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1、第2章 电阻式传感器原理与应用,2.1 应变式传感器,2.2 压阻式传感器,2.1 应变式传感器,金属电阻应变片的工作原理,1.金属的应变效应,金属丝在外力作用下发生机械变形时其阻值将发生变化的现象,金属丝的电阻值,电阻的相对变化量,灵敏系数：单位应变引起的电阻值相对变化,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,在电阻丝拉伸极限内，电阻的相对变化与应变成正比，k0为常数,2.应变片的结构与种类,种类：丝式、箔式、薄膜应变片,1-基片；2-电阻丝；3-覆盖层；4-引出线,丝
2、式应变片结构：,金属电阻应变片，材料电阻率随应变产生的变化很小，可忽略,对同一电阻材料，k0=1+2是常数。k0多在1.73.6之间,箔式应变片：在绝缘基底上，将厚度为0.0010.01mm电阻箔材，利用照相制板或光刻腐蚀方法，制成各种需要的形状,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,金属薄膜应变片,采用真空蒸渡、沉积或溅射等方法在薄的绝缘基片上形成厚度 在0.1m以下的金属
3、电阻材料薄膜敏感栅，再加上保护层,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,缺点：难控制电阻与温度和时间的变化关系,电阻应变片的特性,性能参数：电阻值、灵敏度、允许电流、应变极限,应变片的电阻值：60、120、200、350、600、1000,电阻值大：可加大应变片承受电压，输出信号大，敏感栅尺寸也增大,1.灵敏系数,标称灵敏系数：受轴向单向力(拉或压)，试件材料为泊松系数=0.285的钢等。一批产品中只能抽样5的产品来测 定，取平均值及允许公差值。,电阻应变片的灵敏系数k 电阻丝的灵敏系数k0,原因：粘结层传递变形失真、存在有横向效应,2.横向效应,敏感栅是由多条直
4、线和圆弧部分组成,直线段：沿轴向拉应变，电阻,圆弧段：沿轴向压应度，电阻,k(箔式应变片),横向效应：应变片的横栅部分将纵向丝栅部分的电阻变化抵消了 一部分，从而降低了整个电阻应变片的灵敏度,横向效应大小与敏感栅的构造及尺寸有关。敏感栅的纵栅愈窄、愈长，而横栅愈宽、愈短，则横向效应的影响愈小,3.温度误差及其补偿,原因：电阻温度系数的影响,敏感栅电阻丝阻值随温度变化引起的误差,：敏感栅材料的电阻温度系数,试件材料和电阻丝材料的线膨胀系数的影响,当环境温度变化时，因试件材料和敏感栅材料的线膨胀系数 不同，应变片将产生附加变形，产生附加电阻,(1)温度误差,若,附加拉伸变形,附加应变,附加电阻变化
5、,由于温度变化而引起的总电阻变化为,相应的虚假应变量,(2)温度补偿方法(电桥补偿、应变片补偿),电桥补偿法,不承受应变时,温度变化,若被测试件受到应变,优点：,简单、方便，在常温下补偿效果较好,缺点：,在温度变化梯度较大的条件下，很难做到工作片与补偿片处于温度完全一致的情况，影响补偿效果,应变片的自补偿法,温度自补偿应变片：温度变化时，产生的附加应变为零或相互抵消,a.选择式自补偿应变片,实现温度补偿的条件,被测试件的线膨胀系数已知，选择敏感栅材料，使下式成立,可达到温度自补偿的目的,优点：容易加工，成本低,缺点：只适用特定试件材料，温度补偿范围也较窄,b.双金属敏感栅(组合式)自补偿应变片
6、,敏感栅丝由两种不同温度系数的金属丝串接组成,选用两者具有不同符号的电阻温度系数 调整R1和R2的比例，满足,通过调节两种敏感栅的长度来控制应变片的温度自补偿,热敏电阻补偿法,T，k,RT，URT，U=Ui URT,电阻应变片的测量电路,1.电桥电路的工作原理,电桥平衡条件：,R1R4=R2R3 R1/R2=R3/R4,IL=0时电桥平衡,当电桥后面接放大器时,电桥输出端看成开路,应变片工作时，其电阻变化,采用等臂电桥，即R1=R2=R3=R4=R,若,结论：,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，输出电压为两者之差；若相邻两桥臂的应变极性不同，输出电压为两者之和。
7、,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，输出电压越大。但U增大时，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。,2.非线性误差及其补偿,单臂电桥，理想的线性关系,电桥实际输出电压,电桥的相对非线性误差为,消除非线性误差的措施：采用半桥差动或全桥差动电路,(1)采用半桥差动电路,R1R2R3R4=R，R1R2=R,输出电压,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,(2)采用全桥差动电路,电阻应变式传感器的应用,1.应变式力传感
8、器被测量为荷重或力,(1)柱式力传感器,(2)梁式力传感器,等截面悬臂梁,结构简单，易加工，灵敏度高，适合于测5000N以下的载荷,等强度悬臂梁,双端固定梁,(3)薄壁圆环式力传感器,2.应变式压力传感器,应用：液体、气体动态和静态压力的测量,(1)膜片式压力传感器,径向应变,切向应变,(2)筒式压力传感器测量较大压力,圆筒外表面上的环向应变(沿圆周线),薄壁筒,(3)组合式压力传感器测量小压力,压力敏感元件为膜片或膜盒、波纹管、弹簧管等,应变片粘贴在悬臂梁上，不直接粘贴在压力感受元件,缺点：缺点是固有频率低，不适于测量瞬态过程,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
9、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.应变式容器内液体重量(或液位)传感器,电桥输出,4.应变式加速度传感器,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,5.应变式扭矩传感器,扭矩：M=Fl,6.应变式张力传感器,2.2 压阻式传感器,半导体的压阻效应,定义：单晶半导体材料沿某一轴向受外力作用时，其电阻率会 发生变化,压阻式传感器的灵敏系数大，分辨率高。频率响应高，体积小。主要用于测量压力、加速度和载荷等参数,半导体材料对温度很敏感，因此压阻式传感器的温度误差较大，必须要有温度补偿。,压阻效
10、应,半导体电阻率,压阻系数，与材料及应力方向与晶轴方向之间的夹角有关,E为半导体材料的弹性模量，与晶向有关,材料几何形状变化引起,压阻效应的影响，随电阻率而变化,半导体材料,半导体单晶的应变灵敏系数,应变灵敏系数还与掺杂浓度有关，它随杂质的增加而减小,体型半导体电阻应变片,1.结构型式及特点,优点：灵敏系数比金属电阻应变片的灵敏系数大数十倍 横向效应和机械滞后极小,缺点：温度稳定性和线性度比金属电阻应变片差得多,2.测量电路,恒压源,恒流源,输出电压受环境温度的影响,环境温度的变化对其没有影响,扩散型压阻式压力传感器,采用N型单晶硅为传感器的弹性元件，在它上面直接蒸镀半导体电阻应变薄膜,工作原
11、理：,膜片两边存在压力差时，膜片产生变形，膜片上各点产生应力。四个电阻在应力作用下，阻值发生变化，电桥失去平衡，输出相应的电压，电压与膜片两边的压力差成正比。,四个电阻的配置位置：,按膜片上径向应力r和切向应力t的分布情况确定,优点：体积小，结构比较简单，动态响应也好，灵敏度高，能 测出十几帕的微压，长期稳定性好，滞后和蠕变小，频 率响应高，便于生产，成本低。,缺点：测量准确度受到非线性和温度的影响。,智能压阻式压力传感器利用微处理器对非线性和温度进行补偿,压阻式加速度传感器,悬臂梁直接用单晶硅制成，四个扩散电阻扩散在其根部两面,测量电桥及温度补偿,1.恒流源供电电桥,电桥输出,2.零点温度补偿,零漂：扩散电阻值随温度变化,补偿措施：串、并联电阻,串联电阻Rs起调零作用 并联电阻RP起补偿作用,3.灵敏度温度补偿,原因：压阻系数随温度变化,补偿措施：串联二极管,
