电阻应变传感器.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,第2章 电阻应变式传感器,Resistance Strain Gage,传感器原理及应用,Principle and Application of Sensors,每课一新传感器介绍,美研制,“武士,”,传感器,美国陆军正在研制一种可嵌入未来“武士”军服内的传感器系统，指挥官和医护人员可通过这个系统监测“武士”们的生理状态。该项研究将产生下一代战斗军服，内嵌有可配置的微型无线传感器群。目前的试验传感器可监测心跳、步行（行军）的代谢能量消耗、内层皮肤温度以及灵敏或迟钝情况。未来的传感器将把数据传送到一个中央集线器设备，该设备做成呼机大小，佩带在士兵皮带上，形成一个低功率的无线个人局域网。传感器的数据提供关于士兵体力消耗、生理压力和警觉程度等的信息。,电阻应变式传感器概述,工作原理：金属丝、箔、薄膜在外界应力 作用下电阻值变化的效应,电阻应变效应,结构简单，使用方便,可测力、压力、位移、应变、加速度等物理量；,弹性敏感元件,力、压力、位移,电阻应变片,电桥电路,R,U,易于实现自动化、多点及远距离测量、遥测；,灵敏度高，测量速度快，适合静态、动态测量；,应变片用于各种电子衡器,磅秤,电子天平,材料应变的测量,斜拉桥上的斜拉绳应变测试,汽车衡,称重系统,应变电阻传感测量原理,应变片,产生微小变形,电阻值变化,测得应变值,求得应力值,外力,F,传感器的组成,以测量汽车油箱中汽油液位的装置为例,工作原理及分类,电阻应变式传感器的工作原理,是将电阻应变片粘贴到各种弹性敏感元件上，使物理量的变化变成应变片的应力、应变变化，从而变成,电阻值,变化。,根据应变片的,材料,不同，可分为,三,种,电阻,丝,应变片,半导体应变片,应变片的基本结构,电阻应变片式传感器是目前用,于测量力、力矩、压力、加速度、质量等参数最广泛的传感器之一。,其基本结构与组成如左图示意。,电阻丝(敏感栅)转换元件,基底与面胶中间介质和绝缘作用,盖层,引线-连接测量导线之用,结构形式,敏感栅,敏感栅用来,感受应变并转换为电阻的变化。,金属丝电阻应变片的敏感栅由具有,高电阻,率的金属丝(康铜或镍铬合金等，直径0.0150.05mm左右)绕成,。,上式S为常数，通常很小，为了得到较大的R，就,必须增大R值,。,结构形式,金属箔式电阻应变片的敏感栅是用,栅状金属箔片代替栅状金属丝,。金属栅采用光刻技术制造，适于大批量生产。其线条均匀，尺寸准确，阻值一致性好。箔片厚约1um10um，散热好，黏结情况好，传递试件应变性能好。因此,目前使用的多系金属箔式应变片。,结构形式,基底和覆盖层,基底和覆盖层的作用是保持敏感栅的几何形状及敏感栅与被测试件之间的电绝缘，并起着防潮、防蚀、防损等作用。,引线,引线起着敏感栅与测量电路之间过渡连接和引导的作用。,粘结剂,粘结剂的作用是把覆盖层和敏感栅固结在基底上。使用时，把应变片基底再粘贴在试件表面的被测部位。,优点：,结构简单，体积小，使用方便，,性能稳定、可靠,；,灵敏度高，精确度高，测量速度快，适合静态、动态测量；,易于实现测试过程自动化和多点同步测量，以及,远距测量和遥测,；,可测多种物理量，如：位移、加速度、力、力矩、压力等。,（一）电阻应变效应,金属丝的电阻：,电阻相对变化：,金属丝的轴向应变；,金属丝的径向应变,（,dS/S=2dr/r,）,；,泊松系数；,(,Poisson ratio,),电阻相对变化,：,式中：K,金属丝的灵敏系数；,(gage factor),令：,在金属丝的弹性范围内，灵敏系数,K,S,为常数，即：,线性关系,通常很小，常用,10,-6,表示之。例如，当,为,0.000001,时，在工程中常表示为,1,10,-6,或,m/m,。在应变测量中，也常将之称为微应变,(),。,对金属材料而言，当它受力之后所产生的轴向应变最好不要大于,1,10-3,，即,1000,m/m,，否则有可能超过材料的极限强度而导致断裂。,K的大小受两个因素影响：一是1+2u，由,电阻丝尺寸,决定的；另一个是 ，,它表示为,电阻率,随应变的变化，称为,压阻效应,。,K是个常数，数值在1.62.0之间。x是一个无量纲的数，其值很小，常用微应变u来表示。一个u相当于长度为1m的试件变形1um。1um=1*10,-6,.,1.,电阻丝式应变片,(,bonded metal-wire gage,),直径在,0.012,0.05mm,的金属丝,；,2.,金属箔式应变片,(,bonded metal-foil gage,),厚度在,0.001,0.01mm,的金属箔；,箔式应变片,原理：,它是利用照相制版或光刻腐蚀法将电阻箔材在绝缘基底上制成各种图形的应变片；,优点,：,敏感栅尺寸准确，线条均匀；,其弯头横向效应可以忽略；,可通过较大的电流；,散热性好，寿命长；,生产效率高；,箔式应变片中的箔栅是金属箔通过光刻、腐蚀等工艺制成的。箔的材料多为电阻率高、热稳定性好的,铜镍合金,。箔式应变片与片基的接触面积大得多，散热条件较好，在长时间测量时的蠕变较小，一致性较好，适合于大批量生产。还可以对金属箔式应变片进行适当的热处理，使其线胀系数、电阻温度系数以及被粘贴的试件的线胀系数三者相互抵消，从而将温度影响减小到最小的程度，目前广泛用于各种应变式传感器中。,2.2.3,应变片的材料,1.,敏感栅材料,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。,常用材料有：康铜、镍铬合金、铁铬铝合金、铁镍铬合金、铂、铂钨合金等，如下表。,基底用于保持敏感栅、引线的几何形状和相对位置，盖片既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。,基底材料有纸基和胶基。胶基由环氧树脂、酚醛树脂和聚酰亚胺等制成胶膜，厚度约,0.03,0.05mm,2.,基底材料,3.,黏合剂材料,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、硅酸、硼酸盐等。,4.,引线材料,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。,2.3,应变片的主要参数,1.,应变片电阻值（,R,0,）,电阻应变片的电阻值为,60,、,120,、,350,，,500,和,1000,等多种规格，以,120,最为常用。,应变片的电阻值越大，允许的工作电压就大，传感器的输出电压也大，相应地应变片的尺寸也要增大，在条件许可的情况下，应尽量选用高阻值应变片。,2.,绝缘电阻,(,敏感栅与基底间电阻值：要求,10,10,欧姆；,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,K,S,。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。,3.,应变片的灵敏系数（,K,）,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,K,S,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,4.,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。,1,机械应变,卸载,加载,指示应变,i,应变片的机械滞后,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。,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。,5.,零漂和蠕变,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,”,，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。,6.,应变极限、疲劳寿命,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。,lim,真实应变,z,指示应变,i,10%,1,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。,疲劳寿命,指对已粘贴好的应变片，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。,7.,允许电流：静态,25mA,动态：,75,100mA,；,2,-,3,半导体,应变片,一、压阻效应,半导体应变片的工作原理是基于半导体材料的压阻效应。所谓,压阻效应,，,是指半导体材料沿某一轴向受到外力作用时，其电阻率发生变化的现象。,半导体应变片的电阻变化可由下式表示：,半导体应变片电阻率变化引起的/远大于由几何变形引起的(1+2)，其电阻变化率为：,半导体应变片的灵敏度为：,-应力；E-半导体材料的弹性模量；,-沿半导体小条纵向的应变。,二、半导体应变片的结构特点,半导体应变片分为两类：,体型,半导体应变片,体型,半导体应变片是将半导体单晶硅或者锗加工成条状，在两端焊上引线后粘贴在胶膜基地上即成。,扩散型半导体应变片,扩散型半导体应变片是在电阻率很大的单晶硅支持片上，定域扩散一层P型或N型杂质，形成极薄的导电层，焊上电极即成。,二、半导体应变片的结构特点,因为半导体应变片的两个缺点，在使用半导体应变片时，必须进行温度补偿和非线性补偿，为此研制了相应的补偿型半导体应变片：,温度自补偿式半导体应变片,灵敏系数补偿式应变片,二、半导体应变片的结构特点,半导体应变片的突出特点是灵敏度高，可测微小应变。,半导体应变片的另一个特点是体积小，结构简单，机械滞后小，耗电少。,半导体应变片的缺点：,电阻温度系数大，对环境温度的变化敏感；,测量大应变时灵敏度的非线性严重。,3-3,电阻,应变式传感器及其应用,将,应变片粘贴于被测构件上,，直接用来测定构件的应变或应力。,将应变,片粘贴于弹性元件上，与弹性元件一起构成,应变式传感器,。用来测量,力、位移、压力、加速度、扭矩等物理参数。,一、电阻应变式测力传感器,（一）电阻应变式力传感器的结构,电阻应变式力传感器按弹性元件结构形式的不同，可分为,柱式、环式、梁式,等几种。,柱式力传感器,柱式力传感器分圆筒形和圆柱形两种，其结构是在圆筒或圆柱上按一定方式贴上应变片。,实心圆柱可以承受较大的载荷，但,灵敏度较低,，为了提高灵敏度，特别是在小集中应力测量时常采用空心圆筒。,柱式力传感器主要用来测量,拉力和压力。,测量范围几千牛顿到几兆牛顿，精度可达（0.3%0.5%）。,环式力传感器,环式弹性元件的结构如图。,环式弹性元件受力后产生弯曲变形，根据弯曲情况画出弯矩图。,当弹性元件的材料和尺寸确定后，弯矩M和应变成正比，弯矩最大的地方应变最大。,由弯矩图可知，在外力作用下环上各点的应力差别很大。应变为零的点称为应变节点。,环式力传感器的结构如图。,环式力传感器,精度高，稳定性好,，可拉压两用，测量范围几百牛顿到零点几兆牛顿，精度可达0.05%。,环式力传感器使用时上下受力必须是,线接触,，如果是面接触，将产生非线性误差。,环式力传感器,静态测量：要求弹性体刚度小，反作用力小，,动态测量：固有频率高，动态响应好,测点,位移,测杆,弹簧伸长,悬臂梁弯曲,1、测点；2、悬臂梁；3、弹簧；7、应变片,测点的位移：x=x1+x2 x1-悬臂梁自由端的位移，,x2-弹簧的伸长量。,3.位移传感器,若选k2k1，能使悬臂梁的端点位移很小，而测量的位移却很大，还能保持很好的线性关系。,2-扩散电阻；3-硅梁；4-质量块m,质量块受到加速度a的作用时，加速度产生力f=ma，悬臂梁受到弯矩作用产生应变力，上表面延展性变形。,特点：结构简单，外形小巧，性能优越，集成度高，可测低频加速度,应用：航空-风洞试验，过载加速度，振动,工业-汽车振动参数测试（0Hz），主动式消振器,建筑-建筑物晃动，大桥桥梁摆动，,加速度,质量块,弯矩,应变,MEMS：微型电子机械系统技术-微型压阻式传感器,4.加速度传感器,应变式传感器实例,应变式压力传感器,应变式力传感器,2.4,应变片的应用,2.4.1,应变片的选择,应变片类型的选择,2.,材料的选择,3.,阻值的选择,4.,尺寸的选择,2.4.2,应变片的使用,1.,去污：采用手持砂轮工具除去构件表面的油污、漆、锈斑等，并用细纱布交叉打磨出细纹以增加粘贴力，用浸有酒精或丙酮的纱布片或脱脂棉球擦洗。,2.,贴片：在应变片的表面和处理过的粘贴表面上，各涂一层均匀的粘贴胶，用镊子将应变片放上去，并调好位置，然后盖上塑料薄膜，用手指揉和滚压，排出下面的气泡。,3.,测量：,从分开的端子处，预先用万用表测量应变片的电阻，发现端子折断和坏的应变片。,4.,焊接：,将引线和端子用烙铁焊接起来，注意不要把端子扯断,。,5.,固定：,焊接后用胶布将引线和被测对象固定在一起，防止损坏引线和应变片,。,2.5,转换电路,应变片将应变的变化转换成电阻相对变化,R,/,R,，要把电阻的变化转换成电压或电流的变化，才能用电路测量仪表进行测量。电阻应变片的测量线路多采用交流电桥,(,配交流放大器,),，其原理和直流电桥相似。直流电桥比较简单，因此首先分析直流电桥。,2.5.1,恒压源直流电桥,如图所示。电源,E,为恒压源，其内阻为零。根据电路学中的克希霍夫定律，列出电路方程：,R,2,R,4,R,1,R,3,U,i,恒压电桥电路原理图,R,L,A,C,D,I,L,B,式中,R,L,为负载电阻，因而其输出电压,U,L,为,:,联立求解上述方程，求出检流计中流过的电流,I,o,为,:,当,R,1,R,4,=,R,2,R,3,时，,I,L,=0,，,U,L,=0,，即电桥处于平衡状态。,若电桥的,负载电阻,R,L,为无穷大，则,B,、,D,两点可视为开路，上式可以化简为,:,设,R,1,为应变片的阻值，工作时,R,1,有一增量,R,1,，当为拉伸应变时，,R,1,为正；压缩应变时，,R,1,为负。在上式中以,R,1,+,R,1,代替,R,1,，则,(2-12),由于,R,1,R,1,略去(2-13)分母中的,R,1,/R,1,得：,整理得：,(2-13),定义,桥臂比,：,(2-14),(2-15),当,dK,U,/dn=0,时，dK,U,最大，此时,n=1,；,即,R,2,=R,1,；,R,4,=,R,3,当,n=1,时，电桥为等臂电桥，其输出电压为：,(2-16),定义,电桥灵敏度：,差动电桥,两臂差动,电桥的输出电压为：,设初始时为,R,1,=R,2,=R,3,=R,4,=R,；则上式为,若工作时应变片一片受拉、一片受压，即,R,1,=,R,2,=R,，则,可见，这时输出电压,U,0,与,R/R,间成严格的线性关系，且电桥灵敏度比单臂电桥提高一倍。,若采用四臂差动电桥（,全桥,），如图，并设初始时,R,1,=R,2,=R,3,=R,4,=R,；工作时各个桥臂中电阻应变片电阻的变化为：,R,1,、,R,2,、,R3,、,R,4,；则电桥输出为：,若,R,1,=R,4,=,R,2,=,R,3,=R,，则有,2.5.2,恒流源电桥,设供电电流为,I,，当,R,1,=0,时，且负载电阻很大，通过各臂的电流为,输出电压为：,若电桥初始处于平衡状态，且,R,1,=R,2,=R,3,=R,4,=R,；当,R,1,变为,R+R,时，电桥输出电压为,2.5.3,交流电桥,交流载波放大器具有灵敏度高、稳定性好、外界干扰和电源影响小及造价低等优点，但存在工作频率上限较低、长导线时分布电容影响大等缺点。,直流放大器工作频带宽，能解决分布电容问题，但它需配用精密稳定电源供桥，造价较高。,近年来随着电子技术的发展，在数字应变仪、超动态应变仪中已逐渐采用直流放大形式的测量线路。,1,交流电桥的平衡条件,交流电桥电路如图所示,输出电压为,平衡条件为,：,设各臂阻抗为,:,式中，,r,i,、,x,i,为相应各桥臂的电阻和电抗，,Z,i,和,i,为复阻抗的模和幅角。,上式表明，交流电桥平衡要满足两个条件，即相对两臂复阻抗的模之积相等，并且其幅角之和相等。所以交流电桥的平衡比直流电桥的平衡要复杂得多。,故交流电桥的平衡条件为,:,2,交流电桥的平衡调节,对于纯电阻交流电桥，由于应变片连接导线的分布电容，相当于在应变片上并联了一个电容，如图，所以在调节平衡时，除使用电阻平衡装置外，还要使用电容平衡装置，,BLR,1,型拉力传感器,应变式荷重传感器外形及受力位置,F,F,应变式力传感器,F,F,F,F,吊钩秤,便携式,各种悬臂梁,F,F,固定点,固定点,电缆,2.7.3,电阻应变式加速度传感器,加速度传感器系统模型,2.8,电阻应变仪,