《电阻应变片传感器》PPT课件.ppt

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1、2 电阻应变片式传感器,勤朴忠实,2.1 电阻应变传感器工作原理,电阻应变传感器是一种利用电阻应变片将应变转换为电阻变化的传感器。任何非电量只要能转化为应变量就可以利用电阻传感器测量，因而在非电量电测技术中应用十分广泛。,电阻应变传感器由弹性敏感元件、电阻应变片和测量电路组成。弹性元件：用来感受被测量的变化。其材料是弹性物质，其作用是在感受被测量时将产生变形，其表面产生应变；电阻应变片：将弹性元件的表面应变转换为应变片电阻值的变化。粘贴在弹性元件上，将随着弹性敏感元件产生应变，因此电阻应变片的电阻值也产生相应的变化。测量电路：将应变片电阻值的变化转换为便于输出测量的电量，从而实现非电量的测量。

2、电阻应变片是应变测量的关键元件，为适应各种领域测量的需要，可供选择的电阻应变片的种类很多，但按其敏感栅材料及制作方法可分类如下表：,电阻应变片的种类,金属应变效应是指金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着所受机械变形(伸长或缩短)的变化而发生变化的现象。由于,2.2 电阻应变片的工作原理,2.2.1 金属的应变效应,2.2.2 应变片的结构 和工作原理,1、结构,右图2-1 电阻丝应变片的基本结构1基底 2电阻丝 3覆盖面 4引线,对上式微分得：,由于：，则有：,2、应变片特性,根据电阻定律，一根金属丝的电阻为,(2-1),）；,R为金属丝的电阻（,为金属丝的电阻率,L为金属丝的长度

3、（m）；A为金属丝的截面积（）。,取一段金属丝如图2-2所示。当金属丝受拉而伸长dL时，其截面积将相应减小dS，电阻率则因金属晶格发生变形等因素的影响也将改变d，这些量的变化，必然引起金属丝电阻改变dR。,图 2-2 金属导线受力变形情况,导体纵向（轴向）应变量为，横向（径向）应变量为，则有,式中称之为导体的泊松比，它表示导体横行应变量与纵向应变量成比例，式中“-”号表示两者变形方向相反。将前两式带入，得：,令金属丝应变灵敏系数为，其物理含义是单位纵向应变片引起电阻的相对变化量。带入上式：,决定于导体几何尺寸发生的变化；,金属丝应变灵敏系数主要决定于金属导体的几何尺寸发生的变化，通常泊松比的大

4、小约0.51，因而金属丝应变灵敏系数一般在24之间。当金属丝制作成敏感栅时，其应变灵敏系数不仅决定于金属导体自身，而且还与横向效应，粘结剂及工艺等多因素有关。,决定于导体导电性能发生的变化；,实验证明，在金属丝变形的弹性范围内，电阻的相对变化,与应变,成正比，因而,为一常数。,式（2-8）以增量表示为,（2-9）,2.2.3 应变片的测试原理,用应变片测量应变或应力时，是将应变片粘贴于对象上。在外力作用下，被测对象表面产生微小机械变形，粘贴在其表面上的应变片亦随其发生相同的变化，因此应变片的电阻也发生相应的变化。如果利用仪器测出应变片的电阻阻值变化,则可以求解出试件的应变，根据力学知识 即可求

5、解出物体所受应力。其中，E为材料弹性模量，,2.2.4金属电阻应变片基本特性,（1）横向效应 将金属丝绕制成敏感栅后，在同样的拉伸力作用下沿拉伸力方向的直线段仍感受纵向拉应变而伸长；但弯曲的圆弧段在感受纵向拉应变的同时，也感受与纵向拉应变相反的横向压应变，称之为横向效应，且弯曲半径越大，横向效应越严重，致使电阻的增加值减小，应变片灵敏系数降低。（2）机械滞后 在恒温下，应变片受力后，其内部会产生不可逆的残余变形，致使应变电阻在加载和卸载时，出现一定的差值，称为机械滞后，也将引起应变片灵敏系数下降。,（3）蠕变 应变片受恒定力作用时，应变电阻值随时间而变化，致使因为应力在粘胶层中传递时出现滑动现

6、象，胶层越厚、滑动越严重，称之为蠕变，蠕变结果也将引起灵敏系数下降。（4）温漂 应变片材料的电阻一般都受温度影响，温度变化引起的阻值变化称为温漂，这种由于物质内部热激发所引起的热输出，通常是导致灵敏度下降的主要因素，因而在应变测量中都要采取相应的温度补偿措施。,2.2.5 电阻应变片的种类、材料,箔式应变片优点:可制成多种复杂形状、尺寸准确的敏感栅，其栅长最小可做到0.2mm，以适应不同的测量要求；横向效应小；散热条件好，允许电流大，提高了输出灵敏度；蠕变和机械滞后小，疲劳寿命长；生产效率高，便于实现自动化生产。金属箔的材料常用康铜和镍铬合金等。目前使用的应变片大多是金属箔式应变片。,采用真空

7、沉积或高频溅射等方法，在绝缘基片上形成厚度在0.1m以下的电阻材料薄膜的敏感栅厚度大约为箔式应变片的十分之一以下。优点：应变灵敏系数大，可靠性好，精度高，容易做成高阻抗的小型应变片，无迟滞和蠕变现象，具有良好的耐热性和冲击性能等。用化学气相淀积法制备薄膜，成膜温度低、可靠性好、系统简单等。,薄膜应变片：,2.3 半导体电阻应变片,1、半导体压阻效应,半导体应变片的纵向压阻效应可将前式（金属丝）改写为：,在单晶硅上扩散p型杂质,2.4 相关参数,1.应变片电阻值R0,2.绝缘电阻,3.灵敏系数K,指未安装的应变片在不受外力的情况下，于室温条件测定的电阻值，也称原始阻值。已趋于标准化，120 欧姆

8、最为常用。,敏感栅与基底间的电阻值，一般应大于 欧姆。,是指应变片安装于试件表面，在其轴线方向的单向应力作用下，应变片的阻值相对变化与试件表面上安装应变片区域的轴向应变之比。,4.允许电流,5.应变极限,是指不因电流产生热量影响测量精度，应变片允许通过的最大电流在静态测量时，允许电流一般为25mA；在动态测量时，允许电流可达75100mA。,指在温度一定时，指示应变值和真实应变值的相对差值不超过一定数值时的最大真实应变数值，一般差值规定为10%，当指定应变值大于真实应变值的10%时，真实应变值称为应变片的极限应变。,6.机械滞后、零漂和蠕变,应变片的机械滞后是指对粘贴的应变片，在温度一定时，增

9、加和减少机械应变过程中同一机械应变量下指示应变值的最大差值。零点漂移（简称零漂）是指已粘贴好的应变片，在温度一定和无机械应变时，指示应变值随时间的变化。蠕变是指已粘贴好的应变片，在温度一定并承受一定的机械应变时，指示应变值随时间的变化。,2.5 电阻应变式传感器的温度误差及其补偿,2.5.1 温度误差及其产生原因,1.温度变化引起应变片敏感栅电阻变化而产生附加应变,（2-12）,(2-13),为温度为t时的电阻值;,为温度为t0时的电阻值,为温度的变化值;,为温度变化,时的电阻变化,为敏感栅材料的电阻温度系数。,将温度变化折合为应变,，则,(2-14),K为应变片的灵敏系数,2.试件材料与敏感

10、栅材料的线膨胀系数不同，使应变片产生附加应变,如果粘贴在试件上一段长度为,的应变丝，当温度变化,时，应变丝受热膨胀至,而应变丝下的试件伸长至,，则,（2-15）,(2-16),（2-17）,（2-18）,为温度为t0时的应变丝长度；为温度为t时的应变丝长度；为温度为t时应变丝下的试件长度；g为应变丝的线膨胀系数；m为试件的线膨胀系数；、分别为温度变化 时应变丝和试件的膨胀量。,由式（2-16）和式（2-18）可知，如果,不相等，则,拉长至,将产生附加形变即,若应变丝被迫从,（2-19）,折算为应变，则,（2-20）,不同。,引起的电阻变化为,因此，由于温度变化,而引起的总阻值变化为,（2-21

11、）,（2-22）,总附加虚假应变量为,（2-23）,2.5.2 温度补偿方法,温度补偿方法，分为桥路补偿和应变片自补偿两大类。1.桥路补偿法 桥路补偿法也称补偿片法。应变片通常是作为平衡电桥的一个臂测量应变的，图2-6中,为工作片，,为补偿片。,工作片 粘贴在试件上需要测量应变的地方，补偿片 粘贴在一块不受力的与试件相同材料上，这块材料自由地放在试件上或其附近，如图2-6b所示。当温度发生变化时，工作片 和补偿片 的电阻都发生变化，而它们的温度变化相同，和 为同类应变片，又粘贴在相同的材料上，因此 和 分别接入电桥的相邻两桥臂，则因温度变化引起的电阻变化作用相互抵消，这样就起到了温度补偿的作用

12、。,图2-6 桥路补偿法,值的应变片只能用在一种材料上，因,2.应变片自补偿法,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，这种特殊应变片称为应变片自补偿法。下面介绍两种自补偿应变片。（1）选择式自补偿应变片由式(2-23)可知，实现温度补偿的条件为,则,(2-24),被测试件材料确定后，就可以选择适合的应变片敏感栅材料满足式（2-24），达到温度补偿。这种方法的缺点是一种,此局限性很大。,双金属敏感栅自补偿应变片也称组合式自补偿应变片。它是利用两种电阻丝材料的电阻温度系数不同（一个为正，一个为负）的特性，将二者串联绕制成敏感栅，如图2-7所示。若两段敏感栅

13、的电阻,而产生的电阻变化,和,大小相等而符号相反，,（2）双金属敏感栅自补偿应变片,，由于温度变化,就可以实现温度补偿，电阻,而其中,图2-7 双金属丝栅法,3.热敏电阻补偿法,如图2-8所示，图中的热敏电阻RT处在与应变片相同的温度条件下，当应变片的灵敏度随温度升高而下降时，热敏电阻RT的阻值也下降，使电桥的输入电压随温度升高而增加，从而提高电桥的输出，补偿因应变片引起的输出下降。选择分流电阻,可以得到良好的补偿。,的值，,图2-8 热敏电阻补偿法,2.6电阻应变式传感器的信号调节电路,2.6.1 测量电桥的工作原理,平衡电桥多用直流供电，四臂中任一电阻可用应变片代替，因为应变片工作过程中阻

14、值变化很小，所以可认为电源供出的电流I在工作过程中是不变的，即加在34间的电压是一个定值，如图2-9所示。假定电源为电动势源，内阻为零，则在检流计中流过的电流 和电桥各参数间的关系为,1.平衡电桥的工作原理,（2-25）,为检流计的内阻。应变片的阻值变化可以用 的大小来表示（偏转法），也可以用桥臂阻值的改变量来表示（零度法）。若采用零度法时，电桥的平衡条件为流过检流计的电流等于零，此时式（2-25）要满足下列条件：,（2-26）,即,直流电桥,若第一臂用应变片代替，应变片由应变引起的电阻变化为,，使式（2-26）的关系被破坏，检流计中有电流流过，此时,使它变为,，则有,可调节其余臂的电阻，使重

15、新满足式（2-26）的关系。,若调节,（2-27）,（2-28）,由,和式（2-28）得,若,和,为定值时，可用,表示,的大小，一般将,和,称为比例臂，改变它们的比值，可以改变,的测,称为调节臂，用它来改变被测应变值。,平衡电桥和一般电桥的不同点是在测量前和测量时需要作两次平衡。静态应变仪的电桥多采用这种原理制成。若应变为动态量，则电阻变化较快，平衡电桥已经来不及了，此时只能采取偏转法，即不平衡电桥法。,量范围，而,实际上电桥后面连接的放大器的输入阻抗都很高，比电桥的输出电阻大得多，此时必须要求电桥具有较高的电压灵敏度，当有小的 变化时，能产生较大的 值。,2.不平衡电桥的工作原理,不平衡电桥

16、是利用电桥输出电流或电压与电桥各参数间的关系进行工作的，此时在桥的输出端接入检流计或放大器。在输出电流时，为了使电桥有最大的电流灵敏度，希望电桥的输出电阻尽量和指示器内阻相等。,图2-10为由交流电压u供电的交流电桥电路，第一臂是应变片，其他三臂为固定电阻。应变片未承受应变时阻值为，电桥处于平衡状态，电桥输出电压为零。当承受应变时，产生 的变化，电桥变为不平衡，输出电压为。由图2-10可知：,图2-10 交流电桥,假设n=R2/R1，并考虑电桥初始平衡条件R2/R1=R4/R3,以及略去分母中的微小变化，则式（2-29）,（2-29）,可以写为,(2-30),电桥的电压灵敏度为,(2-31),

17、研究式（2-31）可以发现：,1）电桥的电压灵敏度正比于电桥的供电电压，电桥的供电电压愈高，电压灵敏度愈高。,2）电桥的电压灵敏度是桥臂电阻比值n的函数，即和电桥各臂的初始比值有关。,当n=1时电压灵敏度最大。,此时R1=R2,R3=R4,对于这类对称，式（2-29）、式（2-30）和式（2-31）可以分别简化为,(2-32),(2-33),（2-34）,在以上研究电桥工作状态时，都是假定应变片的参数变化很小，所以在分析电桥输出电流或电压与各参数关系时，都忽略了分母中的，最后得到的刻度特性 都是线性关系。但是若应变片所承受的应变太大，使它的阻值变化和本身的初始电阻可以比拟时，分母中的 就不能忽

18、略，此时得到的刻度特性 是非线性的。实际的非线性特性曲线与理想的线性特性曲线的偏差称为绝对非线性误差。下面我们以R1=R2、R3=R4 对称情况为例求非线性误差 的大小。,3.电桥电路的非线性误差及其补偿,设理想情况下,，则,(2-35),所以对半导体应变片的测量电路要做特殊处理，以减小非线性误差。一般消除非线性误差的方法有以下几种：,（1）采用差动电桥,正如前面所述，根据被测量零件的受力情况，两应变片一个受拉，一个受压，应变符号相反，工作时将两个应变片接入电桥的相邻臂内，如图2-11a所示，称为半桥差动电路，在传感器中经常使用这种接法。有时工作应变片也可能是四个，两个受拉，两个受压，接入桥路

19、时，将两个变形符号相同的应变片接在相对臂内，符号不同的接在相邻臂内，如图2-11b所示，称为全桥差动电路。,图2-11 差动电桥电路a）半桥差动电路 b）全桥差动电路,半桥差动电路的输出电压为,（2-36）,若电桥初始时是平衡的，即R1/R2=R3/R4 成立，在对称情况下，R1=R2、R3=R4、dR1=dR2，则式（2-36）可简化为,（2-37）,比较式（2-37）和式（2-33）可知，半桥差动电路不仅没有非线性误差，而且电压灵敏度（）也比单一工作应变片工作时提高了一倍，同时还能起温度补偿作用。,同理，全桥差动电路的输出电压为,（2-38）,全桥差动电路的电压灵敏度比单一工作应变片的电压

20、灵敏度提高了3倍，全桥差动电路也得到广泛的应用。,产生非线性的原因之一是在工作过程中通过桥臂的电流不恒定，所以有时用恒流电源供电，如图2-12所示。一般半导体应变电桥都采用恒流源供电，供电电流为I，通过各臂的电流为,（2）采用高内阻的恒流源电桥,和,图2-12 恒流源电桥,若电桥初始处于平衡状态，即 R1R4=R2R3，而且 R1=R2=R3=R4=R，当第一臂电阻R1 变为R1+dR1时，电桥的输出电压为,(2-40),由式（2-40）可知，分母中的,被4R除，与恒压源电路,相比，它的非线性误差减小了一倍。,2.7 电阻应变仪,1.电桥,应变仪中多采用单臂电桥，通常采用较高频率(400200

21、0Hz)的正弦波(称为载波)作为供桥电源，以便用一窄频带的交流放大器对已调幅波进行放大。,2.放大器,放大器的作用是将电桥输出的微弱信号(电压)进行放大，以便得到足够的功率去推动指示仪表或记录器。,3.振荡器,振荡器的作用在于产生一个频率、振幅稳定，且波形良好的正弦交流电压，可作为电桥的电源和相敏检波器的参考电压。振荡器的频率(即载波频率)一般要求不低于被测信号频率的610倍，如YJD1型应变仪可测频率为20200Hz，振荡器频率为2000Hz。在多通道的应变仪中，振荡器是通过缓冲放大器和功率放大器将振荡信号供给各通道的电桥和相敏检波器的，以减少相互影响，提高振荡器的稳定性，满足仪器所需功率的

22、要求。,4.相敏检波器,经放大以后的波形仍为调幅波，必须用检波器将它还原(称为解调)为被检测应变信号的波形。而一般检波器只有单向的电压(或电流)输出，不能区别拉、压应变信号，所以应变仪中采用了克服上述缺点的相敏检波器，它可以有双向信号输出，反映应变的拉和压。,5.滤波器,由相敏检波器输出的被检测应变波形中仍残留有载波信号，必须滤掉，才能得到被检测应变信号的正确波形。一般用电感、电容组成型和型低通滤波器。对滤波器的特性要求，既要考虑到和前级相敏检波器的匹配(它作为相敏检波器的负载部分)，又要考虑到和后级记录器(如光线示波器的振子内阻)的匹配。由于它要滤去高频波中频率最高分量，也就是载波频率，而一

23、般被检测应变信号频率f比小得多，所以滤波器的截止频率只要做到(0.30.4)，即可满足频率特性的要求。这时可以顺利地滤掉载波成分，而让应变信号成分畅通。,6.指示仪表或记录器,静态应变仪中的指示仪表系直流微安(或毫安)表，一般仅用作调零，也有的兼做读数(如YJB1型)。动态应变仪是用以测量具有一定频率的交流信号的，不宜采用指针式仪表，因此把信号输入记录器中进行显示和记录。,7.电源,电源是保证应变仪中放大器、振荡器等单元电路正常工作所需要的能量供给器，如集成电子电路，晶体管的低压直流工作电源等均由它供给，要求输出的电压稳定、纹波小。一般由整流器、滤波器和电子稳压器等部分组成。,前几节讲述了应变

24、片的工作原理和结构，了解到应变片能将应变直接转换成电阻的变化。在测量构件时，直接将应变片粘贴在构件上即可。若要测量其他物理量（力、压力、加速度等），就需要先将这些物理量转换成应变，然后再用应变片进行测量，比直接测量时多了一个转换过程，完成这种转换的元件通常称为弹性元件。由弹性元件和应变片，以及一些附件（补偿元件、保护罩等）组成的装置称为应变式传感器。,2.8电阻应变式传感器及应用,2.7.1 电阻应变式力传感器,图2-15应变片的粘贴和桥路的连接a)圆柱面展开图b)桥路连接图,根据分析我们得知，在选用应变式力传感器时，注意：（1）根据测力现场需要选择弹性元件；（2）根据所选的弹性元件正确地布片

25、，尽量使应变片保持与拉压力平行或垂直，致使应变片承受拉力或压力。若图2-15所示：图（a）中，应变片R1承受拉力而产生拉应变、应变片R2承受压力而产生压应变；图（b）中应变片R1承受压力而产生压应变、应变片R2承受拉力而产生拉应变；,（3）应变片应布置在弹性元件产生应变最大的位置，并沿主应力方向贴片；贴片处的应变尽量与外载荷呈线性关系（避开非线性区），同时应注意使该处不受非待测载荷的干扰影响。（4）根据电桥的和差特性，选择适当的接桥方式，可以使输出的灵敏度最大，同时又能排除非待测载荷的影响并进行温度补偿。,左图中薄壁圆环的厚度为h，外半径为R，宽度为b，应变为R1、R4贴在外表面，R3、R2贴

26、在内表面，贴片处应变量为,其线性误差可达0.2%，滞后误差可达0.1%，但上下力受力点必须是线接触的,例：一台等强度梁作为弹性元件的电子秤，在梁的上下面各贴两片相同的电阻应变片（K=2）如图所示。已知：L=100mm、b=11mm、t=3mm，E=。现将四个应变片接入图2所示直流电桥中，电桥电源电压U=6V。当力F=0.5kg时，求电桥输出电压U。解：由3.1章可知，当施加F后，梁上表面R1R3将产生正应变电阻变化，而下表面R2R4将产生负应变电阻变化，其应变绝对值相等，即：电阻相对变化量为：,应用实例：冲床监测与次数,课后习题2.1、2.2、2.4金属电阻应变片与半导体应变片在工作原理上有何区别？各有何优缺点？应如何针对具体情况选用？金属电阻应变片的灵敏度系数与金属丝的灵敏度系数有何不同？为什么？电阻应变片产生温度误差的原因有哪些？怎样消除误差？见下页,作业,4.图为一直流应变电桥，E=4V，R1=R2=R3=R4=350，求：R1为应变片，其余为外接电阻，R1增量为 R1=3.5时输出U0=?R1、R2是应变片，感受应变极性大小相同，其余为电阻，电压输出U0=?R1、R2感受应变极性相反,输出U0=?R1、R2、R3、R4都是应变片，对臂同性，邻臂异性，电压输出U0=?,作业,Thank You!,