应变电阻传感器.ppt
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1、第2章 应变式传感器,2.1 工作原理 2.2 电阻应变片的温度误差及补偿 2.3 电阻应变片的测量电路 2.4 应变式传感器的应用,电阻式传感器的基本原理是将被测量的变化转换成传感元件电阻值的变化,再经过转换电路变成电信号输出。,2.1 工作原理,应变 物体在外部压力或拉力作用下发生形变的现象 弹性应变 当外力去除后,物体能够完全恢复其尺寸和形状的应变 弹性元件 具有弹性应变特性的物体,应变式传感器,是利用电阻应变片将应变转换为电阻变化的传感器 工作原理: 当被测物理量作用于弹性元件上,弹性元件在力、力矩或压力等的作用下发生变形,产生相应的应变或位移,然后传递给与之相连的应变片,引起应变片的
2、电阻值变化,通过测量电路变成电量输出。输出的电量大小反映被测量的大小。 结构:应变式传感器由弹性元件上粘贴电阻应变片构成 应用:广泛用于力、力矩、压力、加速度、重量等参数的测量,2.1.1 应变效应分析与灵敏度系数,电阻应变片的工作原理是基于应变效应 即导体或半导体材料在外界力的作用下产生机械变形时,其电阻值相应发生变化, 这种现象称为“应变效应”。 ,一根金属电阻丝,在其未受力时,原始电阻值为:,当电阻丝受到拉力F作用时, 将伸长l,横截面积相应减小A,电阻率因材料晶格发生变形等因素影响而改变了,从而引起电阻值变化量为 :,式中:dL/L长度相对变化量,用应变表示为,电阻相对变化量:,dA/
3、A圆形电阻丝的截面积相对变化量,设r为电阻丝的半径,微分后可得dA=2r dr,则 :,材料力学:在弹性范围内,金属丝受拉力时,沿轴向伸长, 沿径向缩短, 轴向应变和径向应变的关系可表示为 :,为电阻丝材料的泊松比, 负号表示应变方向相反。,推得:,定义:电阻丝的灵敏系数(物理意义):单位应变所引起的电阻相对变化量。其表达式为,灵敏度系数K受两个因素影响,一是应变片受力后材料几何尺寸的变化, 即1+2 二是应变片受力后材料的电阻率发生的变化, 即(/)/。 对金属材料:1+2( /)/ 对半导体材料:( /)/1+2 大量实验证明,在电阻丝拉伸极限内, 电阻的相对变化与应变成正比,即K为常数。
4、 ,2.1.2 电阻应变片种类,常用的电阻应变片有两种: 金属电阻应变片 半导体应变片,金属电阻应变片,用应变片测量时,将其贴在被测对象表面上。当被测对象受力变形时,应变片的敏感栅也随同变形,其电阻值发生相应变化,通过转换电路转换为电压或电流的变化,这是用来直接测量应变。 通过弹性敏感元件将位移、力、力矩、加速度、压力等物理量转换为应变,则可用应变片测量上述各量,而做成各种应变式传感器。,(二)应变片的基本结构及测量原理,(1)敏感栅 感受应变,并将应变转换为电阻的变化。敏感栅有丝式、 箔式和薄膜式三种。 (2)基底 绝缘及传递应变。测量时应变片的基底用高粘结剂粘在试件上,要求基底准确地把试件
5、应变传递给敏感栅。同时基片绝缘性能要好,否则应变片微小电信号就要漏掉。 由纸薄、胶质膜等制成。 (3)粘结剂 敏感栅与基底、基底与试件、基底与覆盖层之间的粘结。,(4)覆盖层 保护作用。防湿、蚀、尘。 (5)引线 连接电阻丝与测量电路,输出电参量。,二、应变片的类型和材料,(一)应变片的类型和材料 1.金属丝式应变片 回线式:横向效应较大 短接式:克服横向效应 金属丝式应变片材料要求见书,2.金属箔式应变片,箔式应变片是在绝缘基底上,将厚度为0.0030.01mm电阻箔材,利用照相制版或光刻技术,制成各种需要的形状。,优点: 可制成多种复杂形状尺寸准确的敏感栅;与被测件粘结面积大;散热条件好,
6、允许电流大,提高了输出灵敏度;横向效应小;蠕变和机械滞后小,寿命长。 缺点:电阻值的分散性大,3.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0.1微米以下的金属电阻材料薄膜的敏感栅,最后再加上保护层。 优点:应变灵敏系数大,允许电流密度大。 存在问题:温度稳定性差 (二)应变片的粘贴 应变片是用粘合剂粘贴到被测件上的。粘合剂形成的胶层必须准确迅速地将披测件应变传进到敏感栅上。粘合剂的性能及粘贴工艺的质量直接影响着应变片的工作特性,如零漂、蠕变、滞后、灵敏系数,线性以及它们受温度变化影响的程度。 对粘合剂和粘贴工艺有严格要求,三、金属应变片的主要特性 (一)灵敏系数,
7、灵敏系数由实验确定。,实验发现,实际应变片的K值比单丝的K值要小,造成此现象原因是横向效应。还有粘结层传递变形失真。,(二)横向效应 将直的电阻丝绕成敏感栅 之后,虽然长度相同,但 应变状态不同,其灵敏系 数降低了。这种现象称横 向效应。,1、定性分析 当将应变片粘贴在被测试件上时, 由于其敏感栅是由n条长度为l1的直线段和(n-1)个半径为r的半圆组成, 若该应变片承受轴向应力而产生纵向拉应变x时, 则各直线段的电阻将增加, 但在半圆弧段则受到从+x到-x之间变化的应变。,总的作用结果:将直的电阻丝绕成敏感栅后, 虽然长度不变, 应变状态相同, 但圆弧段横向收缩引起阻值减小量对轴向伸引起阻值
8、增加量起着抵消作用。 因而同样应变阻值变化减小,K值减小,此现象为横向效应。,2.定量分析 应变片置于二维应力场,即有 ,又有 。,横向效应在圆弧段产生,消除圆弧段即可消除横向效应。 为了减小横向效应产生的测量误差,现在一般多采用箔式应变片,其圆弧部分尺寸较栅丝尺寸大得多,电阻值较小,因而电阻变化量也就小得多。,(三)机械滞后、零漂和蠕变,加载和卸裁特性曲线之间的最大差值称为应变片的滞后值。,粘贴在试件上的应变片,在温度保持恒定没有机械应变的情况下,电阻值随时问变化的特性称为应变片的零漂。,粘贴在试件上的应变片,温度保持恒定,在承受某一恒定的机械应变,其电电阻值随时间变化而变化的特性称为应变片
9、的蠕变。一般来说,蠕变的方向与原应变量变化的方向相反。,(四)应变极限和疲劳寿命,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太大,并经适当的固化处理。,对于已安装的应变片,在恒定幅值的交变力作用下,可以连续工作而不产生疲劳损坏的循环次数称为应变片的疲劳寿命。,(五)最大工作电流和绝缘电阻,绝缘电阻是指应变片的引线与被测件之间的电阻值。,最大工作电流是指允许通过应变片而不影响其工作特性的最大电流。 工作电流大,应变片输出信号大,灵敏度高,但过大的电流会把应变片烧毁。,(六)应变片的电阻值 电阻值大可加大应变片承受电压,因此输出信号大,但敏感栅尺寸也增大。,(六)动态响应特性,电
10、阻应交片在测量频率较高的动态应变时,应考虑其动态特性。动态应变是以应变波的形式在试件中传播的,它的传播速度与声波相同。,半导体应变片,分析:当半导体应变片受轴向力作用时,半导体应变片的电阻率相对变化量与所受的应变力有关:,式中: 半导体材料的压阻系数; 半导体材料的所受应变力; E半导体材料的弹性模量; 半导体材料的应变。,/= E,因此:,实验证明, E比1+2大上百倍,所以1+2可以忽略,因而半导体应变片的灵敏系数为:,测量原理:在外力作用下,被测对象产生微小机械变形,应变片随着发生相同的变化, 同时应变片电阻值也发生相应变化。当测得应变片电阻值变化量为R时,便可得到被测对象的应变值, 根
11、据应力与应变的关系,得到应力值为 :,=E,2.2 应变片的温度误差及补偿 2.2.1 应变片的温度误差 由于测量现场环境温度的改变而给测量带来的附加误差, 称为应变片的温度误差。 产生应变片温度误差的主要因素有下述两个方面。 1) 电阻温度系数的影响 敏感栅的电阻丝阻值随温度变化的关系可用下式表示:,Rt=R0(1+0t),式中: Rt温度为t时的电阻值; R0温度为t0时的电阻值; 0温度为t0时金属丝的电阻温度系数; t温度变化值,t=t-t0。 当温度变化t时,电阻丝电阻的变化值为: R=Rt-R0=R00t,2) 试件材料和电阻丝材料的线膨胀系数的影响 当试件与电阻丝材料的线膨胀系数
12、相同时:环境温度变化不会产生附加变形。 当试件与电阻丝材料的线膨胀系数不同时:环境温度变化,电阻丝会产生附加变形,从而产生附加电阻变化。 设电阻丝和试件在温度为0时的长度均为l0, 它们的线膨胀系数分别为s和g,若两者不粘贴,则它们的长度分别为:,ls=l0(1+st) lg=l0(1+gt),当两者粘贴在一起时,电阻丝产生的附加变形l、附加应变和附加电阻变化R分别为:,由于温度变化而引起的应变片总电阻相对变化量为,结论:因环境温度变化而引起的附加电阻的相对变化量,除了与环境温度有关外,还与应变片自身的性能参数(K0, 0, s)以及被测试件线膨胀系数g有关。,2.2.2 电阻应变片的温度补偿
13、方法 电阻应变片的温度补偿方法通常有线路补偿和应变片自补偿两大类。 1) 电桥补偿法 电桥补偿是最常用且效果较好的电阻片温度误差补偿方法。,电桥补偿法,电路分析,g为由桥臂电阻和电源电压决定的常数。 由上式可知, 当R3和R4为常数时,R1和R2对电桥输出电压Uo的作用方向相反。 利用这一基本关系可实现对温度的补偿。,测量方法: 当被测试件不承受应变时: R1和R2又处于同一环境温度为t的温度场中,调整电桥参数使之达到平衡,此时有 :,工程上,一般按R1 = R2 = R3 = R4 选取桥臂电阻。,温度补偿的实现:当温度升高或降低t=t-t0时,两个应变片因温度而引起的电阻变化量相等,电桥仍
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