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1、第二章 电阻式传感器,2.1应变式传感器,2.2压阻式传感器,应变式传感器是利用电阻应变效应做成的传感器。核心元件是电阻应变计（应变片、应变计），它将试件上的应变变化转换成电阻变化。,2.1 金属应变片式传感器,2.1.1 工作原理2.1.2 金属应变片的主要特性2.1.3 温度特性（误差及其补偿）2.1.4 测量电路 应变式传感器应用,2.1.1 工作原理,1 电阻应变效应,电阻应变效应：当金属丝（或半导体）在外力作用下发生机械变形时其电阻值发生变化的现象。当受轴向应力作用时有：,F l、A、R,设有一根长度为l、截面积为S、电阻率为的金属丝，其电阻R为 两边取对数，得等式两边取微分，得 电
2、阻的相对变化；电阻率的相对变化；金属丝长度相对变化，用表示，=称为金属丝长度方向上的应变或轴向应变；截面积的相对变化。,dr/r为金属丝半径的相对变化，即径向应变为r。,S=r 2,dS/S=2dr/r,r=,由材料力学知,对于金属材料，电阻率的变化满足以下关系。(C是金属材料的某个常数。),可将微分dR、d改写成增量R、,比例系数KS称为金属丝的应变灵敏系数。实验也证明：金属丝电阻的相对变化与金属丝的伸长或缩短之间存在比例关系。,电阻的灵敏系数,为导体的纵向应变，其数值一般很小，常以微应变度量为电阻丝材料的泊松比，一般金属=0.30.5；为压阻系数，与材质有关；为应力值；E为材料的弹性模量；
3、,金属电阻的灵敏系数,材料的几何尺寸变化引起的材料的电阻率随应变引起的（压阻效应）,金属材料：k0以前者为主，则k01+2=1.73.6半 导 体：k0值主要是由电阻率相对变化所决定,2.应变片的基本结构与种类,位移、力、力矩、加速度、压力,弹性敏感元件,应变,外力作用被测对象表面产生微小机械变形应变片敏感栅随同变形电阻值发生相应变化,应变片,应变片的类型和材料,金属丝式 金属箔式 金属薄膜式,回线式短接式,金属丝式应变片,金属电阻丝应变片的基本结构 1-基片；2-电阻丝；3-覆盖层；4-引出线,金属箔式应变片,金属箔式应变片 箔式应变片的工作原理基本和电阻丝式应变片相同。它的电阻敏感元件不是
4、金属丝栅，而是通过光刻、腐蚀等工序制成的薄金属箔栅，故称箔式电阻应变片，如图。,优点：,（1）尺寸准确，线条均匀，适应不同的测量要求，（2）可制成多种复杂形状尺寸准确的敏感栅（3）与被测试件接触面积大，粘结性能好。散热条件好，允许电流大，灵敏度提高。（4）横向效应可以忽略。（5）蠕变、机械滞后小，疲劳寿命长。缺点：电阻值的分散性大 阻值调整,金属薄膜应变片,采用真空蒸发或真空沉积等方法在薄的绝缘基片上形成厚度在0.1m以下的金属电阻材料薄膜敏感栅，再加上保护层，易实现工业化批量生产 优点：应变灵敏系数大，允许电流密度大，工作范围广，易实现工业化生产问题：难控制电阻与温度和时间的变化关系,金属应
5、变计,2.1.2 金属应变片的主要特性,（一）灵敏系数（二）横向效应（三）动态特性,应变片的电阻值 R,应变片在未经安装也不受外力情况下，于室温下测得的电阻值 电阻系列：60、120、200、350、500、1000 可以加大应变片承受电压，电阻值大 输出信号大，敏感栅尺寸也增大,1 灵敏度系数 当金属丝做成应变片后，其电阻相对变化与应变在很宽的范围内均为线性关系。即K为金属应变片的“标称灵敏系数”。应变片的灵敏系数K恒小于线材的灵敏系数KS。原因：胶层传递变形失真，横向效应也是一个不可忽视的因素。,2.横向效应,试件与其上的应变片受单向应力时，其表面处于平面应变状态。对于由多条直线和圆弧部分
6、组成敏感栅：直线段：沿轴向拉应变x，电阻圆弧段：沿横向压应变y等，电阻,l,y,x,b,O,l,r,r,dl,d,0,横向效应：金属应变片测量应变时，构件的轴向应变使敏感栅电阻发生变化，其横向应变r也将使敏感栅半圆弧部分的电阻发生变化，应变片的这种既受轴向应变影响，又受横向应变影响而引起电阻变化的现象称为横向效应。,图为 应变片敏感栅半圆弧部分的形状。沿轴向应变为，沿横向应变为r。,丝绕式应变片敏感栅半圆弧形部分,3.动态特性,若已知应变波在某材料内传播速度，栅长l，确定相对误差的应变片粘贴在某种材料上的可测动态应变最高频率。,问题,1、传感器的静态特性如：迟滞 漂移 测量范围（应变极限）与其
7、结构有关吗？如何克服？2、应变片对于应变的输入是几阶系统？,应变式传感器的特点,精度高,测量范围广频率响应较好结构简单,尺寸小,质量轻使用环境广易于小型化、（固态化）价格低,2.1.3 温度特性（误差及其补偿）1 温度误差 应变片的电阻丝(敏感栅)具有一定温度系数；电阻丝材料与测试材料的线膨胀系数不同。,设环境引起的构件温度变化为t（）时，粘贴在试件表面的应变片敏感栅材料的电阻温度系数为t，则应变片产生的电阻相对变化为,由于敏感栅材料和被测构件材料两者线膨胀系数不同，当t 存在时，引起应变片的附加应变，其值为 g试件材料线膨胀系数；s敏感栅材料线膨胀系数。,相应的电阻相对变化为K应变片灵敏系数
8、。,温度变化形成的总电阻相对变化：相应的虚假应变为上式为应变片粘贴在试件表面上，当试件不受外力作用，在温度变化t 时，应变片的温度效应（或热输出）。,温度补偿,单丝自补偿法 自补偿法 组合式自补偿法 线路补偿法电桥补偿法、热敏电阻,温度补偿,温度补偿（自补偿法和线路补偿法）单丝自补偿应变片若要应变片在温度变化t时的热输出值为零，必须使即选择应变片时，若使其电阻温度系数 和线膨胀系数 与 满足上式的条件，即可实现温度自补偿。具有这种敏感栅的应变片称为单丝自补偿应变片。,双丝组合式自补偿应变片 是由两种不同电阻温度系数（一种为正值，一种为负值）的材料串联组成敏感栅，以达到一定的温度范围内在一定材料
9、的试件上实现温度补偿的，如图。,(Ra)t=(Rb)t,这种应变片的自补偿条件要求粘贴在某种试件上的两段敏感栅，随温度变化而产生的电阻增量大小相等，符号相反，即,电路补偿法 如图，电桥输出电压与桥臂参数的关系为 式中A由桥臂电阻和电源电压决定的常数。,USC,R2,R4,R1,R3,E,桥路补偿法,由上式可知，当R3、R4为常数时，Rl和R2对输出电压的作用方向相反。利用这个基本特性可实现对温度的补偿。,测量应变时，使用两个应变片，一片贴在被测试件的表面，图中R1称为工作应变片。另一片贴在与被测试件材料相同的补偿块上，图中R2，称为补偿应变片。,当被测试件不承受应变时，R1和R2处于同一温度场
10、，调整电桥参数，可使电桥输出电压为零，即上式中可以选择R1=R2=R及R3=R4=R。当温度升高或降低时，若R1t=R2t，即两个应变片的热输出相等，由上式可知电桥的输出电压为零，即,若此时有应变作用，只会引起电阻R1发生变化，R2不承受应变。故由前式可得输出电压为,将补偿片贴在被测试件上，既能起到温度补偿作用，又能提高输出的灵敏度，贴法如图所示。,图(a)为一个梁受弯曲应变时，应变片R1和R2的变形方向相反，上面受拉，下面受压，应变绝对值相等，符号相反，将它们接入电桥的相邻臂后，可使输出电压增加一倍。当温度变化时，应变片R1和R2的阻值变化的符号相同，大小相等，电桥不产生输出，达到了补偿的目
11、的。(b)图是受单向应力的构件。补偿原理类似。,构件受弯曲应力,构件受单向应力,电桥补偿法,U0,R1,R4,R3,U,Rb,F,F,R1,Rb,R1+R,Rb-R,U0,R1R,R4,R3,U,RbR,热敏电阻补偿,T K,Rt,URt,U=Ui-URt,K,2.1.4 电阻应变片的测量电路,（一）直流（交流）电桥（二）非线性误差及其补偿,应变片将应变的变化转换成电阻相对变化R/R，要把电阻的变化转换成合适的电压或电流的变化，才能用电测仪表进行测量。,（一）直流电桥,1、直流电桥的工作原理,IL=0时电桥平衡平衡条件:,R1R4=R2R3 R1/R2=R3/R4,2不平衡直流电桥的工作原理及
12、灵敏度,当电桥后面接放大器时,电桥输出端看成开路.电桥的输出式为：,应变片工作时，其电阻变化R,采用等臂电桥，即R1=R2=R3=R4=R。此时式(2.1.24)可写为,当Ri R(i=1,2,3,4)时，略去上式中的高阶微量，则,上式表明：,Ri R时，电桥的输出电压与应变成线性关系。若相邻两桥臂的应变极性一致，即同为拉应变或压应变时，输出电压为两者之差；若相邻两桥臂的应变极性不同，则输出电压为两者之和。若相对两桥臂应变的极性一致，输出电压为两者之和；反之则为两者之差。电桥供电电压U越高，输出电压U0越大。但是，当U大时，电阻应变片通过的电流也大，若超过电阻应变片所允许通过的最大工作电流，传
13、感器就会出现蠕变和零漂。增大电阻应变片的灵敏系数K，可提高电桥的输出电压。,1、等臂电桥 当R1=R2=R3=R4=R时，称为等臂电桥。此时电桥输出可写为,当仅桥臂AB单臂工作时，理想输出电压为,电桥分类,2、第一对称电桥若电桥桥臂两两相等，即R1=R2=R，R3=R4=R，则称它为第一对称电桥，如图，实质上它是半等臂电桥。,Ug,R2=R,R4=R,R1=R,R3=R,第一对称电桥,B,A,C,D,E,电桥分类,3、第二对称电桥 半等臂电桥的另一种形式为R1=R3=R，R2=R4=R，称为第二对称电桥。,电桥分类,问题：,那种电桥的灵敏度大？,单臂电桥，即R1桥臂变化R，理想的线性关系,实际
14、输出电压,电桥的相对非线性误差为,（二）非线性误差及其补偿,例：设K=2，要求非线性误差1%，试求允许测量的最大应变值max。,结论：如果被测应变大于10000，采用等臂电桥时的非线性误差大于1%。,减小非线性误差 采用的措施为：,（1）采用半桥差动电桥,R1+R,R3,R2-R,R4,UO,U,R1R2R3R4=R，R1R2=R,严格的线性关系电桥灵敏度比单臂时提高一倍温度补偿作用,输出电压为：,全桥差动电路,R1+R,R2-R,UO,U,R3-R,R4+R,问题,电桥电路的非线性如何减小？对于应变片何种电路最好？,2.1.5 电阻应变式传感器的应用,应变式力传感器2.1.5.2 应变式压力
15、传感器2.1.5.3 应变式加速度传感器,柱式力传感器,2.1.5.1（1）圆柱力式传感器,（a）实心圆柱；（b）空心圆筒；,圆柱式力传感器的弹性元件分为实心和空心两种。,在轴向布置一个或几个应变片，在圆周方向布置同样数目的应变片，后者取符号相反的横向应变，从而构成了差动对。,(2)梁式力传感器,等截面梁,结构简单，易加工，灵敏度高适合于测5000N以下的载荷,等截面悬臂梁,等强度悬臂梁,双端固定梁,BK-2S称重传感器,产品详细介绍采用国际流行的双梁式或剪切S梁结构，拉、压输出对称性好、测量精度高、结构紧凑，安装方便，广泛用于机电结合秤、料斗秤、包装秤等各种测力、称重系统中 供桥电压 12V
16、DC 输入阻抗 38020 输出阻抗 35010 绝缘电阻 2000M 工作温度-10+50,BK4轮辐式传感器系列,2 应变式压力传感器,t,r,r,t,膜片式压力传感器,AK-1型应变式脉动压力传感器,产品特点：采用外壳和膜片为一体的圆膜片结构 尺寸小，安装方便 频响高，精度高，性能稳定可靠 适用于各种动，静态、气、液体介质的压力测量,3.容器内液体重量（液位）传感器,上一页,返 回,下一页,液位传感器,式中 A1、A2传感器的传输系数；g 重力加速度(m/s2)；被测溶液的密度(Kg/m3)。,溶液重量,式中 Q容器内感压膜上面溶液的重量(N)；D柱形容器的截面积(m2)。,3 应变式加速度传感器 由端部固定并带有惯性质量块m的悬臂梁及贴在梁根部的应变片、基座及外壳等组成。是一种惯性式传感器。,L,应变片,质量块m,弹簧片,外壳,基座,a,应变式加速度传感器,测量时，根据所测振动体加速度的方向，把传感器固定在被测部位。当被测点的加速度沿图中箭头所示方向时，梁发生弯曲变形，应变片电阻也发生变化，产生输出信号，输出信号大小与加速度成正比。,应变式加速度传感器,在低频（1060Hz）振动测量中得到广泛的应用,但不适用于频率较高的振动和冲击。,应变式加速度传感器结构示意图1等强度梁 2质量块 3壳体 4电阻应变片,
