第2章电阻式.ppt
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1、第2章 电阻式传感器,核心器件:线绕电位器、电阻应变片等。 主要应用:力学参数的测量(位移、压力、荷重、加速度等)。,2.1 电位器式电阻传感器,一、线绕式电位器传感器 1.线绕式电位器的结构和工作原理, 空载特性,等截面线绕式电位器, 有载特性,结论:K L不能太小!,2.线绕式电位器的阶梯特性及其分辨率, 阶梯特性及产生原因,图 13 阶梯特性,阶梯特性是由滑动触点(电刷)在移动过程中, 从一匝滑到另一匝时电阻值产生突变所引起的。其阶梯值U为:,N 绕线总匝数, 分辨率及阶梯误差 分辨率:,阶梯误差:,在理想情况下,工作曲线均匀穿过实际曲线的阶梯,此时的阶梯误差为:,金属应变片式传感器 金
2、属丝式应变片 金属箔式应变片 测量电路 应变式传感器应用,2.2 应变式电阻传感器,优点: 精度高,测量范围广 频率响应特性较好 结构简单,尺寸小,重量轻 可在高(低)温、高速、高压、强烈振动、强磁场及核辐射和化学腐蚀等恶劣条件下正常工作 易于实现小型化、固态化 价格低廉,品种多样,便于选择,一、 金属应变片式传感器 金属应变片式传感器的核心元件是金属应变片,它可将试件上的应变变化转换成电阻变化。,缺点:具有非线性,输出信号微弱,抗干扰能力较差,因此信号线需要采取屏蔽措施;只能测量一点或应变栅范围内的平均应变,不能显示应力场中应力梯度的变化等;不能用于过高温度场合下的测量。,(一) 金属丝式应
3、变片 1、应变效应 当金属丝在外力作用下发生机械变形时,其电阻值将发生变化,这种现象称为金属的电阻应变效应。 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,将微分dR、d改写成增量R、,则,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。比例系数KS称为金属丝的应变灵敏系数。,物理意义:单位应变引起
4、的电阻相对变化。 KS由两部分组成: 前一部分是(1+2),由材料的几何尺寸变化引起,一般金属0.3,因此(1+2)1.6; 后一部分为 ,电阻率随应变而引起的(称“压阻效应”)。 对金属材料,以前者为主,则KS 1+2; 对半导体, KS值主要由电阻率相对变化所决定。 实验表明,在金属丝拉伸比例极限内,电阻相对变化与轴向应变成正比。通常KS在1.83.6范围内。,2,3,4,1,电阻应变片结构示意图,b,l,2、应变片的结构与材料 由敏感栅1、基底2、盖片3、引线4和粘结剂等组成。这些部分所选用的材料将直接影响应变片的性能。因此,应根据使用条件和要求合理地加以选择。,(1) 敏感栅 由金属细
5、丝绕成栅形。电阻应变片的电阻值为60、120、200等多种规格,以120最为常用。应变片栅长大小关系到所测应变的准确度,应变片测得的应变大小是应变片栅长和栅宽所在面积内的平均轴向应变量。,栅长,栅宽,对敏感栅的材料的要求: 应变灵敏系数大,并在所测应变范围内保持为常数; 电阻率高而稳定,以便于制造小栅长的应变片; 电阻温度系数要小; 抗氧化能力高,耐腐蚀性能强; 在工作温度范围内能保持足够的抗拉强度; 加工性能良好,易于拉制成丝或轧压成箔材; 易于焊接,对引线材料的热电势小。 对应变片要求必须根据实际使用情况,合理选择。,(2) 基底和盖片 基底用于保持敏感栅、引线的几何形状和相对位置,盖片既
6、保持敏感栅和引线的形状和相对位置,还可保护敏感栅。基底的全长称为基底长,其宽度称为基底宽。,(3) 引线 是从应变片的敏感栅中引出的细金属线。对引线材料的性能要求:电阻率低、电阻温度系数小、抗氧化性能好、易于焊接。大多数敏感栅材料都可制作引线。,(4) 粘结剂 用于将敏感栅固定于基底上,并将盖片与基底粘贴在一起。使用金属应变片时,也需用粘结剂将应变片基底粘贴在构件表面某个方向和位置上。以便将构件受力后的表面应变传递给应变计的基底和敏感栅。 常用的粘结剂分为有机和无机两大类。有机粘结剂用于低温、常温和中温。常用的有聚丙烯酸酯、酚醛树脂、有机硅树脂,聚酰亚胺等。无机粘结剂用于高温,常用的有磷酸盐、
7、硅酸、硼酸盐等。,3、主要特性 (1) 灵敏度系数 金属应变丝的电阻相对变化与它所感受的应变之间具有线性关系,用灵敏度系数KS表示。当金属丝做成应变片后,其电阻应变特性,与金属单丝情况不同。因此,须用实验方法对应变片的电阻应变特性重新测定。实验表明,金属应变片的电阻相对变化与应变在很宽的范围内均为线性关系。即 K为金属应变片的灵敏系数。注意,K是在试件受一维应力作用,应变片的轴向与主应力方向一致,且试件材料的泊松比为0.285的钢材时测得的。测量结果表明,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。,丝绕式应变片敏感栅半圆弧形部分,b,O
8、,l,r,r,dl,d,0,(2) 横向效应 金属应变片由于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,其横向应变r也将使敏感栅半圆弧部分的电阻发生变化(除了起作用外),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 。,若敏感栅有n根纵栅,每根长为l,半径为r,在轴向应变作用下,全部纵栅的变形视为L1 半圆弧横栅同时受到和r的作用,在任一微小段长度d l = r d上的应变可由材料力学公式求得 每个圆弧形横栅的变形量l为 纵栅为n根的应变片共有n-1个半圆弧横
9、栅,全部横栅的变形量为,L1= n l,应变片敏感栅的总变形为 敏感栅栅丝的总长为L,敏感栅的灵敏系数为KS,则电阻相对变化为 令 则 可见,敏感栅电阻的相对变化分别是和r作用的结果。,当r=0时,可得轴向灵敏度系数 同样,当=0时,可得横向灵敏度系数 横向灵敏系数与轴向灵敏系数之比值,称为横向效应系数H。即 由上式可见,r愈小,l愈大,则H愈小。即敏感栅越窄、基长越长的应变片,其横向效应引起的误差越小。,(3) 机械滞后 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。 产生原因:应变片在承受机械应变后,其内部会产生残余变形,使敏感栅电阻发生少量不可逆变化;在
10、制造或粘贴应变片时,如果敏感栅受到不适当的变形或者粘结剂固化不充分。,机械滞后值还与应变片所承受的应变量有关,加载时的机械应变愈大,卸载时的滞后也愈大。所以,通常在实验之前应将试件预先加、卸载若干次,以减少因机械滞后所产生的实验误差。,(4) 零点漂移和蠕变 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。 产生原因: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。 如果在一定温度下,使应变片承受恒定的机械应变,其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。产生原因:由于胶层之间发生“滑动”
11、,使力传到敏感栅的应变量逐渐减少。 这是两项衡量应变片特性对时间稳定性的指标,在长时间测量中其意义更为突出。实际上,蠕变中包含零漂,它是一个特例。,(5)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。在图中,真实应变是由于工作温度变化或承受机械载荷,在被测试件内产生应力(包括机械应力和热应力)时所引起的表面应变。,主要因素:粘结剂和基底材料传递变形的性能及应变片的安装质量。制造与安装应变片时,应选用抗剪强度较高的粘结剂和基底材料。基底和粘结剂的厚度不宜过大,并应经过适当的固化处理,才能获得较高的应变极限。,(6) 动态特性
12、 当被测应变值随时间变化的频率很高时,需考虑应变片的动态特性。因应变片基底和粘贴胶层很薄,构件的应变波传到应变片的时间很短(估计约0.2s),故只需考虑应变沿应变片轴向传播时的动态响应。 设一频率为 f 的正弦应变波在构件中以速度 v 沿应变片栅长方向传播,在某一瞬时 t,应变量沿构件分布如图所示。,应变片对应变波的动态响应,0,应变片,1,l,x1,x,设应变波波长为,则有= v /f。应变片栅长为L,瞬时t时应变波沿构件分布为 应变片中点的应变为 xt为t瞬时应变片中点的坐标。应变片测得的应变为栅长 l 范围内的平均应变m,其数值等于 l 范围内应变波曲线下的面积除以 l,即,平均应变m与
13、中点应变t相对误差为,由上式可见,相对误差的大小只决定于 的比值,表中给出了为1/10和1/20时的数值。,由表可知,应变片栅长与正弦应变波的波长之比愈小,相对误差愈小。当选中的应变片栅长为应变波长的(1/101/20)时,将小于2%。 因为 式中 应变波在试件中的传播速度; f应变片的可测频率。 取 ,则 若已知应变波在某材料内传播速度,由上式可计算出栅长为L的应变片粘贴在某种材料上的可测动态应变最高频率。,4、 温度误差及其补偿 (1) 温度误差 用作测量应变的金属应变片,希望其阻值仅随应变变化,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。由于环境温度
14、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,从而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: 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 e试件材料线膨胀系数;g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。,温度变化形成的总电阻相对变化: 相应的虚假应变
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