度高，容易做成高阻抗的小型应变片，无迟滞和蠕变现象，具有良好的耐热性和冲击性能等。用化学气相淀积法制备薄膜，成膜温度低、可靠性好、系统简单等。薄膜应变片：电阻应变片的种类Xi’anJiaotongUniversity电阻应变片将应变转换为电阻的变化量，测量电路将电阻的变化再转换为电压或电流信号，最终实现被测量的测量。电阻的变化一般采用电桥电路测量。电桥按其电源性质的不同可以分为直流电桥和交流电桥。直流电桥只能测量电阻，而交流电桥可用于测量电阻、电感和电容的变化。直流电桥R1R2R4R3bacdUIUoI1I2+-原理：利用一个或数个桥臂的阻值变化引起电桥输出电压的变化；桥臂可由电阻式敏感元件构成。测量电路及温度补偿Xi’anJiaotongUniversity测量电路及温度补偿Xi’anJiaotongUniversity直流电桥常见连接形式R1±△RR2R4R3bacdUIUoI1I2R1±△R1R2△R2R4R3bacdUIUoI1I2±R1±△R1R2△R2bacdUIUoI1I2±R3±△R3R4△R4±半桥单臂半桥双臂全桥测量电路及温度补偿Xi’anJiaotongUniversity半桥单臂：1324123400424oIIIRRRRRUURRRRRRRUURRR假设：12340RRRRR1234RRRRR半桥双臂：02oIRUUR全桥：0oIRUUR测量电路及温度补偿Xi’anJiaotongUniversity半桥单臂：04oIRUUR半桥双臂：02oIRUUR全桥：0oIRUUR测量电路及温度补偿Xi’anJiaotongUniversity当全桥四个桥臂阻值变化同号时，即：11223344,,,RRRRRRRR有：3124000014oIRRRRUURRRR测量电路及温度补偿Xi’anJiaotongUniversity测量电路及温度补偿Xi’anJiaotongUniversity测量电路及温度补偿+Xi’anJiaotongUniversityα——敏感栅材料的电阻温度系数；S——敏感栅灵敏度系数；β1、β2——分别为敏感栅和试件的线膨胀系数；测量电路及温度补偿Xi’anJiaotongUniversity温度引起的电阻变化总值：12[()]tRRSt12()0S使测量电路及温度补偿Xi’anJiaotongUniversity测量电路及温度补偿Xi’anJiaotongUniversity温度升高引起应变片灵敏度下降，电桥输出电压下降；热敏电阻的阻值随温度升高而减小，使电桥的供电电压随温度升高而增加，适当选取分流电阻R0的值，可以补偿由于应变片灵敏度变化引起的输出电压的变化，达到温度补偿。测量电路及温度补偿热敏电阻补偿法原理Xi’anJiaotongUniversity利用适当的布片和组桥方式消除温度变化和复合载荷作用的影响，获得最大的输出灵敏度。1）应变片应布置在弹性元件产生应变最大的位置，并沿主应力方向贴片；贴片处的应变尽量与外载荷呈线性关系（避开非线性区），同时应注意使该处不受非待测载荷的干扰影响。2）根据电桥的和差特性，选择适当的接桥方式，可以使输出的灵敏度最大，同时又能排除非待测载荷的影响并进行温度补偿。应变片的布置与桥接方式Xi’anJiaotongUniversityR1、R3串接，R2、R4串接并置于相对臂，减小弯矩影响；横向贴片作温度补偿。应变片的布置与桥接方式Xi’anJiaotongUniversity应变片的布置与桥接方式Xi’anJiaotongUniversity相关计算例：一台用等强度梁作为弹性元件的电子秤，在梁的上、下面各贴两片相同的电阻应变片（K=2），如图所示。已知l=100mm，b=11mm，t=3mm，E=2×104N/mm2。现将四个应变片接入直流电桥中，电桥电源，当作用力F=0.5kg时，求电桥输出电压U0？注：等强度梁应力应变关系：26FlbtEXi’anJiaotongUniversity相关计算解：根据题意，电阻相对变化量为：电桥输出电压为：31221322RRRRKRRRR0224660.59.8100260.0178V113210RFlUUKURbtEXi’anJiaotongUniversity电阻应变式传感器特点：①精度高，测量范围广；②使用寿命长，性能稳定可靠；③结构简单，体积小，重量轻；④频率响应较好，既可用于静态测量又可用于动态测量；⑤价格低廉，品种多样，便于选择和大量使用。应用范围：用于位移、加速度、力、压力、力矩等各种参数测量。电阻应变式传感器的特点和应用Xi’anJiaotongUniversity电阻应变片的应用Xi’anJiaotongUniversity电阻应变片的应用Xi’anJiaotongUniversity电阻应变片的应用Xi’anJiaotongUniversity电阻应变片的应用Xi’anJiaotongUniversity电阻应变片的应用应用实例：冲床监测与次数Xi’anJiaotongUniversity1.金属电阻应变片与半导体应变片在工作原理上有何区别？各有何优缺点？应如何针对具体情况选用？2.金属电阻应变片的灵敏度系数与金属丝的灵敏度系数有何不同？为什么？3.电阻应变片产生温度误差的原因有哪些？怎样消除误差？4.见下页作业Xi’anJiaotongUniversity4.图为一直流应变电桥，E=4V，R1=R2=R3=R4=350Ω，求：①R1为应变片，其余为外接电阻，R1增量为△R1=3.5Ω时输出U0=?②R1、R2是应变片，感受应变极性大小相同，其余为电阻，电压输出U0=?③R1、R2感受应变极性相反,输出U0=?④R1、R2、R3、R4都是应变片，对臂同性，邻臂异性，电压输出U0=?作业Xi’anJiaotongUniversity作业5.有四个性能完全相同的应变片（K=2），将其贴在如图所示的压力传感器圆板形感压膜片上。根据图所示应力分布情况，已确定R2、R3粘贴在圆形感压膜片的中心且沿切向，R1、R4沿径向粘贴在圆形感压膜片的边缘位置，并使其所受应变与中心最大切向应变相等，符号相反。已知：，膜片的半径r=20mm，厚度h=0.3mm，材料的泊松比µ=0.285，弹性模量E=2.0×1011N/m2。现将四个应变片组成全桥测量电路，供桥电压Ui=6V。求：22max2318trPhEXi’anJiaotongUniversity作业（1）画出相应的全桥测量电路图；（2）当被测压力P为0.1MPa时，求各应变片的应变值及电桥输出电压U0；（3）该压力传感器是否具有温度补偿作用?为什么?（4）桥路输出电压与被测压力之间是否存在线性关系?Xi’anJiaotongUniversity固态压阻式传感器半导体单晶硅材料在受到外力作用，产生肉眼根本察觉不到的极微小应变时，其原子结构内部的电子能级状态发生变化，从而导致其电阻率剧烈的变化，由其材料制成的电阻也就出现极大变化，这种物理效应叫压阻效应。利用压阻效应原理，采用三维集成电路工艺技术及一些专用特殊工艺，在单晶硅片上的特定晶向，制成应变电阻构成的惠斯登检测电桥，并同时利用硅的弹性力学特性，在同一硅片上进行特殊的机械加工，集应力敏感与力电转换检测于一体的力学量传感器，称为固态压阻传感器。以气、液体压强为检测对象的则称为固态压阻压力传感器。Xi’anJiaotongUniversity固态压阻式传感器主要特点：1.灵敏度高2.精度高3.体积小、重量轻、动态频响高4.性能稳定、可靠性高5.温度系数小6.适应介质广7.安全防