1、第二章 应变电阻式传感器,2019/3/18,2,2019/3/18,3,学习要求： 1.掌握应变电阻式传感器的工作原理； 2.了解应变电阻式传感器的结构、分类； 3.掌握应变电阻式传感器基本特性和检测电路； 4.了解应变电阻式传感器的应用。电阻式传感器的基本原理是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和装置显示或记录被测量值的变化。可以用来测量力、位移、加速度等。,第二章 应变电阻式传感器,2019/3/18,4,2.1 应变片式电阻传感器,2.1.1电阻应变片的工作原理应变电阻工作原理是基于电阻应变效应，即在导体产生机械变形时，它的电阻值相应发生变化. 设有一根电阻丝，在
2、未受力时原始电阻值为：式中： 电阻丝的电阻率； l 电阻丝的长度；S 电阻丝的面积；,在外力F 的作用下，电阻丝的、l、S（r）发生变化，则引起电阻相应变化R，相对变化为：,2019/3/18,6,2.1.1 电阻应变片的工作原理,2019/3/18,7,对于金属应变电阻，/很小，可以忽略，则KS=1+2。 对于半导体应变电阻， /很大，此时1+2u可以忽略，则KS= /()。半导体应变片的优点是灵敏度高，比金属丝式高5080倍，尺寸小，横向效应小，动态响应小，易于生产线加工。缺点是温度系数较大，应变时非线性严重。,灵敏系数：单位长度应变引起的电阻变化率；,电阻应变片的灵敏系数,2019/3/
3、18,8,2.1.2 金属电阻应变片的主要特性,1、结构及材料金属电阻应变片分为金属丝式、箔式、薄膜式。金属丝电阻应变片的典型结构见图。它主要由粘合层1、3，基底2、盖片4，敏感栅5，引出线6构成。,2019/3/18,9,金属箔式应变片的敏感栅，则是用栅状金属箔片代替栅状金属丝。金属箔栅采用光刻技术制造，适用于大批量生产。由于金属箔式应变片具有线条均匀、尺寸准确、阻值一致性好、传递试件应变性能好等优点，因此，目前使用的多为金属箔式应变片，其结构见下图。,金属箔式应变片,2019/3/18,10,各种金属应变片花,2019/3/18,11,应变片应用,2019/3/18,12,对金属电阻应变片
4、敏感栅材料的基本要求,灵敏系数值大，并且在较大应变范围内保持常数。 电阻温度系数小。 电阻率大。 机械强度高，且易于拉丝或辗薄。 与铜丝的焊接性好，与其他金属的接触热电势小。,2019/3/18,13,2 金属电阻应变片主要特性,灵敏系数灵敏系数为应变片的电阻相对变化R/R与试件主应力方向的应变之比。即Ks=(R/R)/ . 横向效应沿应变片轴向应变x 引起应变片电阻的相对变化，而沿垂直于应变片轴向的横向应变y ，也会引起其电阻相对变化，这种现象称为横向效应。敏感栅端部具有半圆形横栅的丝绕应变片其横向效应较为严重。为了减小横向效应产生的测量误差，现在一般多采用箔式应变片。因其圆弧部分的截面积较
5、栅丝大得多，电阻值较小，因而电阻变化量也就小得多。,2019/3/18,14,机械滞后，零漂及蠕变 机械滞后：加载、卸载特性不同；在同一机械应变下，卸载时的高于加载。 零漂：已粘贴的应变片，在温度保持恒定、试件上没有应变（不加应力）的情况下，应变片的指示应变会随时间的增长而逐渐变化，此变化就是应变片的零点漂移，也就是长时间工作特性不同； 蠕变：已粘贴的应变片，在温度不变时，承受应力恒定时，应变片输出特性会随时间而变化，这种现象称为蠕变。 在应变片工作时，零漂和蠕变是同时存在的。在蠕变值中包含着同一时间内的零漂值。这两项指标都是用来衡量应变片特性对时间的稳定性，在长时间测量时其意义更为突出。,2
6、 金属电阻应变片主要特性,2019/3/18,15,2 金属电阻应变片主要特性,温度效应：由于温度变化带来的阻值变化 A:当环境温度变化t 时，由于敏感栅材料的电阻温度系数t 的存在，引起电阻的相对变化B：当环境温度变化t 时，由于敏感材料和试件材料的膨胀系数不同。应变片产生附加的拉长（或压缩），引起电阻的相对变化。,2019/3/18,16,k应变片灵敏系数,g试件膨胀系数,s应变片敏感栅材料的膨胀系数,相应的虚假应变：,由于温度变化引起应变片的总电阻变化为：,电阻应变片的温度效应,2019/3/18,17,绝缘电阻和最大工作电流,绝缘电阻Rm ：以粘贴的应变片的引线与被测试件之间的电阻值。
7、应变片安装之后，其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 Imax ：允许通过敏感栅而不影响其工作特性的最大电流。显然，工作电流大，应变片输出信号也大，灵敏度高。但过大的工作电流会使应变片本身过热，使灵敏系数变化，零漂及蠕变增加，甚至烧毁应变片。,2019/3/18,18,1、自补偿（1）单丝自补偿 从前面的虚假应变的式中可以看出欲使 ，必须满足 实际的做法是对于给定的试件材料和选定的康铜和镍铬铝合金栅线，适当控制、选择、调整栅丝的温度系数。由实验可知，随着栅丝退火温度的增加，其电阻温度系数变化比较大，可以从负值变为正值，并在某一温度下为零。自补偿应变片
8、加工容易，成本低，缺点是只适用于特定材料，补偿温度范围也较窄。,2.1.3 温度误差及补偿,2019/3/18,19,（2）组合式自补偿法（双金属丝栅法）,选用两者具有不同符号的电阻温度系数串联，调整R1、R2的比例，使得：即：,2019/3/18,20,2.线路补偿法,R1为应变片，Rb为补偿电阻。两者具有相同的电阻温度系数和线膨胀系数，应变灵敏度系数和初始电阻。 当R3和R4为常数时，R1和Rb对电桥的输出电压U0的影响相反。,2019/3/18,21,2.1.4电桥平衡条件与电压灵敏度,电桥平衡即U0=0，此时：相邻臂电阻比值相等或相对臂电阻乘积相等。,2019/3/18,22,当 时，
9、则,2.1.4电桥平衡条件与电压灵敏度,2019/3/18,23,令 略去分母中 ，则所以电压灵敏度电压灵敏度与电桥电源电压成正比，同时与桥臂比有关。电压的选择受应变片功耗的限制。,2.1.4电桥平衡条件与电压灵敏度,2019/3/18,24,当U 确定后， K U 由 n 决定。要获得最高 KU ，则此时电压灵敏度最大。当 n=1 时,2019/3/18,25,2.1.5 非线性误差前面忽略了分母中的 项， 是理想值。所以在 时，非线性误差为：,=增大R1可以减小非线性误差,2019/3/18,26,2.1.6减小或消除非线性误差,采用差动电桥：根据被测试件的应变情况，在电桥的相邻两臂接入两
10、个工作应变片，使一个受拉，一个受压。即差动电桥。如图： 电桥的输出电压U0为：,2019/3/18,27,差动电桥,考虑R1= R2，R1=R2，R3=R4，及电桥平衡条件，得可见，U0与R1/R1成线性关系，说明差动电桥没有非线性误差，同时其电压灵敏度为Ku=U/2，比单应变片提高一倍。同时无需温度补偿。,2019/3/18,28,全桥差动特性,按照如图将四片应变片接成全桥差动形式，每个相对臂所接应变片为一组，使一组受压，一组受拉。由于满足R1= R2 = R3= R4， R1=R2=R3=R4(等臂桥），则相应输出电压为单应变片的四倍。即：,2019/3/18,29,全桥差动应变片粘帖示意
11、图,平视图,俯视图,2019/3/18,30,结论,全桥差动电压灵敏度是单应变片的4倍。 从上面的介绍，我们可以看到单臂电桥、半桥、全桥的输出电压之比为： 电压灵敏度之比也为1：2：4。 在非电量电测技术中，尽量采用半桥差动或全桥差动。,2019/3/18,31,2.1.7电阻调节平衡电路,测量开始前，电桥处于初始平衡状态，输出电压应为零。但实际电桥各个桥臂电阻可能存在小的差异，因此必须设置电阻调节平衡电路，使输出电压为零。如右图：,2019/3/18,32,直流电桥的优点：高稳定度直流电源易于获得，电桥调节平衡电路简单，传感器至测量仪表的连接导线分布参数影响小等。 直流电桥的缺点：后续要采用
12、直流放大器，容易产生零点漂移，线路也较复杂。 应变电桥现在多采用交流电桥。在用交流供电时，其平衡条件、引线分布参数影响、平衡调节、后续信号放大线路等许多方面与直流电桥有明显的差异。,2.1.8交流电桥,2019/3/18,33,交流电桥,在交流电桥中，电桥平衡条件式可改写为阻抗的形式，平衡条件式可写成：使其两边实部与虚部分别相等，有 可见交流电桥除了要满足电阻平衡条件，还必须满足电容的要求。,2019/3/18,34,2.2 应变式传感器的应用,电阻应变丝、片,除直接用来测定试件的应变和应力外,还广泛用作传感元研制成各种应变式传感器,用来测定其他物理量,如力、压力、扭矩、加速度等。 应变式传感
13、器的基本构成通常可分为两部分,弹性敏感元件和应变计(丝)。弹性敏感元件在被测物理量的作用下,产生一个与它成正比的应变,然后用应变计(丝)作为转换元件将应变转换为电阻变化。应变式传感器与其他类型传感器相比具有如下特点:,2019/3/18,35,(1)测量范围广、精度高。测力传感器,可测 10-2107N的力,精度达到0.05%FS以上;压力传感器,可测10-1107Pa的压力,精度可达0.1%FS。 (2)性能稳定可靠,使用寿命长。对于称重而言,机械杠杆称由于杠杆、刀口等部分相互摩擦产生损耗和变形,欲长期保持其精度是相当困难的。若采用电阻应变式称重传感器制成的电子秤、汽车衡、轨道衡等,只要传感
14、器设计合理,应变计选择确当,粘贴、防潮、密封可靠,就能长期保持性能稳定可靠。应变式压力传感器也是这样。,2.2.1 应变式传感器的特点,2019/3/18,36,(3)频率响应特性较好。一般电阻式应变计响应时间约为10-7 s,半导体应变计可达10-11 s。若能在弹性元件上采取措施,则由它们构成的应变式传感器可测几十千赫甚至上百千赫的动态过程。 (4)能在恶劣的环境条件下工作。只要进行适当的结构设计及选用合适的材料,应变式传感器可在高(低)温、高速、高压、强烈振动、强磁场及核辐射和化学腐蚀等恶劣的环境条件下正常工作。 (5)易于实现小型化、整体化。随着大规模集成电路工艺的发展,已可将电路甚至
15、A/D转换与传感器组成一个整体,传感器可直接接入计算机进行数据处理。,2.2.1 应变式传感器的特点,2019/3/18,37,应变式测力传感器由弹性体、应变计和外壳组成。弹性体是测力传感器的基础,应变计是传感器的核心。根据弹性体的结构形式的不同可分为:柱式、轮辐式、梁式、环式等。1. 柱式传感器柱式传感器是称重(或测力)传感器应用较普遍的一种形式。它分为圆筒形和柱形两种。其结构是在圆筒或圆柱上按一定方式贴上应变计。,2.2.2 应变式测力与称重传感器,2019/3/18,38,柱式传感器(a)圆柱; (b)圆筒; (c)外形,2019/3/18,39,一般将应变计对称地贴在应力均匀的圆柱表面
16、的中间部分,如图所示,并连接成图(b)所示的桥路:T1和T3,T2和T4分别串联,放在相对臂内。当一方受拉时,则另一方受压。由此引起的电阻应变计阻值的变化大小相等符号相反,从而减小弯矩的影响。横向粘贴的应变计作为温度补偿片。,2019/3/18,40,输出特性,2019/3/18,41,横向粘贴的应变计既作为温度补偿,也起到提高灵敏度的作用。 柱式的不足是截面积随载荷改变所导致的非线性,但对此可以进行补偿。 筒式结构可使分散在端面的载荷集中到筒的表面上来,改善了应力线分布;在筒壁上还能开孔, 形成许多条应力线,从而与载荷在端面的分布无关,并可减少偏心载荷、非均布载荷的影响,使引起的误差更小。,
17、2019/3/18,42,筒式传感器弹性体的不同剖面,2019/3/18,43,轮辐式传感器是一种剪切力传感器。其结构示意图如图所示,由轮轴1、轮圈2、轮辐条3、承压应变计4和拉伸应变计5等组成。轮辐条成对地连接在轮圈和轮轴之间,可为四根或八根(图中为四根)。采用钢球传递重力,因为圆球压头有自动定中心的功能。当外力F作用在轮轴的上端面和轮圈下端面时,使矩形辐条产生平行四边形的变形。,2. 轮辐式传感器,2019/3/18,44,轮辐式传感器 (a)结构示意图; (b)外形,2019/3/18,45,矩形辐条产生平行四边形的变形,在传感器中实测的不是剪应变 v , 而是在剪切力作用下,轮辐对角线
18、方向的线应变。这时,将应变计在与辐条水平中心轴线成45角的方向上粘贴。八片应变计分别贴在四根辐条的正反两面,并组成全桥电路,以检测线应变。,2019/3/18,46,八片应变计的连接方法如图。当受外力作用时,使辐条对角线缩短方向粘贴的应变计C受压,对角线伸长方向粘贴的应变计T受拉。每对轮辐的受拉片和受拉片串联成一臂,受压片和受压片串联组成相邻臂。这样有助于消除载荷偏心对输出的影响。加在轮轴和轮圈上的侧向力,若使一根轮辐受拉,其相对的一根则受压。由于两轮辐截面是相等的,其上应变计阻值变化大小相等、方向相反,每个臂的总阻值无变化,对输出无影响。,2019/3/18,47,轮辐式传感器测量桥路,20
19、19/3/18,48,悬臂梁式传感器是一种低变形、高精度、抗偏、抗侧性能优越的称重测力传感器。采用弹性梁及电阻应变计作敏感转换元件,组成全桥电路。当垂直正压力或拉力作用在弹性梁上时,电阻应变计随金属弹性梁一起变形,其应变使电阻应变计的阻值变化,因而应变电桥输出与拉力(或压力)成正比的电压信号。配以相应的应变仪,数字电压表或其他二次仪表,即可显示或记录重量(或力)。,3.悬臂梁式传感器,2019/3/18,49,悬臂梁有两种：等截面梁、等强度梁。 等截面梁就是悬臂梁的横截面处处相等的梁,如图a所示。当外力F作用在梁的自由端时，在固定端产生的应变最大。,等截面梁; 等强度梁,3.悬臂梁式传感器,2
20、019/3/18,50,在距固定端较近的表面顺着梁的长度方向分别贴上R1、R2和R3、R4(R2、R3在底部,图中未画出)四个电阻应变计。若R1、R4受拉力,则R2、R3将受到压力,两者应变相等,但极性相反。将它们组成差动全桥,则电桥的灵敏度为单臂工作时的4倍。 等强度梁的结构如图(b)所示,是一种特殊形式的悬臂梁。其特点是：沿梁长度方向的截面按一定规律变化,当集中力F作用在自由端时，距作用点任何距离截面上的应力相等。,3.悬臂梁式传感器,2019/3/18,51,在自由端有力F作用时,在梁表面整个长度方向上产生大小相等的应变。这种梁的优点是在长度方向上粘贴应变计的要求不严格。 除等截面梁和等
21、强度梁传感器外,还有剪切梁式传感器,两端固定梁传感器等等。,3.悬臂梁式传感器,2019/3/18,52,几种梁式传感器外形,2019/3/18,53,悬臂梁式传感器一般可测0.5kg以下的载荷,最小可测几十克重。悬臂梁式传感器也可达到很大的量程,如钢制工字悬臂梁结构传感器量程为0.230t,精度可达0.02%FS。悬臂梁式传感器具有结构简单、应变计容易粘贴,灵敏度高等特点。,3.悬臂梁式传感器,2019/3/18,54,4.环式传感器,圆环式传感器弹性元件的结构,如图所示。其中,(a)为拉力环,(b)为压力环。环式常用于测几十千克以上的大载荷,与柱式相比,它的特点是应力分布变化大,且有正有负
22、,便于接成差动电桥。,2019/3/18,55,2.2.3 应变式压力传感器,应变式压力传感器由电阻应变计、弹性元件、外壳及补偿电阻组成。一般用于测量较大的压力。它广泛用于测量管道内部压力,内燃机燃气的压力,压差和喷射压力,发动机和导弹试验中的脉动压力,以及各种领域中的流体压力等。1.筒式压力传感器 筒式压力传感器的弹性元件如图所示,一端肓孔,另一端有法兰与被测系统连接。,2019/3/18,56,2. 膜片式压力传感器,该类传感器的弹性敏感元件为一周边固定的圆形金属平膜片,如图所示。当膜片一面受压力p作用时,膜片的另一面(应变计粘贴面)上产生径向应变和切向应变。,2019/3/18,57,膜
23、片式压力传感器一种敏感元件结构,2019/3/18,58,3. 组合式压力传感器,组合式压力传感器,如图所示,通常用于测量小压力。波纹膜片、膜盒、波纹管等弹性敏感元件感受压力后,推动推杆使梁变形。电阻应变计粘贴于梁的根部感受应变。因为悬臂梁刚性较大,所以这种组合可以克服稳定性较差,滞后较大的缺点。,2019/3/18,59,组合式压力传感器,2019/3/18,60,2.2.4 应变式加速度传感器,应变式加速度传感器如图所示。在一悬臂梁1的自由端固定一质量块3。当壳体4与待测物一起作加速运动时,梁在质量块惯性力的作用下发生形变,使粘贴于其上的应变计2阻值变化。检测阻值的变化可求得待测物的加速度。图中,5为电引线,6为运动方向。,2019/3/18,61,应变式加速度传感器,
