工学电阻应变式传感器.ppt

第第2章章 电阻应变式传感器电阻应变式传感器2.1 电阻应变式传感器的工作原理电阻应变式传感器的工作原理 电阻应变式传感器，就是由于某些物理量的变化引起应变，应变引起电阻变化的一种传感器。粘贴在弹性敏感元件表面的电阻应变片将随着弹性敏感元件产生应变，因此电阻应变片的电阻值也产生相应的变化。主要是由弹性敏感元件和电阻应变片组成。弹性敏感元件的材料是弹性物质，其作用是在感受被测量时将产生变形，其表面产生应变；12.2电阻应变式的工作原理电阻应变式的工作原理 2.2.1 金属的应变效应金属的应变效应 根据电阻定律，金属丝的电阻随着它所受的机械变形（拉伸或压缩）的大小而发生相应的变化，这种现象称为金属的电阻应变效应电阻应变效应。电阻应变片的工作原理就是基于金属的应变效应设计而成的。2.2.2 应变片的结构应变片的结构右图2-1 电阻丝应变片的基本结构1基底 2电阻丝 3覆盖面 4引线22.2.3 应变片的特性应变片的特性根据电阻定律，一根金属丝的电阻为 (2-1)）；R为金属丝的电阻（为金属丝的电阻率L为金属丝的长度（m）；A为金属丝的截面积（）。3 取一段金属丝如图2-2所示。当金属丝受拉而伸长dL时，其截面积将相应减小dA，电阻率则因金属晶格发生变形等因素的影响也将改变d，这些量的变化，必然引起金属丝电阻改变dR。图 2-2 金属导线受力变形情况2.2.3 应变片的特性应变片的特性42.2.3 应变片的特性应变片的特性（2-2）以R除式（2-2）的左边，得（2-3）（r为金属丝半径）（2-4）（2-5）令为金属丝的轴向应变，的径向应变。金属丝受拉时，沿轴向伸长，而沿径向缩短，二者之间的关系为 为金属丝52.2.3 应变片的特性应变片的特性为金属丝材料的泊松比。将式（2-4）、式（2-5）代入式（2-3）得（2-6）（2-7）或 令（2-8）称为金属丝的灵敏系数。表示金属丝产生单位变形时，电阻相对变化的大小。62.2.3 应变片的特性应变片的特性实验证明，在金属丝变形的弹性范围内，电阻的相对变化与应变成正比，因而为一常数。式（2-8）以增量表示为（2-9）2.2.4 应变片的测试原理应变片的测试原理 用应变片测量应变或应力时，是将应变片粘贴于对象上。在外力作用下，被测对象表面产生微小机械变形，粘贴在其表面上的应变片亦随其发生相同的变化，因此应变片的电阻也发生相应的变化。72.3 电阻应变片的种类、材料和参数电阻应变片的种类、材料和参数2.3.1 电阻应变片的种类电阻应变片的种类1.丝式应变片丝式应变片（1）回线式应变片，见图 2-3（2）短接式应变片，见图2-42.薄膜应变片薄膜应变片3.半导体应变片半导体应变片 半导体应变片的工作原理是基于半导体材料的电阻率随作用应力而变化的所谓“压阻效应”。所有材料在某种程度都呈现压阻效应，但半导体材料的这种效应特别显著，能直接反映出很小的应变。见图2-5 a）见图2-5 b）8图 2-3 回线式应变片图2-4 短接式应变片图2-5 a)薄膜应变片 b)半导体应变片92.3 电阻应变片的种类、材料和参数电阻应变片的种类、材料和参数2.3.2 电阻应变片的材料电阻应变片的材料1.敏感栅材料敏感栅材料2.应变片基底材料应变片基底材料3.引线材料引线材料102.3 电阻应变片的种类、材料和参数电阻应变片的种类、材料和参数2.3.2 电阻应变片的参数电阻应变片的参数1.应变片电阻值应变片电阻值R02.绝缘电阻绝缘电阻3.灵敏系数灵敏系数K 指未安装的应变片在不受外力的情况下，于室温条件测定的电阻值，也称原始阻值。已趋于标准化，120 欧姆最为常用。敏感栅与基底间的电阻值，一般应大于 欧姆。是指应变片安装于试件表面，在其轴线方向的单向应力作用下，应变片的阻值相对变化与试件表面上安装应变片区域的轴向应变之比。114.允许电流允许电流5.应变极限应变极限2.3 电阻应变片的种类、材料和参数电阻应变片的种类、材料和参数2.3.2 电阻应变片的参数电阻应变片的参数 是指不因电流产生热量影响测量精度，应变片允许通过的最大电流在静态测量时，允许电流一般为25mA；在动态测量时，允许电流可达75100mA。指在温度一定时，指示应变值和真实应变值的相对差值不超过一定数值时的最大真实应变数值，一般差值规定为10%，当指定应变值大于真实应变值的10%时，真实应变值称为应变片的极限应变。126.机械滞后、零漂和蠕变机械滞后、零漂和蠕变2.3 电阻应变片的种类、材料和参数电阻应变片的种类、材料和参数2.3.2 电阻应变片的参数电阻应变片的参数 应变片的机械滞后是指对粘贴的应变片，在温度一定时，增加和减少机械应变过程中同一机械应变量下指示应变值的最大差值。零点漂移（简称零漂）是指已粘贴好的应变片，在温度一定和无机械应变时，指示应变值随时间的变化。蠕变是指已粘贴好的应变片，在温度一定并承受一定的机械应变时，指示应变值随时间的变化。132.4 粘合剂和应变片的粘贴技术粘合剂和应变片的粘贴技术2.4.1 粘合剂粘合剂 电阻应变片工作时，总是被粘贴到试件上或传感器的弹性元件上。在测试被测量时，粘合剂所形成的胶层起着非常重要的作用，它应准确无误地将试件或弹性元件的应变传递到应变片的敏感栅上去。所以粘合剂和粘贴技术对于测量结果有直接影响，不能忽视它们的作用。对粘合剂有如下要求：有一定的粘结强度；能准确传递应变；蠕变小；机械滞后小；耐疲劳性能好，韧性好；长期稳定性好；具有足够的稳定性能；对弹性元件和应变片不产生化学腐蚀作用；有适当的储存期；有较大的使用温度范围。142.4 粘合剂和应变片的粘贴技术粘合剂和应变片的粘贴技术2.4.2 应变片粘贴工艺应变片粘贴工艺1.应变应变片片检测检测根据测试要求而选用的应变片，要做外观的检查和电阻值的检测，对精度要求较高的测试还应检测应变片的灵敏系数和横向灵敏度。（1）外观检查线栅或箔栅的排列是否整齐均匀，是否有造成短路、断路的部位或有锈蚀斑痕；引出线焊接是否牢固；上下基底是否有破损部位。（2）电阻值检测对经过外观检查合格的应变片，要逐个进行电阻值测量，其值要求准确到0.05152.4 粘合剂和应变片的粘贴技术粘合剂和应变片的粘贴技术2.4.2 应变片粘贴工艺应变片粘贴工艺2.修整应变片修整应变片1）对没有标出中心线标记的应变片，应在其上基底上标出中心线。2）如有需要应对应变片的长度和宽度进行修整，但修整后的应变片不可小于规定的最小长度和宽度。3）对基底较光滑的胶底应变片，可用细砂布将基底轻轻地稍许打磨，并用溶剂洗净。3.试件表面处理试件表面处理为了使应变片牢固地粘贴在试件表面上，必须使将要贴应变片的试件表面部分平整光洁，无油漆、锈斑、氧化层、油污和灰尘等。162.4 粘合剂和应变片的粘贴技术粘合剂和应变片的粘贴技术2.4.2 应变片粘贴工艺应变片粘贴工艺4.划粘贴应变片的定位线划粘贴应变片的定位线为了保证应变片粘贴位置的准确，可用画笔在试件表面划出定位线。粘贴时应使应变片的中心线与定位线对准。5.粘贴应变片粘贴应变片在处理好的粘贴位置上和应变片基底上，各涂抹一层薄薄的粘合剂，稍待一段时间（视粘合剂种类而定），然后将应变片粘贴到预定位置上。在应变片上面放一层玻璃纸或一层透明的塑料薄膜，然后用手滚压挤出多余的粘合剂，使粘合剂层的厚度尽量减薄。6.粘合剂的固化处理粘合剂的固化处理对粘贴好的应变片，依粘合剂固化处理。172.4 粘合剂和应变片的粘贴技术粘合剂和应变片的粘贴技术2.4.2 应变片粘贴工艺应变片粘贴工艺7.应变应变片粘片粘贴质贴质量的量的检查检查（1）外观检查最好用放大镜观察粘合层是否有气泡，整个应变片是否全部粘贴牢固，有无造成短路、断路等危险的部位，还要观察应变片的位置是否正确。（2）电阻值检测应变片的电阻值在粘贴前后不应有较大的变化。（3）绝缘电阻值检测应变片电阻丝与试件之间的绝缘电阻值一般应大于200M182.4 粘合剂和应变片的粘贴技术粘合剂和应变片的粘贴技术2.4.2 应变片粘贴工艺应变片粘贴工艺8.8.引出线的固有保护引出线的固有保护粘贴好的应变片引出线与测量用导线焊接在一起，为了防止应变片电阻丝和引出线被拉断，用胶布将导线固定于试件表面，但固定时要考虑使引出线有呈弯曲性的余量和引出线与试件之间的良好绝缘。9.9.应变片的防潮处理应变片的防潮处理应变片粘贴好固化以后，要进行防潮处理，以免潮湿引起绝缘电阻和粘合强度降低，影响测试精度。简单的方法是在应变片上涂一层中性凡士林，有效期为数月。最好是石蜡或蜂蜡熔化后涂在应变片表面上（厚度约为2mm），这样可长时间防潮。192.5.1 温度误差及其产生原因温度误差及其产生原因1.温度变化引起应变片敏感栅电阻变化而产生附加应变温度变化引起应变片敏感栅电阻变化而产生附加应变（2-12）(2-13)为温度为t时的电阻值;为温度为t0时的电阻值 为温度的变化值;为温度变化时的电阻变化 为敏感栅材料的电阻温度系数。20将温度变化折合为应变，则1.温度变化引起应变片敏感栅电阻变化而产生附加应变温度变化引起应变片敏感栅电阻变化而产生附加应变(2-14)K为应变片的灵敏系数 2.试件材料与敏感栅材料的线膨胀系数不同，使应变片产试件材料与敏感栅材料的线膨胀系数不同，使应变片产生附加应变生附加应变如果粘贴在试件上一段长度为 的应变丝，当温度变化 时，应变丝受热膨胀至 而应变丝下的试件伸长至，则 212.试件材料与敏感栅材料的线膨胀系数不同，使应变片产试件材料与敏感栅材料的线膨胀系数不同，使应变片产生附加应变生附加应变（2-15）(2-16)（2-17）（2-18）为温度为t0时的应变丝长度；为温度为t时的应变丝长度；为温度为t时应变丝下的试件长度；g为应变丝的线膨胀系数；m为试件的线膨胀系数；、分别为温度变化 时应变丝和试件的膨胀量。22由式（2-16）和式（2-18）可知，如果不相等，则也不等。但是应变丝和试件是粘贴在一起的，拉长至，就使应变丝产生附加变形，即2.试件材料与敏感栅材料的线膨胀系数不同，使应变片产试件材料与敏感栅材料的线膨胀系数不同，使应变片产生附加应变生附加应变若应变丝被迫从（2-19）折算为应变，则232.试件材料与敏感栅材料的线膨胀系数不同，使应变片产试件材料与敏感栅材料的线膨胀系数不同，使应变片产生附加应变生附加应变（2-20）引起的电阻变化为因此，由于温度变化而引起的总阻值变化为（2-21）（2-22）24总附加虚假应变量为2.试件材料与敏感栅材料的线膨胀系数不同，使应变片产试件材料与敏感栅材料的线膨胀系数不同，使应变片产生附加应变生附加应变（2-23）2.5.2 温度补偿方法温度补偿方法温度补偿方法，分为桥路补偿和应变片自补偿两大类。1.桥路补偿法桥路补偿法桥路补偿法也称补偿片法。应变片通常是作为平衡电桥的一个臂测量应变的，图2-6中 为工作片，为补偿片。252.5 电阻应变式传感器的温度误差及其补偿电阻应变式传感器的温度误差及其补偿2.5.2 温度补偿方法温度补偿方法工作片 粘贴在试件上需要测量应变的地方，补偿片 粘贴在一块不受力的与试件相同材料上，这块材料自由地放在试件上或其附近，如图2-6b所示。当温度发生变化时，工作片 和补偿片 的电阻都发生变化，而它们的温度变化相同，和 为同类应变片，又粘贴在相同的材料上，因此 和 分别接入电桥的相邻两桥臂，则因温度变化引起的电阻变化 和 的作用相互抵消，这样就起到了温度补偿的作用。26图2-6 桥路补偿法27值的应变片只能用在一种材料上，因2.应变片自补偿法应变片自补偿法2.5 电阻应变式传感器的温度误差及其补偿电阻应变式传感器的温度误差及其补偿粘贴在被测部位上的是一种特殊应变片，当温度变化时，产生的附加应变为零或相互抵消，这种特殊应变片称为应变片自补偿法。下面介绍两种自补偿应变片。（1）选择式自补偿应变片由式(2-23)可知，实现温度补偿的条件为则(2-24)被测试件材料确定后，就可以选择适合的应变片敏感栅材料满足式（2-24），达到温度补偿。这种方法的缺点是一种此局限性很大。28双金属敏感栅自补偿应变片也称组合式自补偿应变片。它是利用两种电阻丝材料的电阻温度系数不同（一个为正，一个为负）的特性，将二者串联绕制成敏感栅，如图2-7所示。若两段敏感栅的电阻和而产生的电阻变化和大小相等而符号相反，和的比值关系可由下（2）双金属敏感栅自补偿应变片2.5 电阻应变式传感器的温度误差及其补偿电阻应变式传感器的温度误差及其补偿，由于温度变化就可以实现温度补偿，电阻式决定：而其中29。图2-7 双金属丝栅法303.热敏电阻补偿法热敏电阻补偿法如图2-8所示，图中的热敏电阻RT处在与应变片相同的温度条件下，当应变片的灵敏度随温度升高而下降时，热敏电阻RT的阻值也下降，使电桥的输入电压随温度升高而增加，从而提高电桥的输出，补偿因应变片引起的输出下降。选择分流电阻可以得到良好的补偿。的值，图2-8 热敏电阻补偿法31 2.6电阻应变式传感器的信号调节电路电阻应变式传感器的信号调节电路2.6.1 测量电桥的工作原理测量电桥的工作原理平衡电桥多用直流供电，四臂中任一电阻可用应变片代替，因为应变片工作过程中阻值变化很小，所以可认为电源供出的电流I在工作过程中是不变的，即加在34间的电压是一个定值，如图2-9所示。假定电源为电动势源，内阻为零，则在检流计中流过的电流 和电桥各参数间的关系为1.平衡电桥的工作原理平衡电桥的工作原理（2-25）32 为检流计的内阻。应变片的阻值变化可以用 的大小来表示（偏转法），也可以用桥臂阻值的改变量来表示（零度法）。若采用零度法时，电桥的平衡条件为流过检流计的电流等于零，此时式（2-25）要满足下列条件：（2-26）即 2.6电阻应变式传感器的信号调节电路电阻应变式传感器的信号调节电路2.6.1 测量电桥的工作原理测量电桥的工作原理1.平衡电桥的工作原理平衡电桥的工作原理33图2-9 直流电桥34若第一臂用应变片代替，应变片由应变引起的电阻变化为，使式（2-26）的关系被破坏，检流计中有电流使它变为，则有 2.6电阻应变式传感器的信号调节电路电阻应变式传感器的信号调节电路2.6.1 测量电桥的工作原理测量电桥的工作原理1.平衡电桥的工作原理平衡电桥的工作原理流过，此时可调节其余臂的电阻，使重新满足式（2-26）的关系。若调节（2-27）（2-28）由和式（2-28）得35 2.6电阻应变式传感器的信号调节电路电阻应变式传感器的信号调节电路2.6.1 测量电桥的工作原理测量电桥的工作原理1.平衡电桥的工作原理平衡电桥的工作原理若和为定值时，可用表示的大小，一和称为比例臂，改变它们的比值，可以改变的测量范围，而称为调节臂，用它来改变被测般将应变值。平衡电桥和一般电桥的不同点是在测量前和测量时需要作两次平衡。静态应变仪的电桥多采用这种原理制成。若应变为动态量，则电阻变化较快，平衡电桥已经来不及了，此时只能采取偏转法，即不平衡电桥法。36实际上电桥后面连接的放大器的输入阻抗都很高，比电桥的输出电阻大得多，此时必须要求电桥具有较高的电压灵敏度，当有小的 变化时，能产生较大的 值 。2.不平衡电桥的工作原理不平衡电桥的工作原理 2.6电阻应变式传感器的信号调节电路电阻应变式传感器的信号调节电路2.6.1 测量电桥的工作原理测量电桥的工作原理不平衡电桥是利用电桥输出电流或电压与电桥各参数间的关系进行工作的，此时在桥的输出端接入检流计或放大器。在输出电流时，为了使电桥有最大的电流灵敏度，希望电桥的输出电阻尽量和指示器内阻相等。372.不平衡电桥的工作原理不平衡电桥的工作原理 2.6电阻应变式传感器的信号调节电路电阻应变式传感器的信号调节电路2.6.1 测量电桥的工作原理测量电桥的工作原理图2-10为由交流电压u供电的交流电桥电路，第一臂是应变片，其他三臂为固定电阻。应变片未承受应变时阻值为 ，电桥处于平衡状态，电桥输出电压为零。当承受应变时，产生 的变化，电桥变为不平衡，输出电压为 。由图2-10可知：图2-10 交流电桥382.不平衡电桥的工作原理不平衡电桥的工作原理 2.6电阻应变式传感器的信号调节电路电阻应变式传感器的信号调节电路2.6.1 测量电桥的工作原理测量电桥的工作原理假设n=R2/R1，并考虑电桥初始平衡条件R2/R1=R4/R3以及略去分母中的微小变化，则式（2-29）（2-29）可以写为(2-30)392.不平衡电桥的工作原理不平衡电桥的工作原理 2.6电阻应变式传感器的信号调节电路电阻应变式传感器的信号调节电路2.6.1 测量电桥的工作原理测量电桥的工作原理电桥的电压灵敏度为(2-31)研究式（2-31）可以发现：1）电桥的电压灵敏度正比于电桥的供电电压，电桥的供电电压愈高，电压灵敏度愈高。2）电桥的电压灵敏度是桥臂电阻比值n的函数，即和电桥各臂的初始比值有关。当n=1时电压灵敏度最大 此时R1=R2,R3=R4 40对于这类对称，式（2-29）、式（2-30）和式（2-31）可以分别简化为 2.不平衡电桥的工作原理不平衡电桥的工作原理 2.6电阻应变式传感器的信号调节电路电阻应变式传感器的信号调节电路2.6.1 测量电桥的工作原理测量电桥的工作原理(2-32)(2-33)（2-34）41在以上研究电桥工作状态时，都是假定应变片的参数变化很小，所以在分析电桥输出电流或电压与各参数关系时，都忽略了分母中的 ，最后得到的刻度特性 都是线性关系。但是若应变片所承受的应变太大，使它的阻值变化和本身的初始电阻可以比拟时，分母中的 就不能忽略，此时得到的刻度特性 是非线性的。实际的非线性特性曲线与理想的线性特性曲线的偏差称为绝对非线性误差。下面我们以R1=R2、R3=R4 对称情况为例求非线性误差 的大小。2.6电阻应变式传感器的信号调节电路电阻应变式传感器的信号调节电路2.6.1 测量电桥的工作原理测量电桥的工作原理3.电桥电路的非线性误差及其补偿电桥电路的非线性误差及其补偿42设理想情况下，则 2.6电阻应变式传感器的信号调节电路电阻应变式传感器的信号调节电路2.6.1 测量电桥的工作原理测量电桥的工作原理3.电桥电路的非线性误差及其补偿电桥电路的非线性误差及其补偿(2-35)所以对半导体应变片的测量电路要做特殊处理，以减小非线性误差。一般消除非线性误差的方法有以下几种：43 2.6电阻应变式传感器的信号调节电路电阻应变式传感器的信号调节电路2.6.1 测量电桥的工作原理测量电桥的工作原理3.电桥电路的非线性误差及其补偿电桥电路的非线性误差及其补偿（1）采用差动电桥正如前面所述，根据被测量零件的受力情况，两应变片一个受拉，一个受压，应变符号相反，工作时将两个应变片接入电桥的相邻臂内，如图2-11a所示，称为半桥差动电路，在传感器中经常使用这种接法。有时工作应变片也可能是四个，两个受拉，两个受压，接入桥路时，将两个变形符号相同的应变片接在相对臂内，符号不同的接在相邻臂内，如图2-11b所示，称为全桥差动电路。44 2.6电阻应变式传感器的信号调节电路电阻应变式传感器的信号调节电路2.6.1 测量电桥的工作原理测量电桥的工作原理3.电桥电路的非线性误差及其补偿电桥电路的非线性误差及其补偿（1）采用差动电桥图2-11 差动电桥电路a）半桥差动电路 b）全桥差动电路45 2.6电阻应变式传感器的信号调节电路电阻应变式传感器的信号调节电路2.6.1 测量电桥的工作原理测量电桥的工作原理3.电桥电路的非线性误差及其补偿电桥电路的非线性误差及其补偿（1）采用差动电桥半桥差动电路的输出电压为（2-36）若电桥初始时是平衡的，即R1/R2=R3/R4 成立，在对称情况下，R1=R2、R3=R4、dR1=dR2，则式（2-36）可简化为（2-37）46比较式（2-37）和式（2-33）可知，半桥差动电路不仅没有非线性误差，而且电压灵敏度（）也比单一工作应变片工作时提高了一倍，同时还能起温度补偿作用。2.6电阻应变式传感器的信号调节电路电阻应变式传感器的信号调节电路2.6.1 测量电桥的工作原理测量电桥的工作原理3.电桥电路的非线性误差及其补偿电桥电路的非线性误差及其补偿（1）采用差动电桥同理，全桥差动电路的输出电压为（2-38）全桥差动电路的电压灵敏度比单一工作应变片的电压灵敏度提高了3倍，全桥差动电路也得到广泛的应用。47产生非线性的原因之一是在工作过程中通过桥臂的电流不恒定，所以有时用恒流电源供电，如图2-12所示。一般半导体应变电桥都采用恒流源供电，供电电流为I，通过各臂的电流为（2）采用高内阻的恒流源电桥 2.6电阻应变式传感器的信号调节电路电阻应变式传感器的信号调节电路2.6.1 测量电桥的工作原理测量电桥的工作原理3.电桥电路的非线性误差及其补偿电桥电路的非线性误差及其补偿和图2-12 恒流源电桥48（2）采用高内阻的恒流源电桥 2.6电阻应变式传感器的信号调节电路电阻应变式传感器的信号调节电路2.6.1 测量电桥的工作原理测量电桥的工作原理3.电桥电路的非线性误差及其补偿电桥电路的非线性误差及其补偿若电桥初始处于平衡状态，即 R1R4=R2R3 ，而且 R1=R2=R3=R4=R，当第一臂电阻R1 变为R1+dR1时，电桥的输出电压为49（2）采用高内阻的恒流源电桥 2.6电阻应变式传感器的信号调节电路电阻应变式传感器的信号调节电路2.6.1 测量电桥的工作原理测量电桥的工作原理3.电桥电路的非线性误差及其补偿电桥电路的非线性误差及其补偿(2-40)由式（2-40）可知，分母中的被4R除，与恒压源电路相比，它的非线性误差减小了一倍。502.7 电阻应变式传感器电阻应变式传感器 前几节讲述了应变片的工作原理和结构，了解到应变片能将应变直接转换成电阻的变化。在测量构件时，直接将应变片粘贴在构件上即可。若要测量其他物理量（力、压力、加速度等），就需要先将这些物理量转换成应变，然后再用应变片进行测量，比直接测量时多了一个转换过程，完成这种转换的元件通常称为弹性元件。由弹性元件和应变片，以及一些附件（补偿元件、保护罩等）组成的装置称为应变式传感器。512.7.1 电阻应变式力传感器电阻应变式力传感器2.7.2 应变式传感器的应用应变式传感器的应用52作业作业P30:2.1;2.253