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1、第三章 电阻应变式传感器,传感器的定义,国家标准(GB7665-87)对传感器(Transducer/Sensor)的定义：能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。教科书对其定义：传感器是一种以一定的精确度把被测量转换为与之有确定对应关系的、便于应用的某种物理量的测量装置。,定义包含以下几方面意思：,传感器是测量装置，能完成检测任务；它的输入量是某一被测量，可能是物理量，也可能是化学量、生物量等；它的输出量是某一物理量，这种量要便于传输、转换、处理、显示等等，这种量可以是气、光、电物理量，但主要是电物理量；输出输入有对应关系，且应有一定的精确程度。,传感器的组成,以测
2、量汽车油箱中汽油液位的装置为例,组成,传感器的分类,传感器的分类方法有许多种，从传感器的工作机理来说，可分为物理型、化学型、生物型等。本课程主要讲的是物理型传感器，因此下面我们列表将物理型传感器的各种分类情况进行介绍。,传感器的命名,式 传感器,如：电阻式液位传感器电容式声传感器应变式力传感器压电式加速度传感器,表示变换元件、变换原理的种类,表示用途，指出被测量的种类,传感器的发展趋势,高精度小型化集成化数字化智能化新型化,大量物性型传感器的涌现 化学传感器的开发采用新工艺的传感器开发,电位计式：应变式：,物理量变化,电阻变化,传感元件,属于大电阻变化型，R：0R传,属于微电阻变化型，R：02
3、0%R传,电阻式传感器的分类,工作原理及分类,电阻应变式传感器的工作原理是将电阻应变片粘贴到各种弹性敏感元件上，使物理量的变化变成应变片的应力、应变变化，从而变成电阻值变化。根据应变片的材料不同，可分为两种,金属电阻应变片半导体应变片,金属丝电阻应变片的结构,优点：,结构简单，体积小，使用方便，性能稳定、可靠；灵敏度高，精确度高，测量速度快，适合静态、动态测量；易于实现测试过程自动化和多点同步测量，以及远距测量和遥测；可测多种物理量，如：位移、加速度、力、力矩、压力等。,3-1 金属电阻应变片,一、金属电阻应变片的结构原理,（一）电阻应变效应,金属丝的电阻应变效应 金属丝的电阻值随着金属丝的几
4、何尺寸变化（伸长或缩短）而发生相应的变化的现象。,（一）电阻应变效应,金属丝的电阻：,称为泊松比,由上式可知，电阻的相对变化量受两个因素影响：一个是由电阻丝几何尺寸引起的；另一个由电阻丝电阻率引起的。对金属电阻丝来讲后一项数值很小，可以忽略不计，则上式简化为：,上式表明了电阻相对变化率与应变成正比。比值S一般称为电阻应变片的应变系数或灵敏度,金属丝的灵敏度表示金属丝产生单位变形时，电阻相对变化的大小。S由实验求得。,(二)金属电阻应变片的结构及参数,结构形式金属电阻应变片有丝式和箔式两种。都是由敏感栅、基底、粘结剂和引线等组成。,结构形式,结构形式,敏感栅敏感栅用来感受应变并转换为电阻的变化。
5、金属丝电阻应变片的敏感栅由具有高电阻率的金属丝(康铜或镍铬合金等，直径0.0150.05mm左右)绕成。,上式S为常数，通常很小，为了得到较大的R，就必须增大R值。,结构形式,金属箔式电阻应变片的敏感栅是用栅状金属箔片代替栅状金属丝。金属栅采用光刻技术制造，适于大批量生产。其线条均匀，尺寸准确，阻值一致性好。箔片厚约1um10um，散热好，黏结情况好，传递试件应变性能好。因此目前使用的多系金属箔式应变片。,结构形式,基底和覆盖层基底和覆盖层的作用是保持敏感栅的几何形状及敏感栅与被测试件之间的电绝缘，并起着防潮、防蚀、防损等作用。引线引线起着敏感栅与测量电路之间过渡连接和引导的作用。粘结剂粘结剂
6、的作用是把覆盖层和敏感栅固结在基底上。使用时，把应变片基底再粘贴在试件表面的被测部位。,金属应变片的主要参数,金属应变片的主要参数基长l基宽b电阻值R灵敏度S允许电流,二、应变片的测量电路,测量过程,力、压力,应变变化,电阻变化,电压或电流的变化并显示和记录,敏感元件,应变片,电阻应变仪,按激励电压性质,直流电桥交流电桥,直流电桥,直流电桥输出电压,4,4,3,3,直流电桥,电桥平衡条件为：R1R3=R2R4直流电桥输出电压 Uo=0一般取 R1=R2=R3=R4=R当R1 R1 R 时，Uo相应变化 电阻应变片感受各种弹性敏感元件的变形，使物理量的变化变成应变片的应力、应变变化，从而变成电阻
7、值变化。,假设R1=R2=R3=R4=R，R为应变片感受应变后的电阻增量。则单臂电桥的输出电压为：,半桥单臂,半桥双臂,全桥,3,3,4,4,4,4,3,3,因为R R，所以,讨论,电桥接法与电桥灵敏度的关系：S半桥单臂：S半桥双臂：S全桥=1：2：4 电桥的和差特性相邻桥臂的应变极性相同时，电桥的输出电压与两应变之差有关；极性相反时，与应变之和有关。相对桥臂的应变极性相同时，电桥的输出电压与两应变之和有关；极性相反时，与应变之差有关。,讨论,电桥联接的规律电阻变化符号相反的联入相邻臂中电阻变化符号相同的联入相对臂中桥臂电阻数与输出之关系,单纯的增加桥臂电阻数不会增加输出，但可以起平均作用及消
8、除干扰的作用。,交流电桥,输出电压,平衡条件,设各臂阻抗为,Z复阻抗的模 则,根据复数相等条件可得交流电桥平衡条件为,在测量前对电桥应分别进行电阻、电容平衡，即R1R4=R2R3 R1C1=R2C2,（一）温度误差敏感栅电阻随温度的变化引起的误差,三、温度误差及其补偿,线膨胀系数不同引起的误差,（一）温度误差,温度变化t以后，电阻丝总的电阻变化为：,由上式可知，温度变化t以后，电阻丝会产生附加电阻Rt。为了消除温度的影响，提高测量精度，必须进行温度补偿。,（二）温度补偿,桥路补偿法补偿片法根据电桥的和差特性，电桥中若R1是粘贴在试件上的工作应变片，RB作为补偿片，粘贴在与试件材料相同、温度相同
9、但不受力的补偿块上。补偿片和工作应变片具有相同的灵敏度和阻值，在电桥中接成邻臂。,桥路补偿法,当试件不承受应变只有温度变化时，由于两个应变片处于同一温度场，产生的电阻增量大小相等，符号相同，电桥的输出电压Uo=0。当试件承受应变时，因为只有工作应变片感受应变，所以电桥输出电压只与被测试件的应变有关，而与温度无关，从而达到温度补偿的目的。,桥路补偿法,热敏电阻法,由于应变片的灵敏度随温度的升高而减小，因此在桥路中接入热敏电阻Rt，并与应变片处于相同的温度下。当温度升高时Rt的阻值减小，供桥电压随温度的升高而增加，从而使电桥的输出电压Uo增加。适当选择分流电阻R5，可使供桥电压随温度增加的速率与应
10、变片灵敏度下降的速率相同，达到温度补偿目的。,自补偿法,为了消除温度的影响，就必须使上式等于零，满足这个条件的应变片称为自补偿应变片。,选择式自补偿应变片当电阻丝的电阻温度系数 时，就可达到温度补偿的目的。对于一定的试件，1为常数，只要选择适当的敏感栅的材料，使2=1，就满足要求。,自补偿法,组合式自补偿应变片 选用两种具有不同符号的电阻温度系数的敏感栅，把它们串联起来。适当调整二者之间的长度比，就可实现使温度变化产生的电阻增量大小相等、符号相反，实现温度自动补偿。,特点,采用桥路补偿，方法简便，能在较大范围内进行有效的补偿。自补偿应变片使用方便，但只能在规定的试件上使用，试件材料改变时，必须
11、另行制作。,3-2 半导体应变片,一、压阻效应,半导体应变片的工作原理是基于半导体材料的压阻效应。所谓压阻效应，是指单晶半导体材料沿某一轴向受到外力作用时，其电阻率发生变化的现象。半导体应变片的电阻变化可由下式表示：,半导体应变片电阻率变化引起的/远大于由几何变形引起的(1+2)，其电阻变化率为：,半导体应变片的灵敏度为：,二、半导体应变片的结构特点,半导体应变片分为两类：体型半导体应变片体型半导体应变片是将半导体单晶硅或者锗加工成条状，在两端焊上引线后粘贴在胶膜基地上即成。,扩散型半导体应变片扩散型半导体应变片是在电阻率很大的单晶硅支持片上，定域扩散一层P型或N型杂质，形成极薄的导电层，焊上
12、电极即成。,二、半导体应变片的结构特点,半导体应变片的突出特点是灵敏度高，可测微小应变。半导体应变片的另一个特点是体积小，结构简单，机械滞后小，耗电少。半导体应变片的缺点：电阻温度系数大，对环境温度的变化敏感；测量大应变时灵敏度的非线性严重。,二、半导体应变片的结构特点,因为半导体应变片的两个缺点，在使用半导体应变片时，必须进行温度补偿和非线性补偿，为此研制了相应的补偿型半导体应变片：,温度自补偿式半导体应变片,灵敏系数补偿式应变片,3-3 电阻应变式传感器及其应用,将应变片粘贴于被测构件上，直接用来测定构件的应变或应力。,将应变片粘贴于弹性元件上，与弹性元件一起构成应变式传感器。用来测量力、
13、位移、压力、加速度、扭矩等物理参数。,一、电阻应变式测力传感器,（一）电阻应变式力传感器的结构电阻应变式力传感器按弹性元件结构形式的不同，可分为柱式、环式、梁式等几种。,柱式力传感器,柱式力传感器分圆筒形和圆柱形两种，其结构是在圆筒或圆柱上按一定方式贴上应变片。实心圆柱可以承受较大的载荷，但灵敏度较低，为了提高灵敏度，特别是在小集中应力测量时常采用空心圆筒。柱式力传感器主要用来测量拉力和压力。测量范围几千牛顿到几兆牛顿，精度可达（0.3%0.5%）。,环式力传感器,环式弹性元件的结构如图。环式弹性元件受力后产生弯曲变形，根据弯曲情况画出弯矩图。,当弹性元件的材料和尺寸确定后，弯矩M和应变成正比
14、，弯矩最大的地方应变最大。由弯矩图可知，在外力作用下环上各点的应力差别很大。应变为零的点称为应变节点。,环式力传感器的结构如图。环式力传感器精度高，稳定性好，可拉压两用，测量范围几百牛顿到零点几兆牛顿，精度可达0.05%。环式力传感器使用时上下受力必须是线接触，如果是面接触，将产生非线性误差。,环式力传感器,梁式力传感器,梁式弹性元件的结构有两种，一种是等截面梁，一种是等强度梁，如图所示。,等截面梁贴片处的应变为：,等强度梁贴片处的应变为：,CYB-1型梁式测力传感器结构如图。梁式测力传感器结构简单，加工容易，应变片粘贴精度高，稳定性好，具有极强的过载保护能力。适用于测量5102N以下的载荷，
15、最小可测零点几牛顿的力。,剪切轮辐式力传感器,剪切轮辐式力传感器的基本原理是将载荷传递到一个轮辐式的弹性元件上，通过测量轮辐上的剪应力来间接测量载荷。剪切轮辐式力传感器的优点是精度高，滞后小，重复性好，线性好，抗偏心载荷和侧向力的能力强，结构紧凑，外形尺寸小，重量轻，输出灵敏度高。,（二）应变片的合理布置和桥路联接,电阻应变式测力传感器是利用应变片作为变换器来测量弹性元件的变形量从而确定载荷的大小的，因此应变片粘贴位置是否合理，接桥方式是否恰当等都是影响能否获得预期测量结果的关键。根据弹性元件受力后应力应变的分析，应变片的布置和测量电桥的连接应遵循以下原则：应变片应布置在弹性元件具有正负极性的
16、应变区；应变片应布置在弹性元件产生最大应力的位置，同时注意使该处不受非待测力的干扰影响；根据电桥的和差特性，选择恰当的接桥方式，使电桥输出最大，又能排除非待测力的影响和能进行温度补偿，且输出是与应变成正比的单值函数关系。,（三）作用力之间干扰的消除及温度影响补偿,对于作用力之间干扰的消除常采用电补偿原理或机械补偿原理的办法。温度影响的补偿，按照电桥输出的和差特性，把应变片连接成相邻接法或全桥接法即可达到温度补偿的目的。,二、电阻应变式压力传感器,压力传感器主要用来测量气体和流体的压力，根据弹性元件的结构有筒式、膜片式、组合式等多种形式。（一）筒式压力传感器,（二）膜片式压力传感器,（三）组合式压力传感器,三、其他应变式传感器,应变式位移传感器应变式加速度传感器应变式扭矩传感器,应变式传感器实例,应变式压力传感器,应变式力传感器,总结,应变式传感器结构设计的关键是弹性元件型式的选择与计算以及应变片的合理布置与接桥。,
