1、1,第三章、电阻式传感器,1 工作原理 2 金属应变片的主要特性 3 测量电路 4 应变式传感器应用,返 回,2,横截面为A的物体受到外力F的作用并处于平衡状态时，物体在单位面积上引起的内力称为应力，即,应变是表征物体受外力作用时产生相对变形大小的无量纲物理量。设物体原长为l,受力后纵向产生l的形变，则应变为：,纵向应变、横向应变r，则：,（为泊松比）,由胡克定律：当应力未超过某一极限值时，应力与应变成正比，即：,（E为弹性模量）,上一页,返 回,下一页,3,工作原理,1.金属的电阻应变效应,电阻应变效应：当金属丝在外力作用下发生机械变形时其电阻值将发生变化,F l、A 、 R,上一页,返 回
2、,下一页,此式可看出，电阻值的相对变化率取决于三个基本因素,4,电阻的灵敏系数,对于半径为r，长度为l的圆导体，A=r2，A/A=2r/r 又由材料力学可知，在弹性范围内，,上一页,返 回,下一页,为导体的纵向应变，其数值一般很小，常以微应变度量； 为电阻丝材料的泊松比，一般金属=0.30.5； 为压阻系数，与材质有关；为应力值；E为材料的弹性模量；,5,金属电阻的灵敏系数k0,材料的几何尺寸变化引起 材料的电阻率随应变引起（压阻效应）,金属材料：k0以前者为主，则k01+2=1.73.6 半 导 体：k0值主要是由电阻率相对变化所决定,上一页,返 回,下一页,6,应变片的基本结构与种类,敏感
3、栅 直径为0.025mm左右的合金电阻丝 丝绕式 基 底 绝缘覆盖层 保护,位移、力、力矩、加速度、压力,弹性敏 感元件,应变,外力作用 被测对象表面产生微小机械变形 应变片敏感栅随同变形 电阻值发生相应变化,应变片,上一页,返 回,下一页,7,应变片的结构,图3-2 金属电阻应变片的结构,丝式 箔式,8,9,应变片的类型和材料,金属丝式金属箔式金属薄膜式,回线式 短接式,上一页,返 回,下一页,见P23,10,金属丝式应变片,上一页,返 回,下一页,金属电阻丝应变片的基本结构 1-基片；2-电阻丝；3-覆盖层；4-引出线,11,金属电阻应变片，材料电阻率随应变产生的变化很小，可忽略,应变片电
4、阻的相对变化与应变片纵向应变成正比， 并且对同一电阻材料， K0=1+2是常数。 其灵敏度系数多在1.73.6之间。,上一页,返 回,下一页,12,金属箔式应变片,在绝缘基底上，将厚度为0.0030.01mm电阻箔材，利用照相制板或光刻腐蚀的方法，制成适用于各种需要的形状,箔式应变片,上一页,返 回,下一页,13,箔式应变片的外形,14,优点 ：,（1）尺寸准确，线条均匀，适应不同的测量要求， （2）可制成多种复杂形状尺寸准确的敏感栅 （3）与被测试件接触面积大，粘结性能好。 散热条件好，允许电流大，灵敏度提高。 （4）横向效应可以忽略。 （5）蠕变、机械滞后小，疲劳寿命长。,上一页,返 回,
5、下一页,15,采用真空蒸发或真空沉积等方法在薄的绝缘基片上形成厚度在0.1m以下的金属电阻材料薄膜敏感栅，再加上保护层，易实现工业化批量生产 优点：应变灵敏系数大，允许电流密度大，工作范围广，易实现工业化生产 问题：难控制电阻与温度和时间的变化关系,金属薄膜应变片,上一页,返 回,下一页,16,金属应变片的主要特性,（一）灵敏系数 （二）横向效应 （三）温度误差及其补偿,上一页,返 回,下一页,17,应变片的电阻值 R,应变片在未经安装也不受外力情况下，于室温下测得的电阻值R 电阻系列：60、120、200、350、500、1000可以加大应变片承受电压，电阻值大 输出信号大，敏感栅尺寸也增大
6、,上一页,下一页,返 回,18,（一）灵敏系数,“标称灵敏系数”：一批产品中抽样5的产品来测定，产品受轴向单向力（拉或压），测量得到k,取其平均值及允许公差值。,电阻应变片的灵敏系数k 电阻丝的灵敏系数k0,粘结层传递变形失真 还存在有横向效应,原因：,上一页,返 回,下一页,19,（二）横向效应,敏感栅是由多条直线和圆弧部分组成 直线段：沿轴向拉应变x，电阻 圆弧段：沿轴向压应度y 电阻,K (箔式应变片),上一页,下一页,返 回,l,y,x,20,横向系数,21,横向效应,应变片的横栅部分将纵向丝栅部分的电阻变化抵消了一部分，从而降低了整个电阻应变片的灵敏度，带来测量误差，其大小与敏感栅的
7、构造及尺寸有关。敏感栅的纵栅愈窄、愈长，而横栅愈宽、愈短，则横向效应的影响愈小。,22,（三）温度误差及其补偿,上一页,返 回,下一页,1、敏感栅电阻随温度的变化而变化将引起误差。当环境温度变化t 时，敏感栅材料电阻温度系数为，则引起的电阻变化为：2、试件材料的线膨胀引起的误差。当温度变化t时，因试件材料和敏感栅材料的线膨胀系数不同，应变片将产生附加拉长（或压缩），引起的电阻变化为：,温度误差,23,相应的虚假应变输出为：,有以上两部分可得由于温度变化而引起的总电阻变化为：,24,温度补偿,线路补偿法电桥补偿法、热敏电阻单丝自补偿法 自补偿法组合式自补偿法,温度补偿,上一页,返 回,下一页,2
8、5, 电桥补偿法,U0,R1,R4,R3,U,Rb,F,F,R1,Rb,U0,R1R,R4,R3,U,RbR,上一页,返 回,下一页,26,电桥补偿法,优点：简单、方便，在常温下补偿效果较好， 缺点：要求两应变片和两弹性元件的特性完全相同；在温度变化梯度较大的条件下，很难做到工作片与补偿片处于温度完全一致的情况，因而影响补偿效果。,R1 +R,Rb -R,27, 应变片的自补偿法,粘贴在被测部位上的是一种特殊应变片，当温度变化时，产生的附加应变为零或相互抵消，这种应变片称为温度自补偿应变片。利用这种应变片来实现温度补偿的方法称为应变片自补偿法。 a. 选择式自补偿应变片 b. 双金属敏感栅自补
9、偿应变片,28,a.选择式自补偿应变片,优点：容易加工，成本低， 缺点：只适用特定试件材料，温度补偿范围也较窄。,上一页,返 回,下一页,由式(2.1.16)可知，实现温度补偿的条件为当被测试件的线膨胀系数g已知时，通过选择敏感栅材料，使下式成立(2.1.21)即可达到温度自补偿的目的。,29,组合自补偿法,b. 双金属敏感栅自补偿应变片,敏感栅丝由两种不同温度系数的金属丝串接组成,选用两者具有不同符号的电阻温度系数 调整R1和R2的比例，使温度变化时产生的 电阻变化满足,通过调节两种敏感栅的长度来控制 应变片的温度自补偿， 可达0.45m/的高精度,上一页,返 回,下一页,30,热敏电阻补偿
10、,T K,Rt,URt,U = (Ui URt),K,上一页,返 回,下一页,T,31,其它参数,应变极限 机械滞后 最大工作电流 零漂和蠕变,32,第三节 电阻应变片的测量电路及接口,上一页,返 回,下一页,1 直流电桥2 非线性误差及其补偿,33,半导体固态压阻式传感器,压阻效应 优点：高灵敏度、高分辨率、体积小、工作频带宽、测量电路可与敏感部分一体化等。 主要类型：1）体型半导体应变片（类似金属应变片，需粘贴）2）扩散式半导体应变片：粘贴和非粘贴形式,34,1. 直流电桥,直流电桥的工作原理,R1R4=R2R3 R1/R2=R3/R4,上一页,返 回,下一页,=0时电桥平衡平衡条件 :,
11、35,恒流源供电与恒压源供电对比,36,2不平衡直流电桥的工作原理及灵敏度,当电桥后面接放大器时, 电桥输出端看成开路.电桥的输出式为：,应变片工作时，其电阻变化Ri,上一页,返 回,下一页,37,采用等臂电桥，即R1= R2= R3=R4=R 。此时式(2.1.24)可写为,当Ri R ( i=1,2,3,4) 时，略去上式中的高阶微量，则,上一页,返 回,下一页,2.1.17,38,上式表明：, Ri R时，电桥的输出电压与应变成线性关系。 若相邻两桥臂的应变极性一致，即同为拉应变或压应变时，输出电压为两者之差；若相邻两桥臂的应变极性不同，则输出电压为两者之和。 若相对两桥臂应变的极性一致
12、，输出电压为两者之和；反之则为两者之差。 电桥供电电压U越高，输出电压U0越大。但是，当U大时，电阻应变片通过的电流也大，若超过电阻应变片所允许通过的最大工作电流，传感器就会出现蠕变和零漂。 增大电阻应变片的灵敏系数K，可提高电桥的输出电压。,上一页,返 回,下一页,39,2. 电压灵敏度应变片工作时：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R，其它桥臂固定不变，电桥输出电压Uo0，则电桥不平衡，输出电压为,40,41,设桥臂比n=R2/R1，由于R1R1，分母中R1
13、/R1可忽略， 并考虑到平衡条件R2/R1=R4/R3， 则上式可写为,电桥电压灵敏度定义为,42,分析： 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； 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？,43,分析：思路：dKU/dn = 0求KU的最大值,求得n=1时，KU为最大值。即在供桥电压确定后，当R1=R2=R3=R4时，电桥电压灵敏度最高，此时有,结论：当电源电压E和电阻相对变化量R1/R1一定时， 电桥的
14、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。,44,双臂桥和全桥的灵敏度？,45,采用等臂电桥，即R1= R2= R3=R4=R 。此时式(2.1.24)可写为,当Ri R ( i=1,2,3,4) 时，略去上式中的高阶微量，则,上一页,返 回,下一页,2.1.17,46,47,如果Ri R不成立，则利用2.1.17式将产生非线性误差。考虑采用单臂电桥时，R1桥臂变化R，假设R1/R11，则可略去分母中的R1/R1项 ,得理想的线性关系为：,而实际输出电压为：,上一页,返 回,下一页,电桥的相对非线性误差为,2.非线性误差及其补偿,48,减小非线性误差 采用的措施为：,（1）采用半
15、桥差动电桥,上一页,返 回,下一页,49,R1R2R3R4=R，R1R2=R,严格的线性关系 电桥灵敏度比单臂时提高一倍 温度补偿作用,上一页,返 回,下一页,50,图3-10 差动电桥,减小和消除非线性误差的方法,51,半桥差动：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。 该电桥输出电压为,若R1=R2，R1=R2，R3=R4，则得,可知：Uo与R1/R1成线性关系，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。,52,全桥差动：电桥四臂接入四片应变片，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。若R1=R2=R3=R4，且R1=R2=R3=R4，则,结论：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。,53,3.3.2 交流电桥引入原因：由于应变电桥输出电压很小，一般都要加放大器，而直流放大器易于产生零漂，因此应变电桥多采用交流电桥。 ,54,典型接口电路,55,56,57,第四节 应用,58,汽车衡称重系统,59,材料应变的测量,斜拉桥上的斜拉绳应变测试,
