集美大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院第5章 電阻應(yīng)變式傳感器

1、第第5 5章章 電阻應(yīng)變式傳感器電阻應(yīng)變式傳感器5.1 5.1 應(yīng)變片工作原理應(yīng)變片工作原理5.25.2 應(yīng)變片的種類和主要參數(shù)應(yīng)變片的種類和主要參數(shù)5.35.3 應(yīng)變片的溫度誤差及其補(bǔ)償應(yīng)變片的溫度誤差及其補(bǔ)償5.4 5.4 傳感器的信號(hào)調(diào)理電路傳感器的信號(hào)調(diào)理電路5.5 5.5 傳感器的應(yīng)用傳感器的應(yīng)用5.6 5.6 壓阻式傳感器壓阻式傳感器5.7 5.7 本章小結(jié)本章小結(jié)工作原理：工作原理：基于應(yīng)變片的應(yīng)變效應(yīng)特點(diǎn)：特點(diǎn)： 1 1）結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，性能穩(wěn)定、可靠。）結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，性能穩(wěn)定、可靠。 2 2）易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化測量，如多點(diǎn)測量，遠(yuǎn)距離測量。）易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化測量，如多點(diǎn)測

2、量，遠(yuǎn)距離測量。 3 3）靈敏度高，測量速度快，適合靜態(tài)、動(dòng)態(tài)測量。）靈敏度高，測量速度快，適合靜態(tài)、動(dòng)態(tài)測量。 4 4）可以測量多種物理量。）可以測量多種物理量。 電阻應(yīng)變式傳感器的發(fā)展歷史電阻應(yīng)變式傳感器的發(fā)展歷史 18561856年：發(fā)現(xiàn)金屬材料的應(yīng)變效應(yīng)；年：發(fā)現(xiàn)金屬材料的應(yīng)變效應(yīng)； 19311931年：制成第一片應(yīng)變片；年：制成第一片應(yīng)變片； 19401940年，發(fā)明應(yīng)變式傳感器。年，發(fā)明應(yīng)變式傳感器。 應(yīng)變式傳感器舉例應(yīng)變式傳感器舉例 可測力、壓力、應(yīng)力、位移、加速度。5.1 5.1 電阻應(yīng)變片的工作原理電阻應(yīng)變片的工作原理 5.1.15.1.1 金屬的應(yīng)變效應(yīng)金屬的應(yīng)變效應(yīng) 金屬

3、絲（導(dǎo)體）在外力作用下發(fā)生機(jī)械變形時(shí)，其電金屬絲（導(dǎo)體）在外力作用下發(fā)生機(jī)械變形時(shí)，其電阻發(fā)生變化，此種現(xiàn)象稱為阻發(fā)生變化，此種現(xiàn)象稱為金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)。金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)。 SLR/5.1.2 5.1.2 電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu) 1 1）基底：）基底：固定敏感柵及絕緣；固定敏感柵及絕緣；0.020.020.04mm0.04mm厚；紙質(zhì)或膠質(zhì)。厚；紙質(zhì)或膠質(zhì)。 2 2）電阻絲：）電阻絲：金屬絲繞成柵狀，敏感柵。金屬絲繞成柵狀，敏感柵。d=0.015=0.0150.05mm0.05mm。 作用：感應(yīng)變的變化大小。作用：感應(yīng)變的變化大小。 3 3）覆蓋層：）覆蓋層：作用，防潮、防蝕、防

4、損等。作用，防潮、防蝕、防損等。 4 4）引線：）引線：通常取直徑約為通常取直徑約為0.10.10.15mm0.15mm的低阻鍍錫銅線。的低阻鍍錫銅線。5.1.3 5.1.3 電阻電阻應(yīng)變特性應(yīng)變特性 由物理學(xué)可知，由物理學(xué)可知，一根金屬絲的電阻為：一根金屬絲的電阻為： 式中：式中：R R金屬絲的電阻；金屬絲的電阻；金屬絲的電阻率；金屬絲的電阻率；L L長度長度 F F截面積，截面積， 取一段金屬絲如下圖示，取一段金屬絲如下圖示，當(dāng)金屬絲受拉力當(dāng)金屬絲受拉力F F時(shí)，其時(shí)，其L L、F F、和和R R的變化分別為的變化分別為d dL L、d dF F、d d 和和d dR R。 FLR2rFx

5、xyyxdRdRrdrLdLrdrSdSrdrdSrSdSdSLdLRdRdSLdSSLdLSdR/21-22,22）（所以則徑向應(yīng)變軸向應(yīng)變則靈敏系數(shù)靈敏系數(shù) 金屬絲的靈敏系數(shù)金屬絲的靈敏系數(shù)KsKs 可寫成：可寫成： 電阻應(yīng)變片的靈敏系數(shù)電阻應(yīng)變片的靈敏系數(shù)K KxxdRdRKs/)21 (/xRRKs/sKK 應(yīng)變片的靈敏系數(shù)恒小于同一金屬絲的靈敏系數(shù)，原因是橫向效應(yīng)。應(yīng)變片的靈敏系數(shù)恒小于同一金屬絲的靈敏系數(shù)，原因是橫向效應(yīng)。 5.1.4 5.1.4 電阻應(yīng)變片的橫向效應(yīng)電阻應(yīng)變片的橫向效應(yīng) 將直的金屬絲繞成敏感柵后，雖然長度相同，但應(yīng)變片敏感柵的將直的金屬絲繞成敏感柵后，雖然長度相同

6、，但應(yīng)變片敏感柵的電阻變化較直的金屬絲小，從而其靈敏系數(shù)較直的金屬絲靈敏系數(shù)小電阻變化較直的金屬絲小，從而其靈敏系數(shù)較直的金屬絲靈敏系數(shù)小的現(xiàn)象。的現(xiàn)象。5.2 5.2 電阻應(yīng)變片的種類和主要參數(shù)電阻應(yīng)變片的種類和主要參數(shù)5.2.1 5.2.1 電阻應(yīng)變片的種類電阻應(yīng)變片的種類 1 1）絲式應(yīng)變片絲式應(yīng)變片 A A、回線式應(yīng)變片、回線式應(yīng)變片 B B、短接式應(yīng)變片、短接式應(yīng)變片 2 2）箔式應(yīng)變片箔式應(yīng)變片 3 3）薄膜應(yīng)變片）薄膜應(yīng)變片 4 4）半導(dǎo)體應(yīng)變片）半導(dǎo)體應(yīng)變片 n絲式應(yīng)變片絲式應(yīng)變片 回線式應(yīng)變片回線式應(yīng)變片 短接式應(yīng)變片短接式應(yīng)變片 n箔式應(yīng)變片箔式應(yīng)變片 利用光刻、腐蝕等工藝

7、制成一種很薄的金屬箔柵，利用光刻、腐蝕等工藝制成一種很薄的金屬箔柵，厚度一般在厚度一般在0.0030.0030.010mm0.010mm，粘貼在基片上，上面再，粘貼在基片上，上面再覆蓋一層薄膜而制成。其優(yōu)點(diǎn)是表面積和截面積之比覆蓋一層薄膜而制成。其優(yōu)點(diǎn)是表面積和截面積之比大，散熱條件好，允許通過的電流較大。大，散熱條件好，允許通過的電流較大。n薄膜應(yīng)變片薄膜應(yīng)變片 金屬薄膜應(yīng)變片是采用真空蒸鍍或?yàn)R射式陰極擴(kuò)金屬薄膜應(yīng)變片是采用真空蒸鍍或?yàn)R射式陰極擴(kuò)散等方法，在薄的基底材料上制成一層金屬電阻材料散等方法，在薄的基底材料上制成一層金屬電阻材料薄膜以形成應(yīng)變片。薄膜以形成應(yīng)變片。 這種應(yīng)變片有較高的

8、靈敏度系數(shù)，允許電流密度這種應(yīng)變片有較高的靈敏度系數(shù)，允許電流密度大，工作溫度范圍較廣。大，工作溫度范圍較廣。 n半導(dǎo)體應(yīng)變片半導(dǎo)體應(yīng)變片 半導(dǎo)體應(yīng)變片的工作原理是基于半導(dǎo)體材料的半導(dǎo)體應(yīng)變片的工作原理是基于半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)壓阻效應(yīng)而制成的一種純電阻性元件。而制成的一種純電阻性元件。壓阻效應(yīng)：壓阻效應(yīng)：當(dāng)半導(dǎo)體材料某一軸向受外力作用時(shí)，其電阻當(dāng)半導(dǎo)體材料某一軸向受外力作用時(shí)，其電阻率會(huì)發(fā)生變化。率會(huì)發(fā)生變化。ERRKEERRERRxBxxxx/)21 ()21 (數(shù)半導(dǎo)體應(yīng)變片的靈敏系半導(dǎo)體應(yīng)變片突出優(yōu)點(diǎn)：體積小、靈敏度高、頻率響應(yīng)范圍很寬。 缺點(diǎn)：溫度系數(shù)大、測量應(yīng)變時(shí)非線性較嚴(yán)重。各種

9、應(yīng)變片的特點(diǎn)各種應(yīng)變片的特點(diǎn) 絲繞式絲繞式 應(yīng)變片應(yīng)變片用耐用性不同合金材料繞制而成用耐用性不同合金材料繞制而成可適應(yīng)不同溫度，尤適高溫，但橫向效可適應(yīng)不同溫度，尤適高溫，但橫向效應(yīng)大，散熱差。應(yīng)大，散熱差。 短接式短接式 應(yīng)變片應(yīng)變片敏感柵軸向用高敏感柵軸向用高絲，橫向用低絲，橫向用低l絲材料組合而成絲材料組合而成橫向效應(yīng)小，可做成雙絲溫度白補(bǔ)償，橫向效應(yīng)小，可做成雙絲溫度白補(bǔ)償，適中、高溫，但適中、高溫，但N,lin低低 箔式箔式 應(yīng)變片應(yīng)變片敏感柵用厚敏感柵用厚310m的銅鎳合金的銅鎳合金箔光刻而成箔光刻而成尺寸小，品種多，靜、動(dòng)特性及散熱性尺寸小，品種多，靜、動(dòng)特性及散熱性均好。工藝復(fù)

10、雜，常用常溫。均好。工藝復(fù)雜，常用常溫。半 導(dǎo) 體 式半 導(dǎo) 體 式應(yīng)變片應(yīng)變片由單晶半導(dǎo)體徑切型，切條、光由單晶半導(dǎo)體徑切型，切條、光刻腐蝕成形再粘貼。刻腐蝕成形再粘貼。靈敏系數(shù)比金屬大靈敏系數(shù)比金屬大5080倍，動(dòng)特好；倍，動(dòng)特好；但溫度，時(shí)間穩(wěn)定性較差。但溫度，時(shí)間穩(wěn)定性較差。 特殊用途特殊用途=(25)105大應(yīng)變的應(yīng)變片、大應(yīng)變的應(yīng)變片、防水、防磁等應(yīng)變片。防水、防磁等應(yīng)變片。 5.2.2 5.2.2 電阻應(yīng)變片的參數(shù)電阻應(yīng)變片的參數(shù)1)應(yīng)變片電阻值（應(yīng)變片電阻值（R0 ）：）：有有60，120，350，600和和1000的各種阻值的各種阻值 ；2)2)絕緣電阻：絕緣電阻：即敏感柵與

11、基底間的電阻值，一般應(yīng)大即敏感柵與基底間的電阻值，一般應(yīng)大于于10101010 (1 (1萬萬M) M) ；3)3)靈敏系數(shù)靈敏系數(shù)K K： 要求要求K K大而穩(wěn)定大而穩(wěn)定 ；4)4)允許電流允許電流 ：電流一般為電流一般為25mA 25mA ；5)5)應(yīng)變極限應(yīng)變極限 ：測量最大的應(yīng)變值測量最大的應(yīng)變值 ；6)6)機(jī)械滯后、零漂和蠕變機(jī)械滯后、零漂和蠕變 。5.3 5.3 電阻應(yīng)變片的溫度誤差及其補(bǔ)償電阻應(yīng)變片的溫度誤差及其補(bǔ)償5.3.1 5.3.1 溫度誤差產(chǎn)生的原因溫度誤差產(chǎn)生的原因（1）應(yīng)變片電阻絲的電阻隨溫度變化）應(yīng)變片電阻絲的電阻隨溫度變化（2）電阻絲材料與被測試件材料線膨脹系數(shù)不

12、同。）電阻絲材料與被測試件材料線膨脹系數(shù)不同。計(jì)算舉例計(jì)算舉例例：例： 有一個(gè)電阻為有一個(gè)電阻為120，K=2的應(yīng)變片，粘貼在彈性極的應(yīng)變片，粘貼在彈性極限為限為400MN/m2，彈性模量為，彈性模量為200GN/m2的鋼件上，的鋼件上， 1）當(dāng)應(yīng)力等于彈性范圍的）當(dāng)應(yīng)力等于彈性范圍的1/10時(shí)；時(shí)； 2）如果應(yīng)變片材料為康銅絲（）如果應(yīng)變片材料為康銅絲（=2010-6/ ，膨，膨脹系數(shù)為脹系數(shù)為1210-6m/m，鋼膨脹系數(shù)為，鋼膨脹系數(shù)為1610-6m /m），溫度變化），溫度變化20； 試分別計(jì)算此應(yīng)變片的電阻變化。試分別計(jì)算此應(yīng)變片的電阻變化。1 1。橋路補(bǔ)償法。橋路補(bǔ)償法 5.3.2

13、5.3.2 溫度補(bǔ)償方法溫度補(bǔ)償方法 R R1 1：工作應(yīng)變片：工作應(yīng)變片，貼于試件上，貼于試件上R R2 2：補(bǔ)償應(yīng)變片：補(bǔ)償應(yīng)變片，貼于與試件，貼于與試件材料相同的補(bǔ)償塊上。工作中材料相同的補(bǔ)償塊上。工作中補(bǔ)償塊不承受應(yīng)變。補(bǔ)償塊不承受應(yīng)變。 2 2。應(yīng)變片自補(bǔ)償法。應(yīng)變片自補(bǔ)償法 a.a.選擇式自補(bǔ)償應(yīng)變片選擇式自補(bǔ)償應(yīng)變片 0)(tK絲試附加應(yīng)變?yōu)榱惝?dāng)溫度變化時(shí)，產(chǎn)生的溫度自補(bǔ)償條件：被測試件材料選定后，只要選擇合適的應(yīng)變片敏感柵材料，使被測試件材料選定后，只要選擇合適的應(yīng)變片敏感柵材料，使?jié)M足上滿足上式，就可實(shí)現(xiàn)溫度自補(bǔ)償。式，就可實(shí)現(xiàn)溫度自補(bǔ)償。缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：一種一種值的應(yīng)變片只能在

14、一種材料上使用，局限性較大。值的應(yīng)變片只能在一種材料上使用，局限性較大。 b. b.雙金屬敏感柵自補(bǔ)償應(yīng)變片雙金屬敏感柵自補(bǔ)償應(yīng)變片 制作應(yīng)變片時(shí)，敏感柵采用兩種不同溫度系數(shù)的金屬材料，一個(gè)為正，制作應(yīng)變片時(shí)，敏感柵采用兩種不同溫度系數(shù)的金屬材料，一個(gè)為正，一個(gè)為負(fù)，將二者串聯(lián)繞制，其產(chǎn)生的電阻將相互抵消。一個(gè)為負(fù)，將二者串聯(lián)繞制，其產(chǎn)生的電阻將相互抵消。5.4 5.4 電阻應(yīng)變式傳感器的信號(hào)調(diào)理電路電阻應(yīng)變式傳感器的信號(hào)調(diào)理電路5.45.4.1.1.測量電橋的工作原理測量電橋的工作原理1 1。直流電橋。直流電橋32410432132414332110LRRRR0UURRRRRRRRURRR-

15、RRRUR電橋平衡條件當(dāng)電橋平衡時(shí)，）（）（當(dāng)輸出端不接負(fù)載，即1) 單臂電橋單臂電橋 單臂電橋靈敏度最低，且存單臂電橋靈敏度最低，且存在非線性誤差在非線性誤差。RRUURR4110，電橋輸出電壓當(dāng)RR,RR,R14321111RRRRR工作時(shí)，2) 雙臂電橋雙臂電橋 雙臂電橋靈敏度提高一倍，雙臂電橋靈敏度提高一倍，且不存在非線性誤差且不存在非線性誤差。RRUU210電橋輸出電壓RRR,RR,R,R214321222111RRRRRRR工作時(shí)，3) 全橋全橋 全橋靈敏度最高，不存在非全橋靈敏度最高，不存在非線性誤差，且和雙臂電橋一線性誤差，且和雙臂電橋一樣能起到溫度補(bǔ)償作用樣能起到溫度補(bǔ)償作用

16、。URRU0電橋輸出電壓43214321444333222111RRRR,RR,R,R,R,RRRRRRRRRRRR工作時(shí)，2。交流電橋324132413241ZZZZzzzzzeZj由電橋平衡條件交流電橋橋臂組合：相鄰交流電橋橋臂組合：相鄰兩臂接入電阻，另外兩臂兩臂接入電阻，另外兩臂接入相同性質(zhì)的阻抗。接入相同性質(zhì)的阻抗。交流電橋的預(yù)調(diào)節(jié)平衡交流電橋的預(yù)調(diào)節(jié)平衡5.4.2 電阻應(yīng)變儀特點(diǎn)：靈敏度高、穩(wěn)定性好、測量簡便準(zhǔn)確、可作多點(diǎn)遠(yuǎn)距離測量。5.5 5.5 電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用傳感器使用時(shí)有兩種情況：u作為敏感元件，直接將應(yīng)變片粘貼在被測件上，測量應(yīng)力或應(yīng)變u作為傳感

17、元件，粘貼在彈性元件（敏感元件）上，測量力、位移、速度、加速度1。電阻應(yīng)變式力傳感器2。電阻應(yīng)變式壓力傳感器3。電阻應(yīng)變式加速度傳感器測量時(shí)，首先經(jīng)過質(zhì)量彈簧的慣性系統(tǒng)將測量時(shí)，首先經(jīng)過質(zhì)量彈簧的慣性系統(tǒng)將加速度轉(zhuǎn)換為力加速度轉(zhuǎn)換為力F=maF=ma，再作用在彈性元件，再作用在彈性元件上，而粘貼于彈性元件上的應(yīng)變片的電阻上，而粘貼于彈性元件上的應(yīng)變片的電阻值也產(chǎn)生相應(yīng)變化，從而通過測量應(yīng)變來值也產(chǎn)生相應(yīng)變化，從而通過測量應(yīng)變來測量加速度。測量加速度。5.6 5.6 壓阻式傳感器壓阻式傳感器即半導(dǎo)體應(yīng)變片式傳感器。特點(diǎn)：特點(diǎn)：|頻率響應(yīng)高；頻率響應(yīng)高；|體積小、重量輕；體積小、重量輕；|精度高精

18、度高|靈敏度高靈敏度高|工作可靠、耐振、耐沖擊。工作可靠、耐振、耐沖擊。5.7 5.7 本章小結(jié)本章小結(jié)1。電阻應(yīng)變式傳感器的工作原理。電阻應(yīng)變式傳感器的工作原理 重點(diǎn)理解重點(diǎn)理解“電阻應(yīng)變效應(yīng)電阻應(yīng)變效應(yīng)”。2 2。電阻應(yīng)變片的溫度誤差產(chǎn)生原因及其補(bǔ)償方法。電阻應(yīng)變片的溫度誤差產(chǎn)生原因及其補(bǔ)償方法 三種補(bǔ)償方法中重點(diǎn)掌握三種補(bǔ)償方法中重點(diǎn)掌握“電橋補(bǔ)償法電橋補(bǔ)償法”。 3 3。電阻應(yīng)變式傳感器的測量電橋工作原理、種類。電阻應(yīng)變式傳感器的測量電橋工作原理、種類 重點(diǎn)掌握三種電橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及靈敏度計(jì)算重點(diǎn)掌握三種電橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及靈敏度計(jì)算4 4。電阻應(yīng)變式傳感器的兩種應(yīng)用方式。電阻應(yīng)變式傳感器的兩種