傳感器第5章+電阻應變式傳感器

1、第第5 5章章 電阻應變式傳感器電阻應變式傳感器To Two5.1 5.1 應變片工作原理應變片工作原理5.25.2 應變片的種類和主要參數(shù)應變片的種類和主要參數(shù)5.35.3 應變片的溫度誤差及其補償應變片的溫度誤差及其補償5.4 5.4 傳感器的信號調(diào)理電路傳感器的信號調(diào)理電路5.5 5.5 傳感器的應用傳感器的應用5.6 5.6 本章小結(jié)本章小結(jié)工作原理：工作原理：基于應變片的應變效應。特點：特點： 1 1）結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，性能穩(wěn)定、可靠。）結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，性能穩(wěn)定、可靠。 2 2）易于實現(xiàn)自動化測量，如多點測量，遠距離測量。）易于實現(xiàn)自動化測量，如多點測量，遠距離測量。 3 3）

2、靈敏度高，測量速度快，適合靜態(tài)、動態(tài)測量。）靈敏度高，測量速度快，適合靜態(tài)、動態(tài)測量。 4 4）可以測量多種物理量。）可以測量多種物理量。 電阻應變式傳感器的發(fā)展歷史電阻應變式傳感器的發(fā)展歷史 18561856年：發(fā)現(xiàn)金屬材料的應變效應；年：發(fā)現(xiàn)金屬材料的應變效應； 19311931年：制成第一片應變片；年：制成第一片應變片； 19401940年，發(fā)明應變式傳感器。年，發(fā)明應變式傳感器。 應變式傳感器舉例應變式傳感器舉例 可測力、壓力、應力、位移、加速度。To One5.1 5.1 電阻應變片的工作原理電阻應變片的工作原理 5.1.15.1.1 金屬的應變效應金屬的應變效應To One 金屬絲

3、（導體）在外力作用下發(fā)生機械變形時，其電金屬絲（導體）在外力作用下發(fā)生機械變形時，其電阻發(fā)生變化，此種現(xiàn)象稱為阻發(fā)生變化，此種現(xiàn)象稱為金屬的電阻應變效應。金屬的電阻應變效應。 SLR/金屬絲的電阻為什么會隨著其發(fā)生的應變而變化呢？：因為金屬的電阻與材料的電阻率及其幾何尺寸（包括長度、面積）有關(guān)，金屬絲在承受機械變形的過程中，三者都要發(fā)生變化，因而引起金屬絲的電阻變化。FLR5.1.2 5.1.2 電阻應變片的結(jié)構(gòu)電阻應變片的結(jié)構(gòu) 1 1）基底：）基底：固定敏感柵及絕緣；固定敏感柵及絕緣；0.020.020.04mm0.04mm厚；紙質(zhì)或膠質(zhì)。厚；紙質(zhì)或膠質(zhì)。 2 2）電阻絲：）電阻絲：金屬絲繞

4、成柵狀，敏感柵。金屬絲繞成柵狀，敏感柵。d=0.015=0.0150.05mm0.05mm。 作用：感應變的變化大小。作用：感應變的變化大小。 3 3）覆蓋層：）覆蓋層：作用，防潮、防蝕、防損等。作用，防潮、防蝕、防損等。 4 4）引線：）引線：通常取直徑約為通常取直徑約為0.10.10.15mm0.15mm的低阻鍍錫銅線。的低阻鍍錫銅線。To 4.1.25.1.3 5.1.3 電阻電阻應變特性應變特性 由物理學可知，由物理學可知，一根金屬絲的電阻為：一根金屬絲的電阻為： 式中：式中：R R金屬絲的電阻；金屬絲的電阻；金屬絲的電阻率；金屬絲的電阻率；L L長度長度 F F截面積，截面積， 取一

5、段金屬絲如下圖示，取一段金屬絲如下圖示，當金屬絲受拉力當金屬絲受拉力F F時，其時，其L L、F F、和和R R的變化分別為的變化分別為d dL L、d dF F、d d 和和d dR R。 FLR2rF/21-22,22dRdRrdrLdLrdrFdFrdrdFrFdFdFLdLRdRdFLdFFLdLFdRxxyyx）（所以則徑向應變軸向應變則靈敏系數(shù)靈敏系數(shù) 金屬絲的靈敏系數(shù)金屬絲的靈敏系數(shù)KsKs 可寫成：可寫成：To 4.1.2xxdRdRKs/)21 (/xRRKs/可見，金屬絲的靈敏系數(shù)由兩個因素決定：l第一項，是由于金屬絲受拉伸后，材料的幾何尺寸發(fā)生變化而引起的；l第二項，是由

6、于材料發(fā)生變形時，其電阻率發(fā)生變化引起的。電阻應變片的靈敏系數(shù)電阻應變片的靈敏系數(shù)K KTo 4.1.2sKK 應變片的靈敏系數(shù)恒小于同一金屬絲的靈敏系數(shù)，原因是橫向效應。應變片的靈敏系數(shù)恒小于同一金屬絲的靈敏系數(shù)，原因是橫向效應。 5.1.4 5.1.4 電阻應變片的橫向效應電阻應變片的橫向效應 將直的金屬絲繞成敏感柵后，雖然長度相同，但應變片敏感柵的將直的金屬絲繞成敏感柵后，雖然長度相同，但應變片敏感柵的電阻變化較直的金屬絲小，從而其靈敏系數(shù)較直的金屬絲靈敏系數(shù)小電阻變化較直的金屬絲小，從而其靈敏系數(shù)較直的金屬絲靈敏系數(shù)小的現(xiàn)象。的現(xiàn)象。在半圓弧段受到應變而引起的電阻變化將小于沿軸向安放的

7、同樣長度電阻絲電阻的變化。5.2 5.2 電阻應變片的種類和主要參數(shù)電阻應變片的種類和主要參數(shù)5.2.1 5.2.1 電阻應變片的種類電阻應變片的種類 1 1）絲式應變片絲式應變片 A A、回線式應變片、回線式應變片 B B、短接式應變片、短接式應變片 2 2）箔式應變片箔式應變片 3 3）薄膜應變片薄膜應變片 4 4）半導體應變片半導體應變片 To Onen絲式應變片絲式應變片To 4.1.3 回線式應變片回線式應變片 短接式應變片短接式應變片 克服了回線式應變片的橫向效應，但在振動、沖擊條件下焊點處易出現(xiàn)疲勞。n箔式應變片箔式應變片To 4.1.3 利用光刻、腐蝕等工藝制成一種很薄的金屬箔

8、柵，厚度利用光刻、腐蝕等工藝制成一種很薄的金屬箔柵，厚度一般在一般在0.0030.0030.010mm0.010mm，粘貼在基片上，上面再覆蓋一層薄，粘貼在基片上，上面再覆蓋一層薄膜而制成。膜而制成。其優(yōu)點是敏感柵可制成任意形狀；表面積和截面其優(yōu)點是敏感柵可制成任意形狀；表面積和截面積之比大，散熱條件好，允許通過的電流較大；橫向效應可積之比大，散熱條件好，允許通過的電流較大；橫向效應可以忽略；蠕變、機械滯后小，疲勞壽命高。以忽略；蠕變、機械滯后小，疲勞壽命高。n薄膜應變片薄膜應變片 金屬薄膜應變片是采用真空蒸鍍或濺射式陰極擴散等金屬薄膜應變片是采用真空蒸鍍或濺射式陰極擴散等方法，在薄的基底材料

9、上制成一層金屬電阻材料薄膜以形方法，在薄的基底材料上制成一層金屬電阻材料薄膜以形成應變片。成應變片。 這種應變片有較高的靈敏度系數(shù)；穩(wěn)定性高，電阻溫這種應變片有較高的靈敏度系數(shù)；穩(wěn)定性高，電阻溫度系數(shù)小，工作溫度范圍較廣；允許電流密度大。度系數(shù)小，工作溫度范圍較廣；允許電流密度大。To 4.1.3n半導體應變片半導體應變片 半導體應變片的工作原理是基于半導體材料的半導體應變片的工作原理是基于半導體材料的壓阻效應壓阻效應而制成的一種純電阻性元件。而制成的一種純電阻性元件。壓阻效應：壓阻效應：當半導體材料某一軸向受外力作用時，其電阻當半導體材料某一軸向受外力作用時，其電阻率會發(fā)生變化。率會發(fā)生變化

10、。To 4.1.3ERRKEERRERRxBxxxx/)21 ()21 (數(shù)半導體應變片的靈敏系半導體應變片突出優(yōu)點：體積小、靈敏度高、頻率響應范圍很寬。 缺點：溫度系數(shù)大、測量應變時非線性較嚴重。各種應變片的特點各種應變片的特點 To 4.1.6 絲繞式絲繞式 應變片應變片用耐用性不同合金材料繞制而成用耐用性不同合金材料繞制而成可適應不同溫度，尤適高溫，但橫向效可適應不同溫度，尤適高溫，但橫向效應大，散熱差。應大，散熱差。 短接式短接式 應變片應變片敏感柵軸向用高敏感柵軸向用高絲，橫向用低絲，橫向用低l絲材料組合而成絲材料組合而成橫向效應小，可做成雙絲溫度白補償，橫向效應小，可做成雙絲溫度白

11、補償，適中、高溫，但適中、高溫，但N,lin低低 箔式箔式 應變片應變片敏感柵用厚敏感柵用厚310m的銅鎳合金的銅鎳合金箔光刻而成箔光刻而成尺寸小，品種多，靜、動特性及散熱性尺寸小，品種多，靜、動特性及散熱性均好。工藝復雜，常用常溫。均好。工藝復雜，常用常溫。半 導 體 式半 導 體 式應變片應變片由單晶半導體徑切型，切條、光由單晶半導體徑切型，切條、光刻腐蝕成形再粘貼。刻腐蝕成形再粘貼。靈敏系數(shù)比金屬大靈敏系數(shù)比金屬大5080倍，動特好；倍，動特好；但溫度，時間穩(wěn)定性較差。但溫度，時間穩(wěn)定性較差。 特殊用途特殊用途=(25)105大應變的應變片、大應變的應變片、防水、防磁等應變片。防水、防磁

12、等應變片。 5.2.2 5.2.2 電阻應變片的參數(shù)電阻應變片的參數(shù)1)應變片電阻值（應變片電阻值（R R0 0 ）：）：指未安裝的應變片且不受指未安裝的應變片且不受外力時，在室溫條件測定的電阻值外力時，在室溫條件測定的電阻值有有60，120，350，600和和1000的各種阻值的各種阻值 ；2)2)絕緣電阻：絕緣電阻：指已安裝的應變片引線與被測試件間的指已安裝的應變片引線與被測試件間的電阻，即敏感柵與基底間的電阻值，電阻，即敏感柵與基底間的電阻值，一般應大于一般應大于10101010 (1 (1萬萬M) M) ；To One3)3)靈敏系數(shù)靈敏系數(shù)K K：是應變片的重要參數(shù)，其誤差大小是衡量

13、是應變片的重要參數(shù)，其誤差大小是衡量應變片質(zhì)量優(yōu)劣的主要標志。一般應變片質(zhì)量優(yōu)劣的主要標志。一般 要求要求K K大而穩(wěn)定大而穩(wěn)定 ；4)4)最大工作電流最大工作電流 ：指允許通過應變片而不影響其工作的指允許通過應變片而不影響其工作的最大電流，一般為最大電流，一般為25mA 25mA ；5)5)應變極限應變極限 ：測量最大的應變值測量最大的應變值 ；6)6)機械滯后、零漂和蠕變機械滯后、零漂和蠕變To One5.3 5.3 電阻應變片的溫度誤差及其補償電阻應變片的溫度誤差及其補償To One5.3.1 5.3.1 溫度誤差產(chǎn)生的原因溫度誤差產(chǎn)生的原因（1）應變片電阻絲的電阻隨溫度變化）應變片電阻

14、絲的電阻隨溫度變化KtKRRtRRRRtRRttttt0000/)1 (電阻變化折合成應變阻變化溫度變化導致電阻絲電溫度變化值敏感柵的電阻絲阻值隨由于測量現(xiàn)場環(huán)境溫度的改變而給測量帶來的附加誤差，稱為應變片的溫度誤差。（2）電阻絲材料與被測試件材料線膨脹系數(shù)不同）電阻絲材料與被測試件材料線膨脹系數(shù)不同tlllltlltlltlllltlltlltttttt試試試絲絲絲試件長度變化值溫度變化時試件伸長量應變絲長度變化值量溫度變化時應變絲伸長0022000200110001)1 ()1 ()()()(,000122121絲試絲試絲試試絲試絲折合成電阻折合成應變即形，使應變絲產(chǎn)生附加變拉長至，應變絲

15、被迫從若，則如果KRRtlltlllllllltttttttttttKtKRRtKRtRRRRttttt)(/)(000絲總的附加應變絲起的總電阻變化因此，由于溫度變化引試試 因此，由于溫度變化引起附加電阻變化造成了虛假應變，從而給測量帶來誤差。這個誤差除與環(huán)境溫度有關(guān)，還與應變片本身的性能參數(shù)（K，絲）及試件的線膨脹系數(shù)有關(guān)。計算舉例計算舉例例：例： 有一個電阻為有一個電阻為120，K=2的應變片，粘貼在彈性極的應變片，粘貼在彈性極限為限為400MN/m2，彈性模量為，彈性模量為200GN/m2的鋼件上，的鋼件上， 1）當應力等于彈性范圍的）當應力等于彈性范圍的1/10時；時； 2）如果應變

16、片材料為康銅絲（）如果應變片材料為康銅絲（=2010-6/ ，膨，膨脹系數(shù)為脹系數(shù)為1210-6m/m，鋼膨脹系數(shù)為，鋼膨脹系數(shù)為1610-6m /m），溫度變化），溫度變化20； 試分別計算此應變片的電阻變化。試分別計算此應變片的電阻變化。To 4.1.51 1。橋路補償法。橋路補償法 To One5.3.25.3.2 溫度補償方法溫度補償方法 R R1 1：工作應變片：工作應變片，貼于試件上，貼于試件上R R2 2：補償應變片：補償應變片，貼于與試件材，貼于與試件材料相同的補償塊上。工作中補償料相同的補償塊上。工作中補償塊不承受應變。塊不承受應變。工作中工作中R R1 1和和R R2 2由

17、于溫度變化引起的電阻變化R R1=1= R R2 2 ，在橋路中相互抵消。 2 2。應變片自補償法。應變片自補償法 a.a.選擇式自補償應變片選擇式自補償應變片 To One)(0)(20-5絲試絲試），由（消附加應變?yōu)榱慊蛳嗷サ之敎囟茸兓瘯r，產(chǎn)生的溫度自補償條件：KtK被測試件材料選定后，只要選擇合適的應變片敏感柵材料，使被測試件材料選定后，只要選擇合適的應變片敏感柵材料，使?jié)M足上滿足上式，就可實現(xiàn)溫度自補償。式，就可實現(xiàn)溫度自補償。缺點：缺點：一種一種值的應變片只能在一種材料上使用，局限性較大。值的應變片只能在一種材料上使用，局限性較大。 b. b.雙金屬敏感柵自補償應變片雙金屬敏感柵自補

18、償應變片 To One制作應變片時，敏感柵采用兩種不同溫度系數(shù)的金屬材料，一個為正，一制作應變片時，敏感柵采用兩種不同溫度系數(shù)的金屬材料，一個為正，一個為負，將二者串聯(lián)繞制，當溫度變化時兩者產(chǎn)生的電阻將相互抵消。個為負，將二者串聯(lián)繞制，當溫度變化時兩者產(chǎn)生的電阻將相互抵消。5.4 5.4 電阻應變式傳感器的信號調(diào)理電路電阻應變式傳感器的信號調(diào)理電路目的：將應變片電阻變化轉(zhuǎn)化為電壓或電流的變化。目的：將應變片電阻變化轉(zhuǎn)化為電壓或電流的變化。To 4.1.75.4.1.測量電橋的工作原理測量電橋的工作原理1 1。直流電橋。直流電橋To 4.1.732410432132414332110LRRRR0

19、UURRRRRRRRURRR-RRRUR電橋平衡條件當電橋平衡時，）（）（當輸出端不接負載，即工作時通常采用平衡電橋測量法：當被測量等于零時，電橋處于平衡狀態(tài)，此時指示儀表G及可調(diào)電位計H指示為零。當某一橋臂隨被測量變化時，電橋失去平衡。調(diào)節(jié)電位計H ，改變電阻R5觸點位置，可使電橋重新平衡，電表G指針回零。電位計H上的標度與橋臂電阻值的變化成比例，故H的指示值可以直接表達被測量的數(shù)值。R1R3R2R4HGU0R51) 單臂電橋單臂電橋 單臂電橋靈敏度最低，且存在非線性誤差。To 4.1.7應變片允許功耗的限制但供橋電壓的提高受到電壓靈敏度越高?？梢?，電橋電壓越高，電橋輸出電壓小，即應變片變化

20、參數(shù)很當RRUURR4110RRRRUURRRRRURRRRR/2/2)2(2RR,RR,R014321111變片工作時，一個臂接入應非線性誤差越大。可見，測量應變越大，非線性誤差就不能忽略，若應變片承受應變很大RRRRUUURRRRUURR2/221/2/2/00002) 雙臂半橋雙臂半橋 雙臂電橋靈敏度相對單臂電橋提高一倍，且不存在非線性誤差，還可起到溫度補償?shù)淖饔?。RRUU2123-50），電橋輸出電壓代入（To 4.1.7RRR,RR,R,R214321222111RRRRRRR入應變片工作時，兩個相鄰臂接3) 全橋全橋 全橋靈敏度最高，不存在非線性誤差，且和雙臂電橋一樣能起到溫度補償

21、作用。URRU0電橋輸出電壓To 4.1.743214321444333222111RRRR,RR,R,R,R,R4RRRRRRRRRRR化相同者接相對兩臂個臂接入應變片，且變工作時，2。交流電橋324132413241ZZZZzzzzzeZj由電橋平衡條件即：相對臂阻抗模的乘積相等，相對臂阻抗角的和相等。為滿足上述平衡條件，交流電橋各臂可有不同的組合。常用電容、電感電橋，其相鄰兩臂接入電阻，而另外兩臂接入相同性質(zhì)的阻抗，如都是電容或者都是電感。R2R1R3R4C1C3交流電橋的預調(diào)節(jié)平衡：交流電橋的預調(diào)節(jié)平衡：一般既有電阻預調(diào)平衡，也有電容預調(diào)平衡一般既有電阻預調(diào)平衡，也有電容預調(diào)平衡5.4

22、.2 電阻應變儀作用：將電橋輸出信號放大，以便于顯示和記錄。特點：靈敏度高、穩(wěn)定性好、測量簡便準確、可作多點遠距離測量， 野外測量。2.交流電橋電阻應變儀的結(jié)構(gòu)和工作原理 當工作應變片感受到被測動態(tài)應變時，電橋輸出一個微弱的的調(diào)幅波，調(diào)幅波的包絡線與被測動態(tài)應變相似。放大器將微弱的調(diào)幅波放大后輸入相敏檢波器，經(jīng)相敏檢波器解調(diào)后得到應變包絡線，再經(jīng)過低通濾波器濾去載波，得到與被測動態(tài)應變信號相似的放大信號，最后輸給記錄儀器。5.5 5.5 電阻應變式傳感器的應用電阻應變式傳感器的應用傳感器使用時有兩種情況：u作為敏感元件（直接感受被測量），直接將應變片粘貼在被測件上，測量應力或應變u作為傳感元件

23、，粘貼在彈性元件（敏感元件）上，測量力、位移、速度、加速度1。電阻應變式力傳感器u柱式力傳感器 主要用于各種電子秤和材料試驗機的測力元件。 原理是力直接作用于彈性元件，將力變?yōu)閼儭梁式力傳感器2。電阻應變式壓力傳感器主要用于液體、氣體動態(tài)、靜態(tài)壓力的測量。3。電阻應變式加速度傳感器測量時，首先經(jīng)過質(zhì)量彈簧的慣性系統(tǒng)將加測量時，首先經(jīng)過質(zhì)量彈簧的慣性系統(tǒng)將加速度轉(zhuǎn)換為力速度轉(zhuǎn)換為力F=maF=ma，再作用在彈性元件，再作用在彈性元件（傳（傳感元件）感元件）上，而粘貼于彈性元件上的應變片上，而粘貼于彈性元件上的應變片（敏感元件）（敏感元件）的電阻值也產(chǎn)生相應變化，從的電阻值也產(chǎn)生相應變化，從而通過測量應變來測量加速度。而通過測量應變來測量加速度。5.6 5.6 壓阻式傳感器壓阻式傳感器即半導體應變片式傳感器。特點：特點：|頻率響應高；頻率響應高；|體積小、重量輕；體積小、重量輕；|精度高精度高|靈敏度高靈敏度高|工作可靠、耐振、耐沖擊。工作可靠、耐振、耐沖擊。5.7 5.7 本章小結(jié)本章小結(jié)1。電阻應變式傳感器的工作原理。電阻應變式傳感器的工作原理 重點理解重點理解“電阻應變效應電阻應變