工學應變式傳感器教學ppt課件

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3.1工作原理 3.2電阻應變片特性 3.3電阻應變片的測量電路 3.4應變式傳感器應用,第3章 應變式傳感器,力/壓力傳感器應用廣泛、影響面寬，不僅可以測量力和壓力，也可以用于測量負荷、加速度、扭矩、位移等其他物理量，他們都與機械應力有關，所以把這類傳感器稱為力學量傳感器。 傳統(tǒng)的測量力的方法是利用彈性元件的形變和位移來表示的，其特點是成本低，不需要電源，但體積大、笨重、輸出為非電量。 后來隨著微電子技術發(fā)展，利用半導體材料的壓阻效應和彈性與集成電路工藝，研制出了半導體力和壓力傳感器，使這類傳感器有了長足的進步，而且半導體壓力傳感器正向集成化和智能化方向發(fā)展。,第3章 應變式傳感器, 電阻應變計，也稱應變片，是進行應力和應變測量的關鍵元件，電阻應變式傳感器是利用電阻應變片將應變轉換為電阻變化的傳感器, 傳感器由在彈性元件上粘貼電阻應變敏感元件構成。 當被測物理量作用在彈性元件上時, 彈性元件的變形引起應變敏感元件的阻值變化, 通過轉換電路將其轉變成電量輸出, 電量變化的大小反映了被測物理量的大小。應變式電阻傳感器是目前測量力、力矩、 壓力、加速度、重量等參數(shù)應用最廣泛的傳感器。,3.1 工作原理,電阻應變計按照敏感柵所使用的材料可以分為金屬電阻應變片和半導體電阻應變片兩種。,一、金屬應變計的結構,金屬電阻應變片是一種能將機械構件上應變的變化轉換為電阻變化的傳感元件。,由敏感柵1、基底2、覆蓋層3、引線4和粘合劑等組成。這些部分所選用的材料將直接影響應變片的性能。因此，應根據(jù)使用條件和要求合理地加以選擇。,由敏感柵1、基底2、覆蓋層3、引線4和粘合劑等組成。這些部分所選用的材料將直接影響應變片的性能。因此，應根據(jù)使用條件和要求合理地加以選擇。,應用時將應變片用粘結劑牢固地粘貼在被測試件表面上。當試件受力變形時，應變片的敏感柵也隨同變形，引起應變片電阻值變化，通過測量電路將其轉換為電壓或電流信號輸出。,應變計,金屬應變片,（1） 敏感柵 由金屬細絲繞成柵形。電阻應變片的電阻值為60Ω、120Ω、200Ω等多種規(guī)格，以120Ω最為常用。,（2） 基底和覆蓋層 基底： （1）保持敏感柵、引線的幾何形狀和相對位置； （2）它是將應變傳遞到敏感柵的中間介質(zhì)； （3）起到敏感柵（金屬絲）與試件之間的絕緣作用。,（2） 基底和覆蓋層 覆蓋層：既保持敏感柵和引線的形狀和相對位置，還可保護敏感柵。,（3） 引線 是從應變片的敏感柵中引出的細金屬線。對引線材料的性能要求：電阻率低、電阻溫度系數(shù)小、抗氧化性能好、易于焊接。大多數(shù)敏感柵材料都可制作引線。,（4） 粘結劑 用于將敏感柵固定于基底上，并將蓋片與基底粘貼在一起。使用金屬應變片時，也需用粘結劑將應變片基底粘貼在構件表面某個方向和位置上。以便將構件受力后的表面應變傳遞給應變計的基底和敏感柵。,二、金屬應變計的材料, 對電阻絲材料應有如下要求：,二、金屬應變計的材料,對電阻絲材料應有如下要求： 1.靈敏系數(shù)大，且在相當大的應變范圍內(nèi)保持常數(shù)。 2.ρ值大，即在同樣長度、同樣橫截面積的電阻絲中具有較大的電阻值。 3.電阻溫度系數(shù)小，否則因環(huán)境溫度變化也會改變其電阻值。 4.與銅線的焊接性能好，與其它金屬的接觸電勢小。 5.機械強度高，具有優(yōu)良的機械加工性能。 康銅是目前應用最廣泛的應變絲材料，國內(nèi)外多以康銅作為應變絲材料。,三、金屬應變計的基本原理 當金屬絲在外力作用下發(fā)生機械變形時，其電阻值將發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為金屬的電阻應變效應。,設有一根長度為l、截面積為S、電阻率為ρ的金屬絲，其電阻R為,圖 金屬的電阻應變效應,金屬絲的電阻變化與受力后橫截面積的變化、長度的變化和電阻率的變化有關。,圖 金屬的電阻應變效應,兩邊取偏微分，得,其中,則,S=π r 2,,則,則,——電阻的相對變化,——電阻率的相對變化,——金屬絲長度的相對變化或軸向應變，用ξ表示,——截面積的相對變化,dr/r為金屬絲半徑的相對變化，即徑向應變?yōu)棣舝。,εr= –με,由材料力學知,式中：μ——金屬材料的泊松系數(shù),即,則,則,金屬絲電阻的相對變化與金屬絲的伸長或縮短之間存在比例關系。比例系數(shù)K0稱為金屬絲的靈敏系數(shù)。,K0的物理意義：單位應變引起的電阻相對變化。 一般金屬絲的K0取值區(qū)間為：2～6,其中,泊松系數(shù)是橫向線度的相對縮小和縱向線度相對伸長之間的固定比例，一般材料的μ為常數(shù)。,則金屬應變計的靈敏系數(shù)K0僅由形變變化引起；,一般金屬的壓阻系數(shù)很小，可以忽略。 則 K0≈ 1+2μ；,由于,一般材料形變時，晶格畸變引起電阻率變化→(dρ/ρ)/ε有一定值，該定值稱為壓阻系數(shù)（表示電阻率隨軸向應變ε的變化）,由于一般材料的壓阻系數(shù)μ是常數(shù)；則可以看出，當金屬絲受拉力變形時，其電阻的相對變化率dR/R與金屬絲縱向應變ε成正比。,四、半導體應變片的壓阻效應,隨著半導體技術的發(fā)展，壓力傳感器已經(jīng)向半導體化和集成化方向發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)固體受到作用力后電阻率（或電阻）就要發(fā)生變化，所有的固體材料都有這個特點，其中以半導體材料最為顯著。,半導體材料： 應力→晶格間距變化→電阻率發(fā)生顯著變化。,這種現(xiàn)象稱為半導體壓阻效應,半導體材料的電阻在外力作用下的相對變化與金屬相同。,對于金屬而言，壓阻系數(shù) 很小，可以忽略，電阻變 化率主要由ξ（1+2μ）引起。,對于半導體而言， 一項較大，即電阻率的變化較大。,則：① 對于金屬而言，上式中的后兩項 和 是主要的，電阻變化率主要由這兩項引起。,②對于半導體而言， 一項較大，即電阻率的變化較大，而后兩項較小，可以忽略。,由于半導體材料的電阻率的相對變化與應力σ成正比，即：,式中π為材料的壓阻系數(shù)。,材料受到的應力σ和應變ξ之間的關系為：σ=Eξ ②,式中E為彈性模量。將②式帶入①式得：,上式說明了半導體材料的電阻率變化率dρ/ρ正比于其所受的縱向應變ξ。則,上式中G=1+2μ+πE，是半導體應變計的靈敏度系數(shù)。,對于半導體材料，它的壓阻系數(shù)π很大，G主要由πE決定，即G≈πE，一般G在50～100之間，比金屬的靈敏度高很多。 則：,即半導體材料電阻的相對變化率等于電阻率的相對變化率。,半導體應變片突出優(yōu)點是靈敏度高, 比金屬絲式高50～80倍, 尺寸小, 橫向效應小, 動態(tài)響應好。但它有溫度系數(shù)大, 應變時非線性比較嚴重等缺點。,3.2 電阻應變片的特性,1. 應變片的電阻值（R0）:指應變片沒有安裝且不受力的情況下，在室溫時測定的電阻值（單位為Ω）。,應變片的阻值有一定的系列，通常為：60Ω、120Ω、350Ω、500Ω、1000Ω等5種。用得最多的為120Ω和350Ω兩種。,應變片電阻值的大小應與測量電路相配合。,一、應變片的參數(shù),2. 靈敏系數(shù)K0:是指將應變片裝于試件表面，在其軸線方向上的單位應變作用下阻值的相對變化率。,2. 靈敏系數(shù)K0:是指將應變片裝于試件表面，在其軸線方向上的單位應變作用下阻值的相對變化率。,,,,,壓阻系數(shù),泊松系數(shù)：-ξr/ξ,一般金屬的壓阻系數(shù)很小，可以忽略。,實踐證明，電阻變化率與軸向應變之間在很大范圍內(nèi)是成線性關系。,嚴格意義上來講，應變片的靈敏系數(shù)K并不等于其敏感柵整長應變絲的靈敏系數(shù)K0，一般情況下，KK0，這是因為，在單向應力產(chǎn)生應變時，K除受到敏感柵結構形狀、成型工藝、粘合劑和基底性能的影響外，尤其受到柵端圓弧部分橫向效應的影響。應變片的靈敏系數(shù)直接關系到應變測量的精度。,3. 絕緣電阻Rm 敏感柵與安裝應變片的試件之間的電阻值Rm。一般要求Rm在50～100MΩ以上，此值常作為應變片粘結層固化程度和是否受潮的標志之一。,絕緣電阻的下降會帶來零點漂移和測量誤差；太小的話，基片會使金屬絲短路，而不穩(wěn)定的絕緣電阻會導致測試失敗。,4.最大工作電流Imax,最大工作電流是指已安裝的應變片允許通過敏感柵而不影響其工作特性的最大電流Imax。 工作電流大，輸出信號也大，靈敏度就高。但工作電流過大會使應變片過熱，靈敏系數(shù)產(chǎn)生變化，零漂及蠕變增加，甚至燒毀應變片。工作電流的選取要根據(jù)試件的導熱性能及敏感柵形狀和尺寸來決定。 通常靜態(tài)測量時取25mA左右，動態(tài)測量時可取75～100mA。,二、應變片的溫度誤差及補償,1. 應變片的溫度誤差 由于測量現(xiàn)場環(huán)境溫度的改變而給測量帶來的附加誤差, 稱為應變片的溫度誤差。產(chǎn)生應變片溫度誤差的主要因素有下述兩個方面:,(1)電阻溫度系數(shù)的影響,敏感柵的電阻絲阻值隨溫度變化的關系可用下式表示：,Rt——溫度為t時的電阻值； R0——溫度為t0時的電阻值； α0——溫度為t0時電阻絲的電阻溫度系數(shù)； Δt——溫度變化值，Δt=t-t0。,當溫度變化Δt時，電阻絲電阻的變化值為：,(2)試件材料和電阻絲材料的線膨脹系數(shù)的影響,當試件與電阻絲材料的線膨脹系數(shù)不同時，由于環(huán)境溫度的變化，電阻絲會產(chǎn)生附加變形，從而產(chǎn)生附加電阻變化。,設電阻絲和試件在溫度為0℃時的長度均為l0。它們的線膨脹系數(shù)分別為βs和βg，若兩者不粘貼，則它們的長度分別為：,當兩者粘貼在一起時，電阻絲產(chǎn)生的附加變形Δl、附加應變εβ和附加電阻變化ΔRβ分別為：,綜合考慮到電阻溫度系數(shù)和線膨脹系數(shù)的影響，可得到由于溫度變化而引起的應變片總電阻相對變化量為：,綜合考慮到電阻溫度系數(shù)和線膨脹系數(shù)的影響，可得到由于溫度變化而引起的應變片總電阻相對變化量為：,則附加應變量εt等于：,由上式可知，因環(huán)境溫度變化而引起的附加電阻的相對變化量，除了與環(huán)境溫度有關外，還與應變片自身的性能參數(shù)（K0，α0，βs）以及被測試件線膨脹系數(shù)βg有關。,2. 電阻應變片的溫度補償方法 電阻應變片的溫度補償方法通常有線路補償法和應變片自補償兩大類。  1) 線路補償法 電橋補償是最常用的且效果較好的線路補償法。下圖所示是電橋補償法的原理圖。電橋輸出電壓Uo與橋臂參數(shù)的關系為： Uo=A（R1R4- RBR3）,當電源E為電勢源，其內(nèi)阻為零時，可求出檢流計中流過的電流Ig與電橋各參數(shù)之間的關系為,當R1R4=R2R3時，Ig=0，Ug=0，即電橋處于平衡狀態(tài)。,式中 Rg為負載電阻，因而其輸出電壓Ug為：,若電橋的負載電阻Rg為無窮大，則B、D兩點可視為開路，上式可以化簡為,電橋補償是最常用的且效果較好的線路補償法。下圖所示是電橋補償法的原理圖。電橋輸出電壓Uo與橋臂參數(shù)的關系為： Uo=A（R1R4- RBR3）,上式中，A為由橋臂電阻和電源電壓決定的常數(shù)。由上式可知，當R3和R4為常數(shù)時，R1和RB對電橋輸出電壓U0的作用相反。利用這一基本關系可實現(xiàn)對溫度的補償。,Uo=A（R1R4- RBR3）,測量應變時，工作應變片R1粘貼在被測試件表面上，補償應變片RB粘貼在與被測試件材料完全相同的補償塊上，且僅工作應變片承受應變，如上圖（b）所示。 當被測試件不承受應變時，R1和RB又處于同一環(huán)境溫度為t的溫度場中，調(diào)整電橋參數(shù)使之達到平衡，此時有： U0=A(R1R4-RBR3)=0,U0=A(R1R4-RBR3)=0 工程上，一般按R1=RB=R3=R4選取橋臂電阻。 當溫度升高或降低Δt=t-t0時，兩個應變片因溫度相同而引起的電阻變化量相等，電橋仍處于平衡狀態(tài)，即：,若此時被測試件有應變ε的作用，則工作應變片電阻R1有新的增量ΔR1=R1Kε，而補償片因不承受應變，故不產(chǎn)生新的增量，此時電橋輸出電壓為：,若此時被測試件有應變ε的作用，則工作應變片電阻R1有新的增量ΔR1=R1Kε，而補償片因不承受應變，故不產(chǎn)生新的增量，此時電橋輸出電壓為：,由上式可知，電橋的輸出電壓U0僅與被測試件的應變ε有關，而與環(huán)境溫度無關。,由上式可知，電橋的輸出電壓U0僅與被測試件的應變ε有關，而與環(huán)境溫度無關。 應當指出，若要實現(xiàn)完全補償，上述分析過程必須滿足以下4個條件： ①在應變片工作過程中，保證R3=R4。 ②R1和RB兩個應變片應具有相同的電阻溫度系數(shù)α、線膨脹系數(shù)β、應變靈敏度系數(shù)K和初始電阻值R0。,③粘貼補償片的補償塊材料和粘貼工作片的被測試件材料必須一樣，兩者線膨脹系數(shù)相同。 ④兩應變片應處于同一溫度場。,2) 應變片的自補償法 這種溫度補償法是利用自身具有溫度補償作用的應變片（稱之為溫度自補償應變片）來補償?shù)摹?溫度自補償應變片的工作原理可由下式得出, 要實現(xiàn)溫度自補償, 必須有： α0= -K0（βg-βs） 上式表明，當被測試件的線膨脹系數(shù)βg已知時, 如果合理選擇敏感柵材料，即其電阻溫度系數(shù)α0、靈敏系數(shù)K0和線膨脹系數(shù)βs，使上式成立，則不論溫度如何變化，均有ΔRt/ R0=0，從而達到溫度自補償?shù)哪康摹?綜合考慮到電阻溫度系數(shù)和線膨脹系數(shù)的影響，可得到由于溫度變化而引起的應變片總電阻相對變化量為：,3.3 電阻應變片的測量電路,由于機械應變一般都很小, 要把微小應變引起的微小電阻變化測量出來, 同時要把電阻相對變化ΔR/R轉換為電壓或電流的變化。因此, 需要有專用測量電路用于測量應變變化而引起電阻變化的測量電路, 通常采用直流電橋和交流電橋。 直流電源供電的電橋稱為直流電橋；以交流電源供電的電橋稱為交流電橋。,測量電橋,直流電橋,交流電橋,,,電源類型,電源類型,直流電壓源電橋,直流電流源電橋,,,,電橋結構,直流電壓源單臂電橋,直流電壓源半橋差動電橋,,直流電壓源全橋差動電橋,,,,電橋結構,直流電流源單臂電橋,直流電流源半橋差動電橋,,直流電流源全橋差動電橋,——……,直流電橋比較簡單，因此首先分析直流電橋，如圖所示。當電源E為電勢源，其內(nèi)阻為零時。,式中R2為負載應變片電阻，因R1、R3、R4的阻值固定。,（一）直流電壓源單臂電橋,流過RL上的電流與電壓可以根據(jù)戴維南定理求出：,若R2上無壓力時，調(diào)電橋達到平衡，即輸出電壓為零。則由①式可以推出無壓力時的平衡條件為：,R1R4=R2R3 ②,當受應變時，應變片的電阻變化為ΔR2,則電橋不再平衡，電橋的輸出電壓為,設橋臂比n=R1/R2，由于ΔR2R2，則上式分母中的（ΔR2/R2）可忽略不計，并考慮到起始平衡條件②：,R1R4=R2R3,則③式可以化簡為：,單臂電橋的電壓靈敏度定義為,電橋靈敏度：,由⑤式可知： （1）電橋靈敏度Sr正比于電橋的供電電壓（Sr∝E），供電電壓E越高，電壓靈敏度Sr越高，,（2）電橋靈敏度Sr是橋臂比n的函數(shù)，必須在設計電橋時恰當選擇橋臂的比值n，保證電橋具有較高的靈敏度。,即當電橋供電電壓E確定后，當R1=R2，R3=R4 ⑥時，電橋電壓靈敏度最高。,將⑥式代入③中，即得：,再將⑥式代入④、⑤中，即得：,上式中的Sr是直流電壓源單臂電橋的最大電壓靈敏度。當電源電壓E和電阻相對變化一定時，電橋的輸出電壓及其靈敏度也是定值，且與各橋臂阻值大小無關。,以上兩式都是在假定應變片R2的參數(shù)變化很小，即可以忽略ΔR2/R2，這其實是一種理想情況。若利用以上兩式計算，則會帶來非線性誤差。,相對非線性誤差可以表示為：,非線性誤差：,在上面的分析中：,非線性誤差還不算大，但對電阻相對變化率較大的情況，就不可忽略該誤差了。,對于一般的應變片而言，所受的應變ε通常在5000μ以下，若應變片的靈敏系數(shù)K取2，則非線性誤差為：,例如：半導體應變的K=100，當應變?yōu)?000μ時：,此時，非線性誤差就不能忽略不計了，測量電路應作特殊改進。,結構： 半橋差動電橋中含有兩個應變片：其中一個應變片受到拉力（R2），一個應變片受到壓力（R1），則二者受到的應變符號相反。將兩個應變片接入電橋的相鄰橋臂上，稱為半橋差動電橋電路。,（二）直流電壓源半橋差動電橋,該電橋的輸出電壓VO為：,若ΔR1=ΔR2，R1=R2，R3=R4時，上式簡化為：,由⑨式可知：VO與（ΔR2/R2）成線性關系→該半橋差動電路不含非線性誤差。,將⑨式與原來的“單橋臂應變計測量電路”的,相比較，就會發(fā)現(xiàn)：半橋差動電橋的電壓靈敏度Sr比單臂電橋提高了一倍。,若考慮半橋電路中溫度對各電阻影響，且假定每個電阻受溫度變化影響相同，均為△RT，則輸出電壓VO為：,則輸出結果與溫度變化有關，故半橋差動電橋不能起到溫度補償作用。,結構： 全橋差動電橋的四個橋臂中都接入應變片，其中兩個對橋臂應變片受到拉力（R2，R3），另外兩個對橋臂應變片受到壓力（R1，R4），構成全橋差動電橋電路。,（三）直流電壓源全橋差動電橋,該電橋的輸出電壓VO為：,若ΔR1=ΔR2＝ΔR3=ΔR4＝ΔR ，R1=R2＝R3=R4＝R時，上式簡化為：,由⑾式可知：VO與（ΔR2/R2）成線性關系→該全橋差動電路不含非線性誤差。,將⑾式與原來的“單橋臂應變計測量電路”的,相比較，就會發(fā)現(xiàn)：全橋差動電橋的電壓靈敏度Sr比單臂電橋提高了3倍，比半橋差動電橋提高了1倍。,若考慮全橋電路中溫度對各電阻影響，且假定每個電阻受溫度變化影響相同，均為△RT，則輸出電壓VO為：,則輸出結果與溫度變化有關，故全橋差動電橋不能起到溫度補償作用。,（四）直流電流源單臂電橋,恒流源供電電橋： 其中供橋電流為I0，通過各臂的電流為I1與I2。,則電路中電流滿足下列方程組：,輸出電壓為：,應變片為R2： （1）若R2不受應力，電橋初始處于平衡狀態(tài)（R1R4=R2R3）而且R1=R2=R3=R4=R，輸出V0=0。,（2）若R2受應力，橋臂電阻R2,,變?yōu)?R2+ΔR2時；R1、R3、R4保,持不變；輸出電壓為：,直流電壓源單臂電橋輸出電壓為：,兩者相比較可以看出：,直流電流源單臂電橋的非線性誤差減小了一倍。,若直流電流源電橋電路設計為如右圖所示，如果ΔR1=ΔR2＝ΔR3=ΔR4＝ΔR ，且R1=R2＝R3=R4＝R，并考慮溫度影響ΔT時，輸出電壓為：,若考慮直流電壓源全橋差動電路中溫度對各電阻影響，且假定每個電阻受溫度變化影響相同，均為△RT，則輸出電壓VO為：,則輸出結果與溫度變化有關，故直流電壓源全橋差動電橋不能起到溫度補償作用。,上式可以看出： （1）直流電流源供電時，輸出電壓VO與壓敏電阻增量ΔR及恒流源電流I0成正比。 （2）傳感器精度直接受恒流源精度的影響。,（3）此種電橋輸出與溫度無關，可以起到溫度補償?shù)淖饔谩?（五）交流電橋 根據(jù)直流電橋分析可知，由于應變電橋輸出電壓很小，一般都要加放大器，而直流放大器易于產(chǎn)生零漂，因此應變電橋多采用交流電橋。 下圖為半橋差動交流電橋的一般形式， 為交流電壓源，由于供橋電源為交流電源，引線分布電容使得二橋臂應變片呈現(xiàn)復阻抗特性，即相當于兩只應變片各并聯(lián)了一個電容，則每一橋臂上復阻抗分別為：,,下圖為半橋差動交流電橋的一般形式， 為交流電壓源，由于供橋電源為交流電源，引線分布電容使得二橋臂應變片呈現(xiàn)復阻抗特性，即相當于兩只應變片各并聯(lián)了一個電容，則每一橋臂上復阻抗分別為：,式中C1、C2表示應變片引線分布電容, 由交流電路分析可得  要滿足電橋平衡條件, 即=0, 則有: Z1 Z4 = Z2 Z3,,由于：,則有：,整理上式得：,其實部、虛部分別相等, 并整理可得交流電橋的平衡條件為:,及,對這種交流電容電橋, 除要滿足電阻平衡條件外, 還必須滿足電容平衡條件。 當被測應力變化引起Z1=Z10+ΔZ, Z2=Z20-ΔZ變化時(且Z10=Z20=Z0), 則電橋輸出為：,對這種交流電容電橋, 除要滿足電阻平衡條件外, 還必須滿足電容平衡條件。為此在橋路上除設有電阻平衡調(diào)節(jié)外還設有電容平衡調(diào)節(jié)。電橋平衡調(diào)節(jié)電路如下圖所示：,荷重傳感器原理示意,,荷重傳感器上的應變片在重力作用下產(chǎn)生變形。軸向變短，徑向變長。,應變式荷重傳感器的外形及應變片的粘貼位置,F,,應變式荷重傳感器外形及受力位置（續(xù)）,,F,,F,電子秤,磅秤,超市打印秤,遠距離顯示,,應用,電子天平,電子天平的精度可達十萬分之一,應用,人體秤,,,應用,吊鉤秤,便攜式,應變式數(shù)顯扭矩扳手,可用于汽車、摩托車、飛機、內(nèi)燃機、機械制造和家用電器等領域，準確控制緊固螺紋的裝配扭矩。量程2～500N.m，耗電量≤10mA，有公制/英制單位轉換、峰值保持、自動斷電等功能。,應用,汽車衡,應用,汽車衡,