4 1電位器式傳感器 4 2電阻應變式傳感器 4 3壓阻式傳感器 第四章電阻式傳感器 電阻式傳感器的基本原理是將被測的非電量轉換成電阻值 通過測量此電阻值達到測量非電量的目的 這類傳感器的種類很多 例如電位器式傳感器 電阻應變式傳感器 壓阻式傳感器 氣敏電阻和濕敏電阻等 利用電阻式傳感器可以測量形變 壓力 力 位移 加速度和溫度等非電量參數 4 1電位器式傳感器 4 1 1基本工作原理 4 1電位器式傳感器 4 1 2輸入 輸出特性 按輸入輸出特性 電位器式傳感器可分為線性電位器和非線性電位器兩類 4 1電位器式傳感器 1 線性特性 線性電位器 空載時其輸出電壓 電阻 與電刷位移之間具有線性關系的電位器稱為線性電位器 其輸出電壓 電阻 與電刷位移成正比 4 1電位器式傳感器 2 非線性特性 非線性電位器 空載時其輸出電壓 電阻 與電刷位移之間具有非線性關系的電位器稱為非線性電位器 也稱為函數電位器 4 5 4 6 4 1電位器式傳感器 用非線性電位器可使傳感器獲得各種特殊要求的非線性函數 如指數函數 三角函數 對數函數及其他任意函數 輸出 同時也可以通過它的非線性來修正儀表對于傳感器或帶有負載的電位器的非線性 從而最終獲得線性輸出特性 4 1電位器式傳感器 4 1 3結構形式 線繞電位器的優點是精度高 性能穩定 易于達到較高的線性度和實現各種非線性特性 但也存在許多缺點 如階梯誤差 分辨力低 耐磨性差 壽命較低等 因此發展了在某些性能方面優于線繞電位器的非線繞電位器 非線繞電位器目前常見有合成膜 金屬膜 導電玻璃釉電位器等 它們在結構上的共同特點是在絕緣基座上制成各種電阻薄膜元件 因此比線繞電位器具有高得多的分辨力 并且耐磨性好 壽命長 如導電塑料電位器使用壽命可達上千萬次 它們的缺點是特性對溫度 濕度變化比較敏感 且要求接觸壓力大 只能用于推動力大的敏感元件 4 2電阻應變式傳感器 電阻應變式傳感器由電阻應變片和測量線路兩部分組成 目前應用最廣的電阻應變片有兩種 金屬應變片和半導體應變片 應用金屬應變片的傳感器就稱為電阻應變式傳感器 基于金屬的電阻應變效應原理 應用半導體應變片的傳感器稱為壓阻式傳感器 基于壓阻效應原理 電阻應變傳感器是將被測量的力 壓力 荷重 扭力等 通過它所產生的金屬彈性變形轉換成電阻變化的敏感元件 4 2電阻應變式傳感器 優點 精度高 測量范圍廣 使用壽命長 性能穩定可靠 結構簡單 尺寸小 重量輕 因此在測試時 對工件工作狀態及應力分析影響小 頻率響應特性好 應變片響應時間約為 可在高低溫 高速 高壓 強烈振動 強磁場 核輻射和化學腐蝕等惡劣環境條件下工作 應變片種類繁多 價格便宜 4 2電阻應變式傳感器 缺點 在大應變狀態下具有較大非線性 輸出信號微弱 不適用于高溫環境中 以上 應變片實際測出的只是某一面積上的平均應變 不能完全顯示應力場中應力梯度的情況 4 2電阻應變式傳感器 4 2 1電阻應變片 一 金屬絲的電阻應變效應電阻應變片的工作原理是基于金屬的電阻應變效應 即當金屬絲在外力下作用發生機械變形時 其電阻值將發生變化 設有一根長度為 截面積為 電阻率為的金屬絲 在未受力時 原始電阻為 4 2電阻應變式傳感器 圖4 3金屬絲伸長后的幾何尺寸 4 2電阻應變式傳感器 當金屬絲受到軸向拉力作用時 將伸長 橫截面積相應減少 電阻率因晶格變化等因素的影響而改變 故引起電阻值變化 對兩邊取對數 等式兩邊微分 則得 4 7 也可用則相對變化量來表示 有 4 2電阻應變式傳感器 稱為金屬絲長度方向的應變或軸向應變 為金屬絲半徑的相對變化 即徑向應變 軸向應變與徑向應變存在下列關系 式中 金屬絲的泊松比 4 2電阻應變式傳感器 由 4 8 式可知 受兩個因素影響 前一部分僅由電阻絲材料受力后其幾何尺寸變化引起的 另一個是由電阻絲的電阻率隨應變引起的的變化 金屬材料的應變電阻效應以結構尺寸變化為主 4 2電阻應變式傳感器 二 應變片的基本結構及測量原理 1 應變片的基本結構根據應變片原材料形狀和制造工藝的不同 它的結構形式有絲繞式 箔式和薄膜式三種 電阻應變片的結構形式各異 但其結構大體相同 一般由敏感柵 引出線 基底 覆蓋層 粘合劑等組成 4 2電阻應變式傳感器 圖4 4電阻絲應變片結構示意圖 4 2電阻應變式傳感器 2 粘合劑和粘貼技術 應變片的種類很多 選擇何種應變片是測試前應確定的問題 一般根據試驗環境 應變性質 試件狀況及測試精度選擇合適的應變片 應變片在試件上的安裝質量是決定測試精度及可靠性的關鍵之一 必須予以高度重視 安裝方法有三種 粘貼法是最常用的 焊接法適用于金屬基底的應變片 噴涂法主要用于高溫應變測量 應變片是用粘合劑粘貼到被測件上去 粘合劑形成的膠層必須可靠地將試件或彈性元件產生的應變傳遞到應變片的敏感柵上去 所以粘合劑與粘貼技術對測量結果有直接影響 4 2電阻應變式傳感器 對粘合劑要求為 有一定的粘結強度 能準確傳遞應變 有足夠的剪切彈性模量 蠕變 機械滯后小 有足夠的穩定性能 耐濕 耐油 耐老化 耐疲勞等 常用的粘合劑類型有硝化纖維素粘合劑 氰基丙烯酸脂粘合劑 有機硅粘合劑等 4 2電阻應變式傳感器 粘貼工藝包括 應變片在安裝之前 應對其外觀和電阻值進行檢查 為了使應變片粘貼牢固 須事先對試件粘貼表面進行機械 化學處理 處理面積約為應變片面積的3倍試件表面處理 清潔使之無油污 氧化層 銹斑等 定位劃線 粘貼應變片 并壓合 使粘合劑的厚度盡量減薄 按規范對粘接劑進行加溫固化或者加壓 引線的焊接處固定以及防護與屏蔽處理等 4 2電阻應變式傳感器 3 測量原理 用應變片測量受力應變時 將應變片粘貼于被測對象表面上 在外力作用下 被測對象表面產生微小機械變形時 應變片的敏感柵也隨之變形 其電阻值發生相應變化 通過轉換電路轉換為相應的電壓或電流的變化 可以得到被測對象的應變值 而根據引力應變關系 4 2電阻應變式傳感器 優點 測量應變的靈敏度和精確度高 性能穩定 可靠 可測 誤差小于 應變片尺寸小 重量輕 結構簡單 使用方便 響應速度快 測量時對被測件的工作狀態和應力分布影響較小 既可用于靜態測量 又可用于動態測量 測量范圍大 既可測量彈性變形 也可測量塑性變形 變形范圍可從 適應性強 可在高溫 超低溫 高壓 水下 強磁場以及核輻射等惡劣環境下使用 便于多點測量 遠距離測量和遙測 4 2電阻應變式傳感器 三 主要特性 1 靈敏系數應變片的應變靈敏系數是指應變片安裝于試件表面 在其軸線方向的單向應力作用下 應變片的阻值相對變化與試件表面上安裝應變片區域的軸向應變之比 又稱 標稱靈敏系數 4 2電阻應變式傳感器 2 橫向效應 將直的電阻絲繞成敏感柵之后 雖然長度相同 但應變狀態不同 其靈敏系數降低了 它對測量帶來誤差 在實際測量時 彎曲半徑越大 橫向效應也越大 將絲繞式應變片置于平面應變場中 沿其軸線方向的應變為 垂直于軸線方向的應變為 則電阻的相對變化量為軸向靈敏系數橫向靈敏系數 4 2電阻應變式傳感器 橫向靈敏系數與軸向靈敏系數的比值稱為橫向效應系數 可用它來衡量應變片橫向效應的大小 橫向效應系數則可得 4 2電阻應變式傳感器 3 機械滯后 零漂及蠕變 應變片安裝在試件上以后 在一定的溫度下 在零和某一指定應變之間 做出應變片電阻相對變化 即指示應變 與試件機械應變之間加載和卸載的特性油線 如圖所示 實驗發現這兩條曲線并不重合 在同一機械應變下 卸載時高于加載時的 這種現象稱為應變片的機械滯后 加載和卸載特性曲線之間的最大差值稱為應變片的滯后值 4 2電阻應變式傳感器 圖4 5機械滯后 4 2電阻應變式傳感器 4 應變極限 疲勞壽命 應變片的應變極限是指在一定溫度下 應變片的指示應變與試件的真實應變的相對誤差達規定值 一般為 時的真實應變值 圖4 6應變極限 4 2電阻應變式傳感器 四 溫度效應及其補償 1 溫度效應粘貼在試件上的電阻應變片 除感受機械應變而產生電阻相對變化外 在環境溫度變化時 也會引起電阻的相對變化 產生虛假應變 這種現象稱為溫度效應 由于環境溫度改變引起電阻值變化的原因主要有二 一是由電阻絲溫度系數引起的 二是由電阻絲與被測件材料的線膨脹系數的不同引起的 當環境溫度變化時 應變片電阻的增量可用下式表達 4 2電阻應變式傳感器 令則 4 2電阻應變式傳感器 2 溫度補償 為確保精度 即使在常溫條件下使用也需要采取溫度補償措施 溫度補償方法通常有兩種 應變片溫度自補償法和電路補償法 或稱補償片法 4 2電阻應變式傳感器 1 應變片溫度自補償法 單絲自補償應變片應變片最簡單地自補償 是無應力狀態時 僅僅考慮材料線膨脹差 采用選擇合適溫度系數的電阻材料 達到消除溫度變化所引起的電阻變化 因此 要實現溫度自補償的條件是使應變片在溫度變化時的熱輸出值為零 使即 4 2電阻應變式傳感器 雙絲組合式自補償應變片 這種溫度自補償應變片是由兩種不同電阻溫度系數 一種為正值 一種為負值 的材料串聯組成敏感柵 以達到一定的溫度范圍內在一定材料的試件上實現溫度補償的 圖4 7雙絲組合式自補償應變片 4 2電阻應變式傳感器 電橋補償法 最常用和最好的補償方法是電橋補償法 圖4 8電橋補償法 4 2電阻應變式傳感器 工作應變片安裝在被測試件上 另選一個其特性與相同的補償片 安裝在材料與試件相同的某補償塊上 溫度與試件相同 但不承受應變 和接入電橋相鄰臂上 造成和相同 根據電橋理論所知 其輸出電壓與溫度變化無關 當工作應變片感受應變時電橋將產生相應輸出電壓 圖4 9補償片粘貼示意圖 4 2電阻應變式傳感器 若達到完全的補償 需滿足下列三個條件 和是屬于同一批號制造的 即它們的電阻溫度系數 線膨脹系數 應變靈敏系數都相同 兩片的初始電阻值也要求一樣 粘貼補償片的構件材料和粘貼工作片的材料必須一樣 即要求兩者的線膨脹系數一樣 兩應變片處于同一溫度場 4 2電阻應變式傳感器 差動電橋補償法 圖4 10差動電橋補償法 4 2電阻應變式傳感器 4 2 2測量電路 圖4 11橋式測量電路 4 2電阻應變式傳感器 惠斯頓電橋 惠斯頓電橋是英國科學家惠斯通于1843年發明的 如圖所示 它是由被連接成四邊形的4個阻抗 跨接在其中一條對角線上的激勵源 電壓源或電流源 和跨接在另一個對角線上的電壓檢測器構成 檢測器測量跨接在激勵源上的兩個分壓器輸出之間的電位差 圖中4個橋臂按順時針方向為序 A C為電源端 B D為輸出端 交流橋式測量電路采用交變電源供電 其四個橋臂 可接入電阻 電感或者電容 直流橋式測量電路采用直流電源供電 其四個橋臂 只能接入電阻 在橋式電路中其中任何一個橋臂都可以是電阻應變片 4 2電阻應變式傳感器 四個橋臂阻抗達到某一關系時 電橋輸出為零 否則就有電壓輸出 可利用靈敏檢流計來測量 故電橋能夠精確地測量微小的電阻變化 將阻抗參數值隨被測非電量變化的阻抗式傳感器接入電橋 初始狀態即被測非當電量為0時 讓電橋平衡 即輸出電壓為0 當被測非電量變化而不為0時 引起阻抗參數值變化 使電橋不平衡 即輸出電壓不為0 被測非電量越大 電橋輸出電壓也越大 這樣就把被測非電量變化轉換成電橋電壓的變化 只要測得電橋電壓 就可求得非電量 4 2電阻應變式傳感器 電橋輸出電壓為 4 13 設在直流電橋中為應變片的電阻值 工作時有一增量 當為拉伸應變時 為正 壓縮應變時 為負 在上式中以代替 則 4 14 4 2電阻應變式傳感器 設電橋各臂均有相應的電阻增量 時 4 15 大多數情況下 我們都選擇 初始平衡時4臂阻值都相等的等臂電橋 即 因為等臂電橋的電橋靈敏度最大 此時 4 16 4 2電阻應變式傳感器 一般情況下 很小 即略去上式中的高階微量 將四個電阻應變片接入直流電橋中構成應變電橋 設這四個應變片的型號相同 粘貼處的應變分別為因應變電阻的變化 故應變電橋的輸出電壓近似為 得到 4 17 將代入上式得 4 18 4 2電阻應變式傳感器 當時 輸出電壓與應變呈線性關系 由于溫度引起的電阻變化是相同的 因此 如果電阻傳感器接在電橋的相鄰兩臂 溫度引起的電阻變化將相互抵消 其影響將減小或消除 被測非電量若使兩電阻傳感器的電阻變化符號相同 則應將這兩電阻傳感器接在電橋的相對兩臂 但是這只能提高電橋輸出電壓 并不能減小溫度變化的影響和非線性誤差 被測非電量若使兩電阻傳感器的電阻變化符號相反 則應將這兩電阻傳感器接在電橋的相鄰兩臂 即構成差動電橋 這既能提高電橋輸出電壓 又能減小溫度變化的影響和非線性誤差 4 2電阻應變式傳感器 當僅橋臂AB單臂工作時 輸出電壓為 4 19 當假定不成立時 按線性關系刻度的儀表用來測量此種情況下的應變 必然帶來非線性誤差在測量應變的電橋中 也可將應變片串聯或并聯起來接入測量橋臂 4 2電阻應變式傳感器 4 2 3電阻應變式傳感器 一 應變式傳感器的基本組成應變式傳感器的組成有二種 一種是直接將應變片粘貼在被測量的受力構件上 另一種是將應變片粘貼在彈性元件上 由彈性元件將被測物理量 如力 壓力 加速度等 轉換為應變 所以 應變式傳感器的基本組成部件包括 應變片 測量電橋 彈性元件以及一些附件 如殼體 聯接裝置等 4 2電阻應變式傳感器 二 電阻應變式力傳感器 1 圓柱式力傳感器 圖4 12柱式力傳感器 4 2電阻