1、第三章第三章 變阻式傳感器變阻式傳感器 工作原理，應(yīng)變效應(yīng)，應(yīng)變種類工作原理，應(yīng)變效應(yīng)，應(yīng)變種類 金屬應(yīng)變片的主要特性金屬應(yīng)變片的主要特性 測量電路測量電路 應(yīng)變式傳感器應(yīng)用應(yīng)變式傳感器應(yīng)用 成都信息工程學(xué)院傳感器技術(shù) 3.1 3.1工作原理工作原理 應(yīng)變應(yīng)變 物體在外部壓力或拉力作用下發(fā)生形變的現(xiàn)象物體在外部壓力或拉力作用下發(fā)生形變的現(xiàn)象 彈性應(yīng)變彈性應(yīng)變 當(dāng)外力去除后，物體能夠完全恢復(fù)其尺寸和形狀的當(dāng)外力去除后，物體能夠完全恢復(fù)其尺寸和形狀的 應(yīng)變應(yīng)變 彈性元件彈性元件 具有彈性應(yīng)變特性的物體具有彈性應(yīng)變特性的物體 成都信息工程學(xué)院傳感器技術(shù) 應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器 是利用電阻應(yīng)變片將應(yīng)

2、變轉(zhuǎn)換為電阻變化的傳感器是利用電阻應(yīng)變片將應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻變化的傳感器 工作原理：工作原理： 當(dāng)被測物理量作用于彈性元件上，彈性元件在力、力矩或壓力等 的作用下發(fā)生變形，產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)變或位移，然后傳遞給與之相 連的應(yīng)變片，引起應(yīng)變片的電阻值變化，通過測量電路變成電量 輸出。輸出的電量大小反映被測量的大小。 結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)：應(yīng)變式傳感器由彈性元件上粘貼電阻應(yīng)變片構(gòu)成應(yīng)變式傳感器由彈性元件上粘貼電阻應(yīng)變片構(gòu)成 應(yīng)用：應(yīng)用：廣泛用于力、力矩、壓力、加速度、重量等參數(shù)的測量廣泛用于力、力矩、壓力、加速度、重量等參數(shù)的測量 3.1.1 3.1.1 工作原理工作原理 1.金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng) 電阻應(yīng)變效應(yīng)：當(dāng)金屬

3、絲在外力作用下發(fā)生機(jī)械變形時(shí) 其電阻值將發(fā)生變化 A l R F l、A 、 R d A l dA A l dl A dR 2 A A l l R R 電阻的靈敏系數(shù)電阻的靈敏系數(shù) A A l l R R 對(duì)于半徑為r的圓導(dǎo)體，A=r2，A/A=2r/r 又由材料力學(xué)可知，在彈性范圍內(nèi)， Errll/,/,/ )21 (E R R 為導(dǎo)體的縱向應(yīng)變，其數(shù)值一般很小，常以微應(yīng)變度量； 為電阻絲材料的泊松比，一般金屬=0.30.5； 為壓阻系數(shù)，與材質(zhì)有關(guān)；為應(yīng)力值；E為材料的彈性模量； 金屬電阻的靈敏系數(shù)金屬電阻的靈敏系數(shù) / 21 0 RR k 21 / 0 k 材料的幾何尺寸變化引起的 材料

4、的電阻率隨應(yīng)變引起的（壓阻效應(yīng)） 金屬材料：k0以前者為主，則k01+2=1.73.6 半 導(dǎo) 體：k0值主要是由電阻率相對(duì)變化所決定 0 k R R 成都信息工程學(xué)院傳感器技術(shù) 靈敏度系數(shù)靈敏度系數(shù)K K受兩個(gè)因素影響受兩個(gè)因素影響 一是應(yīng)變片受力后材料幾何尺寸的變化，一是應(yīng)變片受力后材料幾何尺寸的變化， 即即1+21+2 二是應(yīng)變片受力后材料的電阻率發(fā)生的變化，二是應(yīng)變片受力后材料的電阻率發(fā)生的變化， 即即 （/ /）/ /。 對(duì)金屬材料：對(duì)金屬材料：1+21+2( ( / /)/)/ 對(duì)半導(dǎo)體材料：對(duì)半導(dǎo)體材料：( ( / /)/)/1+21+2 大量實(shí)驗(yàn)證明，在電阻絲拉伸極限內(nèi)，大量實(shí)

5、驗(yàn)證明，在電阻絲拉伸極限內(nèi)， 電阻的相對(duì)電阻的相對(duì) 變化與應(yīng)變成正比，即變化與應(yīng)變成正比，即K K為常數(shù)。為常數(shù)。 2. 2. 應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu)與種類應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu)與種類 敏感柵 直徑為0.025mm左右的合金電阻絲 絲繞式 基 底 絕緣 覆蓋層 保護(hù) 位移、力、力矩、加速度、壓力 彈性敏 感元件 應(yīng)變 外力作用 被測對(duì)象表面產(chǎn)生微小機(jī)械變形 應(yīng)變片敏感柵隨同變形 電阻值發(fā)生相應(yīng)變化 應(yīng)變片 應(yīng)變片的類型和材料應(yīng)變片的類型和材料 金屬絲式 金屬箔式 金屬薄膜式 回線式 短接式 金屬絲式應(yīng)變片金屬絲式應(yīng)變片 金屬電阻絲應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu) 1-基片；2-電阻絲；3-覆蓋層；4-引出線 成都信息工程

6、學(xué)院傳感器技術(shù) 成都信息工程學(xué)院傳感器技術(shù) 金屬電阻應(yīng)變片，材料電阻率隨應(yīng)變產(chǎn)生的變化很小，可忽略金屬電阻應(yīng)變片，材料電阻率隨應(yīng)變產(chǎn)生的變化很小，可忽略 0 )21 (K R R 應(yīng)變片電阻的相對(duì)變化與應(yīng)變片縱向應(yīng)變成正比，應(yīng)變片電阻的相對(duì)變化與應(yīng)變片縱向應(yīng)變成正比， 并且對(duì)同一電阻材料，并且對(duì)同一電阻材料， K0=1+2是常數(shù)。是常數(shù)。 其靈敏度系數(shù)多在其靈敏度系數(shù)多在1.73.6之間。之間。 金屬箔式應(yīng)變片 在絕緣基底上，將厚度為0.0030.01mm電阻 箔材，利用照相制板或光刻腐蝕的方法，制成 適用于各種需要的形狀 箔式應(yīng)變片 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn) ： （1）尺寸準(zhǔn)確，線條均勻，適應(yīng)不同的測量要求

7、， （2）可制成多種復(fù)雜形狀尺寸準(zhǔn)確的敏感柵 （3）與被測試件接觸面積大，粘結(jié)性能好。 散熱條件好，允許電流大，靈敏度提高。 （4）橫向效應(yīng)可以忽略。 （5）蠕變、機(jī)械滯后小，疲勞壽命長。 缺點(diǎn)： 電阻值的分散性大 阻值調(diào)整 采用真空蒸發(fā)或真空沉積等方法在薄的絕緣基 片上形成厚度在0.1m以下的金屬電阻材料薄 膜敏感柵，再加上保護(hù)層，易實(shí)現(xiàn)工業(yè)化批量 生產(chǎn) 優(yōu)點(diǎn)：應(yīng)變靈敏系數(shù)大，允許電流密度大，工 作范圍廣，易實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn) 問題：難控制電阻與溫度和時(shí)間的變化關(guān)系 金屬薄膜應(yīng)變片金屬薄膜應(yīng)變片 3.1.2 金屬應(yīng)變片的主要特性金屬應(yīng)變片的主要特性 （一）靈敏系數(shù) （二）橫向效應(yīng) （三）溫度誤差

8、及其補(bǔ)償 應(yīng)變片的電阻值應(yīng)變片的電阻值 R 應(yīng)變片在未經(jīng)安裝也不受外力情況下，于 室溫下測得的電阻值 電阻系列：60、120、200、350、500、1000 可以加大應(yīng)變片承受電壓， 電阻值大 輸出信號(hào)大， 敏感柵尺寸也增大 （一）靈敏系數(shù)（一）靈敏系數(shù) RR k / “標(biāo)稱靈敏系數(shù)”：受軸向單向力（拉或壓），試件材料 為泊松系數(shù)=0.285的鋼等。一批產(chǎn)品中只能抽樣5的 產(chǎn)品來測定，取平均值及允許公差值。 電阻應(yīng)變片的靈敏系數(shù)k 電阻絲的靈敏系數(shù)k0 粘結(jié)層傳遞變形失真 還存在有橫向效應(yīng) 原因： （二）橫向效應(yīng)（二）橫向效應(yīng) 敏感柵是由多條直線和圓弧部分組成 直線段：沿軸向拉應(yīng)變x，電阻

9、圓弧段：沿軸向壓應(yīng)變y 電阻 K (箔式應(yīng)變片) y x y 成都信息工程學(xué)院傳感器技術(shù) 橫向效應(yīng)橫向效應(yīng) 應(yīng)變片的橫柵部分將縱向絲柵部分的電阻變 化抵消了一部分，從而降低了整個(gè)電阻應(yīng) 變片的靈敏度，帶來測量誤差，其大小與 敏感柵的構(gòu)造及尺寸有關(guān)。敏感柵的縱柵 愈窄、愈長，而橫柵愈寬、愈短，則橫向 效應(yīng)的影響愈小。 （三）溫度誤差及其補(bǔ)償（三）溫度誤差及其補(bǔ)償 1、敏感柵電阻隨溫度的變化引起的誤差。當(dāng)環(huán)境溫度 變化t 時(shí)，敏感柵材料電阻溫度系數(shù)為 ，則引起 的電阻相對(duì)變化為 2、試件材料的線膨脹引起的誤差。當(dāng)溫度變化t時(shí)， 因試件材料和敏感柵材料的線膨脹系數(shù)不同，應(yīng)變片將 產(chǎn)生附加拉長（或壓縮

10、），引起的電阻相對(duì)變化 溫度 誤差 tKRKRR sgtt )( 0000 tRRRR tt 00 成都信息工程學(xué)院傳感器技術(shù) 11TToos llllT 應(yīng)變片：應(yīng)變片： 22TToog llllT 試件：試件： sg 如：如： 21 () TBTTogs llllT 附加形變：附加形變： 據(jù)材料力學(xué)：據(jù)材料力學(xué)： 附加電阻：附加電阻： () TB TBgs o l T l 00 () TBoTBogs RR KR KT 成都信息工程學(xué)院傳感器技術(shù) 相應(yīng)的虛假應(yīng)變輸出 t K t K RR sg t t )( / 00 0 可得由于溫度變化而引起的總電阻變化為 tKRtRRRR sgttt

11、)( 000 tRRRR tt 00 成都信息工程學(xué)院傳感器技術(shù) 溫度補(bǔ)償溫度補(bǔ)償 單絲自補(bǔ)償法 自補(bǔ)償法 組合式自補(bǔ)償法 線路補(bǔ)償法電橋補(bǔ)償法、熱敏電阻 溫度補(bǔ)償 成都信息工程學(xué)院傳感器技術(shù) 0 o U 143b RRRR設(shè) 31 134 143 134 134 143 () ()() ()() () oab b b o b b ob RR UUUU RRRR R RR R UU RRRR U A RRRR UA R RR R 令 電橋平衡：電橋平衡： 等臂等臂 電橋電橋 U0 R1 R4 R3 U Rb 成都信息工程學(xué)院傳感器技術(shù) U0 R1 R4 R3 U Rb FF R1 Rb 0F

12、11143 ()() oTbbT UARRRRRRR 1TbT RR 14 o UAR R K 1143 () ob UARR RR R 11 RR K T 14 o UAR R K 成都信息工程學(xué)院傳感器技術(shù) U0 R1 R4 R3 U Rb FF R1 Rb R1 +R Rb -R U0 R1R R4 R3 U RbR 成都信息工程學(xué)院傳感器技術(shù) 電橋補(bǔ)償法電橋補(bǔ)償法 優(yōu)點(diǎn)： 簡單、方便，在常溫下補(bǔ)償效果較好，缺 點(diǎn)： 在溫度變化梯度較大的條件下，很難做到 工作片與補(bǔ)償片處于溫度完全一致的情況， 因而影響補(bǔ)償效果。 成都信息工程學(xué)院傳感器技術(shù) 應(yīng)變片的自補(bǔ)償法應(yīng)變片的自補(bǔ)償法 粘貼在被測部

13、位上的是一種特殊應(yīng)變片， 當(dāng)溫度變化時(shí)，產(chǎn)生的附加應(yīng)變?yōu)榱慊蛳?互抵消，這種應(yīng)變片稱為溫度自補(bǔ)償應(yīng)變 片。利用這種應(yīng)變片來實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償?shù)姆?法稱為應(yīng)變片自補(bǔ)償法。 a. 選擇式自補(bǔ)償應(yīng)變片 b. 雙金屬敏感柵自補(bǔ)償應(yīng)變片 成都信息工程學(xué)院傳感器技術(shù) 優(yōu)點(diǎn)：容易加工，成本低， 缺點(diǎn)：只適用特定試件材料，溫度補(bǔ)償范圍也較窄。 實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償?shù)臈l件為實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償?shù)臈l件為 當(dāng)被測試件的線膨脹系數(shù)當(dāng)被測試件的線膨脹系數(shù)g已知時(shí)，通過選擇敏感柵材料，已知時(shí)，通過選擇敏感柵材料， 使下式成立使下式成立 即可達(dá)到溫度自補(bǔ)償?shù)哪康摹＜纯蛇_(dá)到溫度自補(bǔ)償?shù)哪康摹?0)( 0 t K t sgt )( 0sg K 成都

14、信息工程學(xué)院傳感器技術(shù) R1R2 組合自補(bǔ)償法 敏感柵絲由兩種不同溫度系數(shù)的金屬絲串接組成 選用兩者具有不同符號(hào)的電阻溫度系數(shù) 調(diào)整R1和R2的比例，使溫度變化時(shí)產(chǎn)生的 電阻變化滿足 t2t1 )()(RR 通過調(diào)節(jié)兩種敏感柵的長度來控制 應(yīng)變片的溫度自補(bǔ)償， )( )( / / 111 222 11 22 2 1 g g t t K K RR RR R R 成都信息工程學(xué)院傳感器技術(shù) 熱敏電阻補(bǔ)償熱敏電阻補(bǔ)償 T K Rt Ui R1R R4 R3 U0 R2Rt R5 分流電阻分流電阻 U URt U = Ui - URt K 3.1.3 電阻應(yīng)變片的測量電路電阻應(yīng)變片的測量電路 1 1

15、直流電橋直流電橋 2 2 非線性誤差及其補(bǔ)償非線性誤差及其補(bǔ)償 成都信息工程學(xué)院傳感器技術(shù) 1. 直流電橋直流電橋 直流電橋的工作原理 )()()( - 214343214321L 3241 L RRRRRRRRRRRRR RRRR UI IL=0時(shí)電橋平衡 平衡條件 : R1R4=R2R3 R1/R2=R3/R4 R1+R1 R2 R4 R3 U IL RL 成都信息工程學(xué)院傳感器技術(shù) 2不平衡直流電橋的工作原理及靈敏度不平衡直流電橋的工作原理及靈敏度 當(dāng)電橋后面接放大器時(shí), 電橋輸出端看成開路. 電橋的輸出式為： U RRRR RRRR U )( 4321 3241 0 應(yīng)變片工作時(shí)，其電

16、阻變化應(yīng)變片工作時(shí)，其電阻變化R )( )()( 44332211 33224411 0 RRRRRRRR RRRRRRRR UU U0 R1 R4 R3 U R2 成都信息工程學(xué)院傳感器技術(shù) 采用等臂電橋，即采用等臂電橋，即R1= R2= R3=R4=R 。 )2)(2( )( 4321 32414321 0 RRRRRR RRRRRRRRR UU 當(dāng)當(dāng)Ri R ( i=1,2,3,4) 時(shí)，略去上式中的高階微量，則時(shí)，略去上式中的高階微量，則 R R R R R R R RU U 4321 0 4 43210 4 UK U 成都信息工程學(xué)院傳感器技術(shù) 上式表明上式表明： R Ri i R R時(shí)，電橋的輸出電壓與應(yīng)變成線性關(guān)時(shí)，電橋的輸出電壓與應(yīng)變成線性關(guān) 系。系。 若相鄰兩橋臂的應(yīng)變極性一致，即同為拉或壓若相鄰兩橋臂的應(yīng)變極性一致，即同為拉或壓 應(yīng)變，輸出電壓為兩者之差；反之，則為兩者之應(yīng)變，輸出電壓為兩者之差；反之，則為兩者之 和。和。 若相對(duì)兩橋臂應(yīng)變的極性一致，輸出電壓為兩若相對(duì)兩橋臂應(yīng)變的極性一致，輸出電壓為兩 者之和；反之則為兩者之差。者之和；反之則為兩者之差。 電橋供電電壓電橋供電電壓U U 越高，輸出電壓越高，輸出電壓U U0 0越大。越大。 增大電阻應(yīng)變片的靈敏系數(shù)增大電阻應(yīng)變片的靈敏系數(shù)K