传感器-02应变式传感器

传感器原理及应用2013年4月22日PrinciplesandApplicationsofTransducer机械与汽车工程学院主讲：黄海鸿电邮：allenhuanghaihong@163.com地址：机械楼417室1课前回顾网上申请样片，例如：ADI，MAXIM，……2课前回顾v.s.传统汽车智能汽车3课前回顾空心轴编码器实心轴编码器激光测距传感器视觉传感器磁柱磁传感器4第二章应变式传感器电阻式传感器电阻式传感器的类别与特性电阻元件非电量电阻变化5第二章应变式传感器第一节金属应变片式传感器金属材料，应变效应第二节

压阻式传感器半导体材料，压阻效应6第二章应变式传感器用途：用于检测物体机械形变的传感器，从而测量物体所受的力。原理：应变片（应变计）的电阻体因外力作用产生变形，引起其电阻值变化。即：形变改变电阻值。词汇：Straingauge7金属应变片式传感器使用金属应变片，将被测试件上的应变变化转换成电阻值变化将应变片用粘结剂粘贴在被测试件表面上通过测量电路将应变片电阻值的变化转换成电压（或电流）信号输出金属应变片的类型金属丝式金属箔式第二章应变式传感器8应变式电阻传感器

应变式电阻传感器作为测力的主要传感器，测力范围小到肌肉纤维，大到登月火箭，精确度可到0.01—0.1%。有拉压式（柱、筒、环元件）、弯曲式、剪切式。应变式传感器特征：材料类型：金属应变片、半导体应变片

应用范围：应变力、压力、转矩、位移、加速度主要优点：使用简单、精度高、范围大、体积小第二章应变式传感器电阻应变片的发展历史1856年，W.Thomoson发现金属丝的应变效应，并用惠斯通电桥精确测量电阻的变化。1938年，E.Simmons和A.Ruge制成纸基丝绕式应变片。1953年，P.Jackson用光刻技术制成箔式应变片。1954年，C.Smith发现半导体材料的压阻效应。1957年，W.Mason研制出半导体应变片。第二章应变式传感器102.1.1金属丝式应变片金属丝电阻的相对变化与金属丝的伸缩之间存在比例关系应变效应应力：力/受力面积，例如：+F/A应变：长度变化/未加应力时原长弹性（杨氏）模量：E=应力/应变电阻值的相对变化：

ΔR/R=Ks

∙式中，Ks为金属丝的应变灵敏系数，实验证明Ks为常数。

受力导致形变，轴向应变，弹性形变，弹性元件112.1.1金属丝式应变片12几个关键公式2.1.1金属丝式应变片132.1.1金属丝式应变片结构组成敏感栅：由金属细丝绕成栅形，实现应变-电阻转换的敏感元件基底和盖片：保持敏感栅、引线的几何形状和相对位置引线：从敏感栅中引出的细金属线粘结剂：将敏感栅固定于基底上142.1.1金属丝式应变片主要特性灵敏度系数（标称灵敏系数）K，K<

Ks横向效应，圆弧过渡部分使灵敏系数K下降机械滞后零点漂移和蠕变应变极限动态特性温度误差及补偿由于丝式应变片的灵敏系数较小，多采用箔式应变片。应变计的长度要长、横栅要小。测量结果表明，应变片的灵敏系数一般小于敏感材料的灵敏度系数。一、电阻应变片的灵敏系数主要影响因素：敏感栅结构形状、成型工艺、粘结剂和基底性能，特别是横向效应。被测体应变片ＦＦ标称灵敏系数：灵敏系数值通常采用从批量生产中每批抽样，在规定条件下，通过实测来确定，应变片的灵敏系数称为标称灵敏系数。应变片的灵敏系数直接关系到应变测量的精度。2.1.1金属丝式应变片16应变片敏感栅的两端为半圆弧形的横栅，测量应变时，构件的轴向应变使敏感栅电阻发生变化，而其横向应变也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。

直线电阻丝绕成敏感栅后，虽然长度相同，但应变不同，园弧部分使灵敏系数K↓下降，这种现象称为横向效应。二、电阻应变片的横向效应2.1.1金属丝式应变片17机械滞后产生原因：（1）应变片在承受机械应变后的残余变形，使敏感栅电阻发生少量不可逆变化；（2）在制造或粘贴应变片时，敏感栅受到的不适当的变形或粘结剂固化不充分等。应变片粘贴在被测试件上，当温度恒定时，其加载特性与卸载特性不重合，即为机械滞后。三、电阻应变片的机械滞后应变片的机械滞后ΔεΔε1机械应变εR卸载加载指示应变εi还与应变片所承受的应变量有关，加载时的应变愈大，卸载时的滞后也愈大。通常在实验之前预先加、卸载若干次，以减少因机械滞后误差。2.1.1金属丝式应变片零点漂移对于粘贴好的应变片，当温度恒定时，不承受应变时，其电阻值随时间增加而变化的特性，称为应变片的零点漂移。零点漂移产生的原因：敏感栅通电后的温度效应；应变片的内应力逐渐变化；粘结剂固化不充分等。

蠕变在一定温度下应变片承受恒定的机械应变时，电阻值随时间增加而变化的特性称为蠕变。一般蠕变的方向与原应变量的方向相反。蠕变产生的原因：胶层之间发生“滑动”，使力传到敏感栅的应变量逐渐减少。四、电阻应变片的机械滞后、零漂及蠕变2.1.1金属丝式应变片19灵敏系数为常数，这种情况只能在一定的应变范围内才能保持，当试件表面的应变超过某一数值时，它们之间的比例关系不再成立。应变极限：在一定温度下，应变片的指示应变对测试值的真实应变的相对误差不超过规定范围（一般为10%）时的最大真实应变值。应变片的应变极限εj真实应变εg指示应变εi100%90%五、电阻应变片的应变极限真实应变：因工作温度变化或承受机械载荷，在被测试件内产生应力时所引起的表面应变。2.1.1金属丝式应变片201、电阻值

应变片的电阻值是指应变片没有粘贴且未受应变时，在室温下测定的电阻值，即初始电阻值。金属电阻应变片的电阻值已标准化，有一定的系列，如60Ω、120Ω、250Ω、350Ω和1000Ω，其中以120Ω最为常用。六、电阻应变片的电阻值、绝缘电阻和最大工作电流2、绝缘电阻应变片绝缘电阻是指已粘贴的应变片的引线与被测件之间的电阻值Rm。通常要求Rm在50~100MΩ以上。2.1.1金属丝式应变片21六、电阻应变片的电阻值、绝缘电阻和最大工作电流2、绝缘电阻绝缘电阻下降使测量系统的灵敏度降低。Rm取决于粘结剂及基底材料的种类及固化工艺。在常温使用条件下要采取必要的防潮措施；在中温或高温条件下要选取绝缘性好的粘结剂和基底材料。3、最大工作电流

应变片允许通过敏感栅而不影响其工作特性的最大电流Imax。工作电流大，输出信号大，灵敏度高。但工作电流过大会使应变片过热，灵敏系数产生变化，零漂及蠕变增加，甚至烧毁应变片。工作电流的选取要根据试件的导热性能及敏感栅形状和尺寸来决定。通常静态测量时取25mA左右；动态测量时可取75～100mA。测量材料散热好，可取大一些；导热性差，可取小一些。2.1.1金属丝式应变片22补偿方法：单丝自补偿应变片、双丝组合式自补偿应变片、电路补偿法

用作测量的应变片，希望阻值仅随应变变化，而不受其它因素的影响。实际上应变片的阻值受环境温度(包括被测试件的温度)影响很大。

环境温度变化引起的电阻变化与试件应变所造成的电阻变化几乎有相同的数量级，产生很大的测量误差，称为应变片的温度误差，又称热输出。因环境温度改变而引起电阻变化的两个主要因素：（1）应变片的敏感栅具有一定温度系数；（2）应变片材料与测试材料的线膨胀系数不同。设环境温度变化为Δt（℃）时，应变片敏感栅材料的电阻温度系数为αt，则应变片产生的电阻相对变化为七、电阻应变片的温度误差及补偿

1、温度误差2.1.1金属丝式应变片23测量电路–直流电桥电桥平衡条件当电桥平衡时，Uo=0，则有R1R4=R2R3或电压灵敏度？？？当E值确定后，n取何值时才能使KU最高？2.1.1金属丝式应变片24分析：思路：dKU/dn=0求KU的最大值求得n=1时，KU为最大值。即在供桥电压确定后，当R1=R2=R3=R4时，电桥电压灵敏度最高，此时有结论：当电源电压E和电阻相对变化量ΔR1/R1一定时，电桥的输出电压及其灵敏度也是定值，且与各桥臂电阻阻值大小无关。2.1.1金属丝式应变片25差动电桥2.1.1金属丝式应变片温度误差的电路补偿法测量应变时，使用两个应变片，一片贴在被测试件的表面,称为工作应变片R1

；一片贴在与被测试件材料相同的补偿块上，称为补偿应变片R2。在工作过程中，补偿块不承受应变，仅随温度发生变形。R1R2补偿块试件2.1.1金属丝式应变片27当被测试件不承受应变时，R1与R2接入电桥相邻臂上，R1和R2处于同一温度场，调整电桥参数，可使电桥输出电压为零，即R4ER2R1R3桥路补偿法U0当温度升高或降低Δt时，选择R1=R2=R及R3=R4=r，若ΔR1t=ΔR2t，即两个应变片的热输出相等，则电桥的输出电压为2.1.1金属丝式应变片电路补偿法28当被测试件受应变作用时，工作片R1感受应变，阻值变化ΔR1；而补偿片R2不承受应变，阻值不变。这时电桥输出电压为R4ER2R1R3桥路补偿法U0电桥输出电压U0，

只与应变ε有关，与温度无关。优点：简单易行，可在较大温度范围内补偿。缺点：条件不易满足；尤其在温度场梯度大的测试条件下很难处于相同温度点。2.1.1金属丝式应变片电路补偿法29根据被测试件承受应变的情况，有时也可不另加专门的补偿块，补偿片直接贴在被测试件上。这样既能起到温度补偿作用，又能提高输出的灵敏度。

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，可使输出电压增加一倍。当温度变化时，两应变片阻值变化的符号相同，大小相等，电桥不产生输出，达到了补偿的目的。R1R2F构件受弯曲应力构件受单向应力FFR1R2构件受单向应力时，工作片R2的轴线顺着应变方向，补偿片R1的轴线和应变方向垂直。2.1.1金属丝式应变片电路补偿法302.1.2金属箔式应变片电阻敏感元件通过光刻、腐蚀等工序制成的薄金属箔栅箔式应变计的参数：1．阵列宽度；2．栅阵列宽度；3．阵列长度(基底)；4．端环；5．有效栅阵列长度；6．应变计总长；7．对位标记。312.1.3应变式传感器应变式传感器组成弹性敏感元件：将被测物理量转换为弹性体的应变值应变片外壳，等根据用途进行分类测力（荷重）：柱（筒）式、梁式、轮辐式测压力：膜片式、筒式、组合式加速度传感器弹性元件的结构不同应变片多为一次性使用322.1.3应变式传感器根据使用方式分类作为敏感元件，直接用于被测试件的应变测量作为转换元件，通过弹性元件构成传感器，用以对任何能转变成弹性元件应变的其它物理量作简接测量332.1.3应变式传感器测力称重（荷重），例如：电子秤概念：被测物理量为荷重或力的应变式传感器时，统称为应变式力传感器。用途：各种电子称与材料试验机的测力元件、发动机的推力测试、水坝坝体承载状况监测等。特点：应变式力传感器要求有较高的灵敏度和稳定性，在受到侧向作用力或力的作用点少量变化时，不应对输出有明显的影响。常见种类：1、柱（筒）式力传感器2、环式力传感器3、悬臂梁式力传感器F342.1.3应变式传感器测力柱（筒）式力传感器纵向贴片：减小载荷偏心，横向贴片：温度补偿。柱筒式力传感器，应变片粘贴在弹性体外壁应力分布均匀的中间部分。应变片对称地粘贴多片，电桥接线时考虑尽量减小载荷偏心和弯矩影响。横向贴片可提高灵敏度并作温度补偿用。柱（筒）式力传感器F-ε2+ε1面积SF实心圆柱F面积S-ε1+ε2空心圆柱FR6R7R8R2R3R4R5R1圆柱面展开图u0U0R1R3R5R7R6R8R2R4桥路连接2.1.3应变式传感器362.1.3应变式传感器梁式力传感器使用差动全桥电路：改善非线性误差，提高输出灵敏度，进行温度补偿。平行双孔梁工字梁S型梁2.1.3应变式传感器梁式力传感器其他形式梁悬臂梁式力传感器电子天平的精度可达十万分之一电子天平吊钩秤2.1.3应变式传感器392.1.3应变式传感器测扭矩应变片在圆周均布，与轴线成±45°夹角，测量轴剪切力。402.1.3应变式传感器扭矩传感器的应用自动拧紧机

认帽 高速拧紧 低速拧紧412.1.3应变式传感器扭矩传感器的应用汽车电动助力转向系统（EPS）在弹性轴上粘贴应变片组成测量电桥，当弹性轴受扭矩产生微小变形后引起电桥电阻值变化，应变电桥电阻的变化转变为电信号的变化，从而实现扭矩测量。电子控制单元422.1.3应变式传感器六维腕力传感器分别由三个方向的力、力矩组成SCARA机器人ATI公司的腕力传感器F/TDAQ

432.1.3应变式传感器六维腕力传感器：放置物体和自动装配圆底端物体放置、圆轴孔装配442.1.3应变式传感器六维腕力传感器：抓持物体提供力觉临场感装有力传感器的机器人手爪452.1.3应变式传感器测流体（液体、气体）压力膜片式：在压力的作用下，膜片产生径向、切向应变筒式：筒体内壁因压力发生形变，使应变片产生应变组合式：不是采用粘贴方式，而是通过将感压元件的位移传递到贴有应变片的其他弹性元件上用途测量管道内部压力，内燃机燃气的压力，压差和喷射压力，发动机和导弹试验中的脉动压力，以及各种领域中的流体压力等测大压力462.1.3应变式传感器测流体压力膜片式压力传感器：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。输出电压与膜片两边的压力差成正比。膜片式压力传感器的圆箔式应变片膜片式压力传感器原理472.1.3应变式传感器测液位将压力敏感元件装入不锈钢壳体内，壳体端部的钢帽保护压力敏感元件感压膜片，并使流体接触到感压膜片。感压膜传压杆电阻应变敏感元件微压传感器482.1.3应变式传感器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、基座和外壳等组成，是一种惯性测量元件（InertialMeasurementUnit,IMU）。测量时，根据振动体加速度的方向，把传感器固定在被测部位。悬臂梁自由端受惯性力F=ma，质量块向相反方向运动，使梁发生弯曲变形。输出量与加速度成正比。1悬臂梁；2应变片；3质量块；4壳体；5引线；6运动方向4492.1.3应变式传感器加速度传感器的应用测量物体的倾斜角度（要求物体无运动加速度）测量物体的振动，例如：笔记本、硬盘、相机……实验过程：ADI公司双轴加速度计502.1.3应变式传感器加速度传感器数据分析某一方向的振动引起输出值明显变化，输出值不再表示倾角，如y方向测量适合测低频振动频率范围在10~60Hz无振动时，加速度计可以较精确测量倾斜角度，如x方向倾角512.2压阻式传感器压阻效应半导体材料在受到应力作用后，其电阻率发生明显变化在外力作用下，原子点阵排列发生变化，导致载流子迁移率及浓度发生变化压阻式传感器由单晶半导体经切型、切条、光刻腐蚀成形，然后粘贴在薄的绝缘基片，最后再加上保护层常用半