第二章电阻式传感器

1、第二章第二章 电阻式传感器电阻式传感器信息获取技术主讲教师：应捷主讲教师：应捷办公室：光电学院办公室：光电学院309309Email: Email: 2主要内容应变式传感器的工作原理应变式传感器的工作原理*应变片的主要特性应变片的主要特性*应变式传感器的转换电路应变式传感器的转换电路*应变式传感器的温度误差及补偿应变式传感器的温度误差及补偿*应变式传感器应变式传感器压阻式传感器压阻式传感器*3第一节 应变式传感器非电量非电量应变应变电阻应变片电阻应变片弹性元件弹性元件电阻变化电阻变化电量电量传感器传感器一一. .金属电阻应变片的工作原理金属电阻应变片的工作原理1. 1. 工作原理工作原理导体的

2、导体的 应变应变电阻电阻 效应效应金属丝伸长后几何尺寸变化Strain gage transducerStrain gage transducer4dssldlsdsldR2ssllRR llllrrslR rrss2可得：可得：llRR21金属应变片工作原理5金属丝应变灵敏系数21210llRRK材料材料几何几何尺寸尺寸变化变化材料物理材料物理特性变化特性变化00KllKRR62、应变片的基本结构与测量原理 主要结构参数：主要结构参数：bl 基宽敏感栅长度基长,)(11,bl宽基底：长规格以使用面积和电阻值来表示：规格以使用面积和电阻值来表示：120,)103(2mmElectronic r

3、esistance strain gage (Electronic resistance strain gage (计量器计量器) )7应变计金属应变片8 灵敏度高、精确度高；灵敏度高、精确度高； 尺寸小、重量轻，简单尺寸小、重量轻，简单; ; 测量范围大；测量范围大； 适应性强；适应性强； 便于多点测量便于多点测量; ; 频率响应特性好。频率响应特性好。金属应变片的优点金属应变片的优点:测量原理测量原理:Ell)/(:mm应变)(:N应力)(:PaE 材料的弹性模量测量原理9二、金属电阻应变片的类型和材料丝式应变片一般多用纸基，价格低、粘贴容易，但耐久性、耐湿性较差，横向效应大，在要求不高时

4、可用；要求：电阻系数高，电阻温度系数小，强度高，延展性好，对铜的热电势尽可能小，耐磨耐腐蚀，焊接性好。常用材料：铜镍合金类、铜锰合金类、铂铱合金类、镍铬铝合金等。(a)(b)(c)类型：金属丝式、箔式、薄膜式类型：金属丝式、箔式、薄膜式(1) (1) 丝式：金属丝丝式：金属丝 d=0.0120.05mmd=0.0120.05mm10几种箔式应变计(a)(b)(c)(d)(e)(f)(2) (2) 箔式：（厚膜）箔式：（厚膜） 膜厚膜厚 25um25um左右左右 光刻光刻箔式应变片多用胶基，可用于150以下的中温和常温测试，它绝缘性能好，参数分散性小，精度高，在应变测量中应用最广泛。11（3 3

5、）薄膜式：）薄膜式： 膜厚膜厚 0.1um 0.1um 沉积或真空蒸镀沉积或真空蒸镀 金属膜式在玻璃或胶木基体上，用高温蒸镀或电镀方法，涂覆一层金属膜而制成。 优点：温度系数小，可在高温环境下工作。 缺点：耐磨性差、功率小、阻值不高(1k2k)。12三、金属应变片的工作特性 1 1、灵敏系数：、灵敏系数：RRk/0kk 实验表明：实验表明：2 2、横向效应、横向效应直线段：轴向拉应变直线段：轴向拉应变 ，电阻值增大，电阻值增大x圆弧段：除存在轴向应变外，还存在横向负应变圆弧段：除存在轴向应变外，还存在横向负应变xy，造成电阻值减小，因而灵敏度减小。，造成电阻值减小，因而灵敏度减小。应变片的灵敏

6、系数小于电阻丝的应变片的灵敏系数小于电阻丝的灵敏系数。灵敏系数。133. 3.机械滞后机械滞后m原因：残余变形原因：残余变形4. 4.零漂和蠕变零漂和蠕变零漂：零漂：,(constT温度）当 t，指示真实而0蠕变：蠕变：,(constT温度）当 tconst，指示真实而机械滞后三、金属应变片的工作特性 145. 5.应变极限和疲劳寿命应变极限和疲劳寿命应变极限应变极限：表明应变片在不超过规定非线性误差（一般为：表明应变片在不超过规定非线性误差（一般为1010）时，所能经受的最大真实应变值。）时，所能经受的最大真实应变值。疲劳寿命疲劳寿命：在恒定幅值交变力的作用下，连续工作不产：在恒定幅值交变力

7、的作用下，连续工作不产生疲劳损坏的循环次数生疲劳损坏的循环次数N.N.应变极限应变极限三、金属应变片的工作特性 156 6、最大工作电流和绝缘电阻、最大工作电流和绝缘电阻最大工作电流：最大工作电流：允许通过应变片而不影响其工作的最大电流值。允许通过应变片而不影响其工作的最大电流值。静态测量约取静态测量约取25mA25mA绝缘电阻：应变片引线和被测试件之间的电阻值绝缘电阻：应变片引线和被测试件之间的电阻值要求：要求：MM100507 7、应变片的电阻值、应变片的电阻值应变片未经安装、不受力、室温下测得的电阻值应变片未经安装、不受力、室温下测得的电阻值目前常用的电阻系列有：目前常用的电阻系列有：6

8、060 、120120 、200200 、350350 、500500 、10001000 、15001500 等，其中以等，其中以120120 最常用。最常用。 三、金属应变片的工作特性 168. 8.动态特性动态特性sm/5000钢材 测量变化频率较高的动态应变时，测量变化频率较高的动态应变时，应变片反映敏感应变片反映敏感栅长度内的平均应变。栅长度内的平均应变。 应变波传播速度应变波传播速度V=V=声波，声波，设某瞬间应变设某瞬间应变波传播过程：波传播过程：1 1）正弦输入信号：）正弦输入信号：三、金属应变片的工作特性 17 误差曲线误差曲线1202cos2cos2xxpllpsin01s

9、in00llp已知应变波的传播速度已知应变波的传播速度v v，误，误差情况取差情况取n=20n=20，可以确定，可以确定不不同应变片的基长同应变片的基长 l l 情况下的最情况下的最高工作频率高工作频率 f=v/nlf=v/nl令 =v/f2010lnn(%)18四.转换电路( (一一) )直流电桥直流电桥平衡条件：R1 R4 =R2 R30oI则，不平衡时，求得负载电流：2143432143213241RRRRRRRRRRRRRRRRRUILo输出电压LooRIU 1. 1.一般情况一般情况19时，若LR43213241RRRRRRRRUUo当电阻引起增量时 URRRRRRRRRRRRRRR

10、RUo4433221133224411设等臂电桥4321RRRRURRRRRRRRRRRRRRRUo432132413241222. 2.当当 时时LR时当RR)(443210RRRRRRRRUU)(44321UK203. 3.单臂工作单臂工作URRRRRRRRU4332111103412RRRRnURRnnU11201UnnK21URRRRRRRU432114103412113141011RRRRRRURRRRU时当RRi-n为桥臂比电压灵敏度：时，若LR输出电压：21单臂工作的非线性误差单臂工作的非线性误差 11110001RRnRRUUUL1104RRUU4UK 112RRLn1时，K最

11、大。此时：式中U0为实际值，U0为近似值。n=1时，有：V VE ER1R1R2R2R4R4R3R3224. 4.两臂差动工作两臂差动工作433221111RRRRRRRRRUUo输出灵敏度提高一倍，并有温度补偿作用。RRUUo2等臂时，时当RR得：时，若LR23四臂差动四臂差动进一步提高输出灵敏度。RRUUo时，若LR等臂时，时当RR)(443210RRRRRRRRUU得：24五、温度误差及补偿（一）温度误差 1) 电阻温度系数tRRtt2) 线膨胀系数不同，使电阻变化tKRRsgtt：电阻温度系数g：试件膨胀系数s：敏感栅膨胀系数tKtRRsgtt251. 1. 自补偿法自补偿法(1 (1

12、）单丝）单丝)(sgtk（二）补偿方法t与退火温度的关系曲线26常用材料的膨胀系数材料材料 g g t t=-2(=-2( g g - - s s) )钢钢11111010-6 -68 81010-6 -6杜拉铝杜拉铝22221010-6 -6-14-141010-6 -6不锈钢不锈钢14141010-6 -62 21010-6 -6钛合金钛合金8 81010-6 -614141010-6 -6杜拉铝 duralumin：铝（90%以上）与铜（约4%）、少量 镁和锰的合金27(2)(2)双丝串接双丝串接tbtaRRBbtbataRRRRR(a) 材料的电阻温度系数 符号不同(b) 材料的电阻温

13、度系数 符号相同282、电路补偿法(2)直接补偿如图应变片直接粘贴在试件上下两侧(3)热敏电阻R1工作应变片，安装在被测试件上；RB补偿应变片，安装在补偿块上，与被测试件温度相同，但不承受应变。(1)采用温度补偿应变片29六. 应变式传感器（一）应变式传感器的组成应变片粘贴1.受力构件2.弹性元件弹性元件设计主要要求：灵敏度高，刚度够足，线性好，固有振动频率高（二）电阻应变式力传感器测量范围广：N721010精度高：FSFS%05. 0%03. 0线性好；工作性能稳定、可靠30 其弹性元件如图应变片粘贴处要大的曲率半径或平面，以保证粘贴质量。传感器对称布片，纵横向贴片，并用桥路连接方式作用：减

14、小横向力和弯矩的影响，并温度补偿且提高灵敏度。1.柱式力传感器额定载荷：10t50 t 31R2R3R1R4F受力图 贴片示意图柱式力传感器示例t4t1t2t3应变的大小：R1（R4)R2（R3)43214KUUio传感器所受应变与输出电压成正比关系。传感器所受应变与输出电压成正比关系。12124ii0KUKUU输出电压的大小：输出电压的大小：R1R2R3R4UoUi因为：得：电桥电路图332、梁式应变力传感器（b）等截面粱（a）等强度粱34等强度梁：梁厚为h，梁长为l，固定端宽为b0，自由端宽为b。其表面应变为： 等强度梁式应变力传感器35（三）应变式压力传感器1.膜片膜片式压力传感器径向应

15、力2223183xrhpr切向应力22231183xrhpt膜片上各点的应力与压力p的关系式：x：计算点半径r：膜片半径h：膜厚：泊松系数36 机床液压系统的压力（106107Pa），枪炮的膛内压力（108Pa），动态特性和灵敏度主要由材料的E值和尺寸决定 37（四）电阻应变式加速度传感器原理图201axm(1) (1) 质量块位移与加速度成正比线性关系；质量块位移与加速度成正比线性关系；(2)(2)固有频率固有频率 越大，传感器灵越大，传感器灵敏度愈低，适于低频测量；敏度愈低，适于低频测量；mko(3)(3)固有频率愈高，测量频率范围愈宽。固有频率愈高，测量频率范围愈宽。质量块质量块应变片应

16、变片悬臂梁悬臂梁硅油硅油阻尼液阻尼液38举例：电阻应变式称重计39举例：电阻应变式称重计40举例：电阻应变式称重计41实例：振动式地音入侵探测器实例：振动式地音入侵探测器 适合于金库、仓库、古建筑的防范，挖墙、打适合于金库、仓库、古建筑的防范，挖墙、打洞、爆破等破坏行为均可及时发现。洞、爆破等破坏行为均可及时发现。 电阻式传感器42应变式力传感器的应用-电子皮带秤43第二节 压阻式传感器EllRR21为压阻系数固体受到作用力后，电阻率发生变化，这种效应称为压阻效应。一一. . 压阻效应：压阻效应：半导体应变片灵敏系数高，机械滞后和蠕变小，频率响应好；但参数离散度大，温度影响大，线性范围小。半导体应变计多用于测量小的应变。441. 1. 晶向晶向二. 影响压阻系数的因素 根据外界应力相对晶轴的方向，分为纵向应力和横向应力，当半导体同时受到两向应力作用时： ttLLRR45表1 硅压阻系数的典型数据 46压阻系数与表面杂质的浓度的关系 2.扩散杂质的表面浓度 压阻系数随扩散杂质浓度的增加而减小，表面杂质浓度相同时，P型硅的压阻系数值比N型硅的(绝对)值高。 473. 环境温度压阻系数与温度的关系 48三.压阻式力传感器 低压腔低压腔高压腔高压腔硅膜片硅膜片引线引线硅杯硅杯ttLLRR径向应力2223183rrhpor切向应力2223