傳感檢測技術(shù)及其應(yīng)用第4章課件

第4章電阻式傳感器及應(yīng)用一、電阻式傳感器及分類1.電阻式傳感器電阻式傳感器是把被測量轉(zhuǎn)換為電阻變化的一種傳感器。2.電阻式傳感器分類電阻式傳感器主要有變阻器式、電阻應(yīng)變式和固態(tài)壓阻式傳感器。二、變阻器式電阻式傳感器

7/29/20231優(yōu)點(diǎn)：＊結(jié)構(gòu)簡單、尺寸小、重量輕、價(jià)格低廉且性能穩(wěn)定；＊受環(huán)境因素(如溫度、濕度、電磁場干擾等)影響??；＊可以實(shí)現(xiàn)輸出—輸入間任意函數(shù)關(guān)系；＊輸出信號大，一般不需放大。7/29/20232缺點(diǎn)：＊因?yàn)榇嬖陔娝⑴c線圈或電阻膜之間摩擦，因此需要較大的輸入能量；＊由于磨損不僅影響使用壽命和降低可靠性，而且會降低測量精度，所以分辨力較低；＊?jiǎng)討B(tài)響應(yīng)較差，適合于測量變化較緩慢的量。三、電阻應(yīng)變式電阻傳感器金屬電阻應(yīng)變片的工作原理是基于金屬導(dǎo)體的電阻-應(yīng)變效應(yīng)，即金屬導(dǎo)體在外力作用下發(fā)生機(jī)械變形時(shí)，其電阻值隨著它所受機(jī)械變形(伸長或縮短)的變化而發(fā)生變化的現(xiàn)象。7/29/202331.分類及結(jié)構(gòu)金屬電阻應(yīng)變片分為金屬絲式、箔式和膜式等。（1）電阻絲應(yīng)變片金屬絲式應(yīng)變片的典型結(jié)構(gòu)：將一根高電阻率金屬絲（康銅、鎳鉻、卡瑪合金等，直徑0.025mm左右）繞成柵形，粘貼在絕緣的基片和覆蓋層之間，由引出導(dǎo)線接于電路中。

7/29/20234（2）箔式應(yīng)變片

箔式應(yīng)變片由厚度為1~10m的康銅箔或鎳鉻箔經(jīng)光刻，腐蝕工藝制成的柵狀箔片。箔式應(yīng)變片適于大批量生產(chǎn)，可制成多種復(fù)雜形狀，線條均勻，敏感柵尺寸準(zhǔn)確，柵長最小可到0.2mm；散熱好，允許電流大；橫向效應(yīng)、蠕變和機(jī)械滯后小，疲勞壽命長；柔性好（可貼于形狀復(fù)雜的表面），傳遞試件應(yīng)變性能好。

目前使用的應(yīng)變片大多是金屬箔式應(yīng)變片。7/29/202357/29/20236（3）膜式應(yīng)變片膜式應(yīng)變片采用真空蒸發(fā)或真空沉積等方法，在薄的絕緣基片上形成厚度在0.1mm以下的金屬電阻材料薄膜的敏感柵。它的優(yōu)點(diǎn)是應(yīng)變靈敏系數(shù)大，允許電流密度大，工作范圍廣，可達(dá)－197～317℃。2.工作原理（電阻－應(yīng)變效應(yīng)）電阻－應(yīng)變效應(yīng)是指金屬電阻絲的電阻隨著它所承受機(jī)械變形（伸長或縮短）的大小而發(fā)生改變的一種物理現(xiàn)象。7/29/20237設(shè)有一根圓截面金屬電阻絲，其電阻為

金屬電阻絲受拉變形當(dāng)受到軸向力F被拉伸時(shí)，其電阻變化為7/29/20238則上式即為電阻－應(yīng)變效應(yīng)表達(dá)式。7/29/20239對于電阻應(yīng)變片，其電阻變化率與應(yīng)變的關(guān)系為3.電阻應(yīng)變片的主要特性（1）應(yīng)變計(jì)的電阻值R應(yīng)變計(jì)在沒有粘貼及未參與變形有前，在室溫下測定的電阻值。（2）靈敏度系數(shù)k應(yīng)變計(jì)的靈敏度系數(shù)由其材料及結(jié)構(gòu)決定，由實(shí)驗(yàn)獲得。7/29/202310（3）機(jī)械滯后試件上加載、卸載過程中，對同一機(jī)械應(yīng)變，應(yīng)變片指示應(yīng)變值發(fā)生變化，其差值稱之機(jī)械滯后。其滯后大小與應(yīng)變片承受的應(yīng)變量大小有關(guān)，造成原因主要是敏感柵、基底粘合劑在承受機(jī)械應(yīng)變后所留下的機(jī)械變形。7/29/202311（4）橫向效應(yīng)與橫向效應(yīng)系數(shù)應(yīng)變片在感受被測試件的應(yīng)變時(shí)，橫向應(yīng)變將使電阻變化率減小，從而降低靈敏度系數(shù)的現(xiàn)象，稱為應(yīng)變片的橫向效應(yīng)。在同一單向應(yīng)力作用下，垂直于單向應(yīng)變方向安裝的應(yīng)變計(jì)的指示應(yīng)變與平行于單向應(yīng)變方向安裝的同批應(yīng)變計(jì)的指示應(yīng)變之比，稱為橫向應(yīng)變系數(shù)。所以，為了減小橫向效應(yīng)的影響，應(yīng)變片都做成窄長的形狀。（5）零點(diǎn)漂移指試件空載（不受應(yīng)力作用）、溫度恒定的條件下，指示應(yīng)變隨時(shí)間的變化值。7/29/202312（6）蠕變粘貼在試件上的應(yīng)變片，在恒溫恒載條件下，指示應(yīng)變隨時(shí)間的變化數(shù)值稱為蠕變。（7）應(yīng)變極限對于已安裝的應(yīng)變計(jì)，在溫度恒定時(shí)，指示應(yīng)變和真實(shí)應(yīng)變的相對誤差不超過規(guī)定數(shù)值的真實(shí)應(yīng)變值，稱為應(yīng)變極限。如圖所示。7/29/202313（8）疲勞壽命在恒定幅值交變應(yīng)力作用下，連續(xù)工作到產(chǎn)生疲勞損壞的循環(huán)次數(shù)，稱為應(yīng)變片的疲勞壽命。（9）溫度效應(yīng)及熱輸出由于環(huán)境溫度變化的影響，將使應(yīng)變片的電阻發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為應(yīng)變計(jì)的溫度效應(yīng)。而由于溫度變化引起的應(yīng)變輸出稱為熱輸出。熱輸出定義為：當(dāng)應(yīng)變片安裝在某一線性膨脹系數(shù)的試件上，試件可以自由膨脹，在緩慢升（或降）溫的均勻溫度場內(nèi)，由溫度變化引起的指示應(yīng)變。7/29/202314從上面可知，影響熱輸出因素主要有三個(gè)：溫度變化；應(yīng)變片敏感柵材料電阻溫度系數(shù)；試件材料和敏感柵材料線性膨脹系數(shù)不等。7/29/202315（10）應(yīng)變計(jì)的最大工作電流應(yīng)變片正常工作允許通過的最大電流。通常靜態(tài)測量時(shí)為25mA，動態(tài)測量時(shí)為75－100mA。工作電流過大會導(dǎo)致應(yīng)變片過熱、靈敏度變化、零漂和蠕變增加，甚至燒毀。（11）絕緣電阻已安裝的應(yīng)變計(jì)的敏感柵及引線與被測試件之間的電阻值。是檢查應(yīng)變計(jì)的粘貼質(zhì)量與粘合劑是否干燥或固化的重要指標(biāo)。絕緣電阻越高越好，在室溫下，一般為500－5000MΩ之間。（12）應(yīng)變片的動態(tài)特性應(yīng)變片在測量變化頻率較高的動態(tài)應(yīng)變時(shí)，應(yīng)該考慮其頻率響應(yīng)，即動態(tài)特性問題。7/29/202316應(yīng)變片的動態(tài)特性最終可歸結(jié)到應(yīng)變片的基長與輸入應(yīng)變波的頻率的關(guān)系。若輸入正弦應(yīng)變波的極限工作頻率f與應(yīng)變片基長L的關(guān)系為若輸入應(yīng)變波為階躍波時(shí)7/29/202317四、應(yīng)變計(jì)測量電橋測量電橋在應(yīng)變計(jì)電阻傳感器中得到廣泛的應(yīng)用，結(jié)構(gòu)簡單，靈敏度高，測量范圍寬，線性度好，精度高，易于實(shí)現(xiàn)和補(bǔ)償。測量電橋有直流電橋和交流電橋，本課重點(diǎn)講直流電橋。1.直流電橋

7/29/202318當(dāng)R1R4=R2R3時(shí)，電橋平衡，輸出為零。按接入電橋應(yīng)變片的數(shù)量可分為單臂工作電橋、半橋工作電橋、全橋工作電橋。2.單臂工作電橋只有一個(gè)橋臂接入應(yīng)變片，其它三個(gè)橋臂是平衡電阻。7/29/202319（1）立式橋立式橋（2）臥式橋7/29/202320（3）等臂電橋3.半臂工作電橋有兩只應(yīng)變片接入電橋，設(shè)R1，R2作為應(yīng)變片，半臂工作電橋（1）半臂臥式電橋7/29/202321(2)半臂等臂電橋4.全臂工作等臂電橋四個(gè)臂均接入應(yīng)變片，并為差動工作，且7/29/2023225.恒流供電電橋上面所講都是恒壓供電的電橋。在全橋差動工作時(shí)，在不考慮溫度變化時(shí)，電橋的輸出與電阻的相對變化量△R／R成比例。而實(shí)際上溫度變化時(shí)，每個(gè)電阻隨溫度變化量為△Rt，電橋的輸出為UO=E·△R/(R+△Rt)電橋的輸出是非線性的。恒流源供電電橋如右圖所示，設(shè)4個(gè)橋臂初始電阻均為R，則IABC=IADC=I/2，。有壓力作用時(shí)，仍有IABC=IADC=I/2，則電橋輸出為7/29/202323因此，電橋的輸出與溫度無關(guān)?？偨Y(jié)：從上面可以知道，半臂工作臥式電橋、等臂電橋的輸出是單臂工作臥式電橋、等臂電橋的輸出的2倍；而全臂工作等臂電橋的輸出是半臂工作電橋輸出的2倍。6.電橋輸出非線性誤差上述電橋輸出公式都是在△R《R的假設(shè)條件下得到。當(dāng)該條件不成立時(shí)，必存非線性誤差。7/29/202324對于單臂工作的臥式電橋和等臂電橋，有相對誤差為7/29/202325如果＝2，當(dāng)相對誤差<1％時(shí)，則，則，也就是應(yīng)變值時(shí)，電橋輸出相對誤差。7/29/2023267.電阻應(yīng)變片的溫度補(bǔ)償由前面內(nèi)容知道電阻應(yīng)變片的熱輸出為由于應(yīng)變片電阻絲溫度系數(shù)

而產(chǎn)生的誤差；由于電阻絲膨脹系數(shù)

與測試試件材料的膨脹系數(shù)

之間不同而產(chǎn)生誤差?？梢圆捎醚a(bǔ)償法消除電阻應(yīng)變片的熱輸出誤差，稱為熱輸出補(bǔ)償。補(bǔ)償常用的方法有兩種：溫度自補(bǔ)償應(yīng)變片法，用于高溫下測量；橋路補(bǔ)償法，用于常溫下測量。（1）溫度自補(bǔ)償應(yīng)變片法

①單絲自補(bǔ)償應(yīng)變片7/29/202327通過選配敏感柵材料與試件材料相匹配實(shí)現(xiàn)熱輸出補(bǔ)償。由上式可知，要使，只要滿足即可。所以，在選用應(yīng)變計(jì)時(shí)，通過選擇敏感柵的合金材料，使其、與試件材料的相匹配，即滿足上式，就能達(dá)到溫度自補(bǔ)償?shù)哪康?。②雙絲自補(bǔ)償應(yīng)變片如左圖所示，當(dāng)應(yīng)變計(jì)的敏感柵是由電阻溫度系數(shù)為一正一負(fù)的兩種7/29/202328合金絲Ra和Rb串接而成，當(dāng)工作溫度變化時(shí)，若Ra柵產(chǎn)生的正（負(fù)）熱輸出與Rb柵產(chǎn)生的負(fù)（正）熱輸出大小相等或相近，就可達(dá)到自補(bǔ)償?shù)哪康?。?）橋路補(bǔ)償發(fā)橋路補(bǔ)償法是利用電橋的和、差原理來達(dá)到補(bǔ)償?shù)哪康?。常主要有雙絲半橋式，補(bǔ)償計(jì)式。在工業(yè)應(yīng)用中常用補(bǔ)償計(jì)式。

選用型號和特性完全相同的兩只應(yīng)變片，可以構(gòu)成單臂工作補(bǔ)償電橋和半臂工作補(bǔ)償電橋。如果相同的兩應(yīng)變片之一粘貼在被測試件上作為工作片，另一只粘貼在與被測試件的結(jié)構(gòu)材料相同而不受應(yīng)力的補(bǔ)償塊上，作為補(bǔ)償片，構(gòu)成單臂工作補(bǔ)償電橋。7/29/202329如圖，工作片R1和補(bǔ)償片R2處于相同環(huán)境溫度下，則他們所產(chǎn)生的熱輸出相等。當(dāng)被測試件受力為F，并有溫度變化Δt時(shí)，則工作應(yīng)變片電阻由原來R1變?yōu)闉镽’1，補(bǔ)償電阻由R2變?yōu)镽’2即代入電橋電壓輸出公式，則電橋輸出端電壓為7/29/202330當(dāng)R3=R4=R0時(shí)代入和得由上述條件知R1=R2=R，時(shí)因?yàn)榈?/29/202331上式表示電橋輸出端電壓僅與作用力有關(guān)，而與溫度變化產(chǎn)生的熱輸出無關(guān)，即消除了熱輸出的影響。如果R1和R2都是工作應(yīng)變片，但使R2粘貼于被測試件的相反應(yīng)變處，則構(gòu)成半臂工作補(bǔ)償電橋。則R1和R2在應(yīng)力作用和溫度變化影響下有：7/29/202332根據(jù)上述條件有R1=R2=R，

，，則有上式同樣表示電橋輸出端電壓僅與作用力有關(guān)，而與溫度變化產(chǎn)生的熱輸出無關(guān)，即消除了熱輸出的影響。7/29/202333五、壓阻式傳感器及其應(yīng)用1.壓阻效應(yīng)根據(jù)電阻－應(yīng)變效應(yīng)，有對于金屬電阻絲而言，，而對于半導(dǎo)來說，，所以半導(dǎo)體的電阻－應(yīng)變效應(yīng)為7/29/2023342.固態(tài)壓阻式壓力傳感器（1）結(jié)構(gòu)N作為彈性敏感元件，在其上擴(kuò)散制成P型電阻，稱為硅杯。（2）特點(diǎn)體積小，重量輕，可微型化；相應(yīng)頻率高，頻帶寬，適合動態(tài)測量；精度、靈敏度高等。（3）電源電橋及其特點(diǎn)（4）固態(tài)壓阻傳感器的補(bǔ)償3.壓阻式壓力傳感器的三種測量方式絕壓測量方式、表壓測量方式、差壓測量方式。4.壓阻壓力傳感器分類壓力傳感器、壓力變送器等。7/29/2023355.壓阻壓力傳感器選用6.壓阻壓力傳感器制造商Freescale(Motorola),Honeywell,Philips等7/29/202336直流電橋的測量電路如圖所示六、電阻式傳感器測量電路1.恒流源和恒壓源7/29/2023372.放大電路（1）差動放大器7/29/202338（2）運(yùn)算放大器的儀表放大器7/29/202339（3）運(yùn)算放大器的儀表放大器7/29/202340七、電阻式傳感器應(yīng)用1.電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用特點(diǎn)：①應(yīng)用和測量范圍廣：測力可達(dá)到10-2～107N；測壓力可達(dá)103～108Pa；測加速度可達(dá)103m/s3數(shù)量級。

②分辨力、靈敏度和精度高。（1）測力①柱筒形彈性元件測力傳感器7/29/2023417/29/2023427/29/2023437/29/202344②環(huán)形彈性元件測力傳感器7/29/202345③懸臂梁彈性元件測力傳感器7/29/2023467/29/2023472.電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用示例①基本應(yīng)用平面膜片式壓力傳感器，應(yīng)變橋連接成全橋，且如圖4－22所示，應(yīng)變計(jì)k=2.0，膜片允許