傳感器-02應(yīng)變式傳感器

傳感器原理及應(yīng)用2013年4月22日PrinciplesandApplicationsofTransducer機械與汽車工程學(xué)院主講：黃海鴻電郵：allenhuanghaihong@163.com地址：機械樓417室1課前回顧網(wǎng)上申請樣片，例如：ADI，MAXIM，……2課前回顧v.s.傳統(tǒng)汽車智能汽車3課前回顧空心軸編碼器實心軸編碼器激光測距傳感器視覺傳感器磁柱磁傳感器4第二章應(yīng)變式傳感器電阻式傳感器電阻式傳感器的類別與特性電阻元件非電量電阻變化5第二章應(yīng)變式傳感器第一節(jié)金屬應(yīng)變片式傳感器金屬材料，應(yīng)變效應(yīng)第二節(jié)

壓阻式傳感器半導(dǎo)體材料，壓阻效應(yīng)6第二章應(yīng)變式傳感器用途：用于檢測物體機械形變的傳感器，從而測量物體所受的力。原理：應(yīng)變片（應(yīng)變計）的電阻體因外力作用產(chǎn)生變形，引起其電阻值變化。即：形變改變電阻值。詞匯：Straingauge7金屬應(yīng)變片式傳感器使用金屬應(yīng)變片，將被測試件上的應(yīng)變變化轉(zhuǎn)換成電阻值變化將應(yīng)變片用粘結(jié)劑粘貼在被測試件表面上通過測量電路將應(yīng)變片電阻值的變化轉(zhuǎn)換成電壓（或電流）信號輸出金屬應(yīng)變片的類型金屬絲式金屬箔式第二章應(yīng)變式傳感器8應(yīng)變式電阻傳感器

應(yīng)變式電阻傳感器作為測力的主要傳感器，測力范圍小到肌肉纖維，大到登月火箭，精確度可到0.01—0.1%。有拉壓式（柱、筒、環(huán)元件）、彎曲式、剪切式。應(yīng)變式傳感器特征：材料類型：金屬應(yīng)變片、半導(dǎo)體應(yīng)變片

應(yīng)用范圍：應(yīng)變力、壓力、轉(zhuǎn)矩、位移、加速度主要優(yōu)點：使用簡單、精度高、范圍大、體積小第二章應(yīng)變式傳感器電阻應(yīng)變片的發(fā)展歷史1856年，W.Thomoson發(fā)現(xiàn)金屬絲的應(yīng)變效應(yīng)，并用惠斯通電橋精確測量電阻的變化。1938年，E.Simmons和A.Ruge制成紙基絲繞式應(yīng)變片。1953年，P.Jackson用光刻技術(shù)制成箔式應(yīng)變片。1954年，C.Smith發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)。1957年，W.Mason研制出半導(dǎo)體應(yīng)變片。第二章應(yīng)變式傳感器102.1.1金屬絲式應(yīng)變片金屬絲電阻的相對變化與金屬絲的伸縮之間存在比例關(guān)系應(yīng)變效應(yīng)應(yīng)力：力/受力面積，例如：+F/A應(yīng)變：長度變化/未加應(yīng)力時原長彈性（楊氏）模量：E=應(yīng)力/應(yīng)變電阻值的相對變化：

ΔR/R=Ks

?式中，Ks為金屬絲的應(yīng)變靈敏系數(shù)，實驗證明Ks為常數(shù)。

受力導(dǎo)致形變，軸向應(yīng)變，彈性形變，彈性元件112.1.1金屬絲式應(yīng)變片12幾個關(guān)鍵公式2.1.1金屬絲式應(yīng)變片132.1.1金屬絲式應(yīng)變片結(jié)構(gòu)組成敏感柵：由金屬細(xì)絲繞成柵形，實現(xiàn)應(yīng)變-電阻轉(zhuǎn)換的敏感元件基底和蓋片：保持敏感柵、引線的幾何形狀和相對位置引線：從敏感柵中引出的細(xì)金屬線粘結(jié)劑：將敏感柵固定于基底上142.1.1金屬絲式應(yīng)變片主要特性靈敏度系數(shù)（標(biāo)稱靈敏系數(shù)）K，K<

Ks橫向效應(yīng)，圓弧過渡部分使靈敏系數(shù)K下降機械滯后零點漂移和蠕變應(yīng)變極限動態(tài)特性溫度誤差及補償由于絲式應(yīng)變片的靈敏系數(shù)較小，多采用箔式應(yīng)變片。應(yīng)變計的長度要長、橫柵要小。測量結(jié)果表明，應(yīng)變片的靈敏系數(shù)一般小于敏感材料的靈敏度系數(shù)。一、電阻應(yīng)變片的靈敏系數(shù)主要影響因素：敏感柵結(jié)構(gòu)形狀、成型工藝、粘結(jié)劑和基底性能，特別是橫向效應(yīng)。被測體應(yīng)變片ＦＦ標(biāo)稱靈敏系數(shù)：靈敏系數(shù)值通常采用從批量生產(chǎn)中每批抽樣，在規(guī)定條件下，通過實測來確定，應(yīng)變片的靈敏系數(shù)稱為標(biāo)稱靈敏系數(shù)。應(yīng)變片的靈敏系數(shù)直接關(guān)系到應(yīng)變測量的精度。2.1.1金屬絲式應(yīng)變片16應(yīng)變片敏感柵的兩端為半圓弧形的橫柵，測量應(yīng)變時，構(gòu)件的軸向應(yīng)變使敏感柵電阻發(fā)生變化，而其橫向應(yīng)變也使敏感柵半圓弧部分的電阻發(fā)生變化。

應(yīng)變片的這種既受軸向應(yīng)變影響，又受橫向應(yīng)變影響而引起電阻變化的現(xiàn)象稱為橫向效應(yīng)。

直線電阻絲繞成敏感柵后，雖然長度相同，但應(yīng)變不同，園弧部分使靈敏系數(shù)K↓下降，這種現(xiàn)象稱為橫向效應(yīng)。二、電阻應(yīng)變片的橫向效應(yīng)2.1.1金屬絲式應(yīng)變片17機械滯后產(chǎn)生原因：（1）應(yīng)變片在承受機械應(yīng)變后的殘余變形，使敏感柵電阻發(fā)生少量不可逆變化；（2）在制造或粘貼應(yīng)變片時，敏感柵受到的不適當(dāng)?shù)淖冃位蛘辰Y(jié)劑固化不充分等。應(yīng)變片粘貼在被測試件上，當(dāng)溫度恒定時，其加載特性與卸載特性不重合，即為機械滯后。三、電阻應(yīng)變片的機械滯后應(yīng)變片的機械滯后ΔεΔε1機械應(yīng)變εR卸載加載指示應(yīng)變εi還與應(yīng)變片所承受的應(yīng)變量有關(guān)，加載時的應(yīng)變愈大，卸載時的滯后也愈大。通常在實驗之前預(yù)先加、卸載若干次，以減少因機械滯后誤差。2.1.1金屬絲式應(yīng)變片零點漂移對于粘貼好的應(yīng)變片，當(dāng)溫度恒定時，不承受應(yīng)變時，其電阻值隨時間增加而變化的特性，稱為應(yīng)變片的零點漂移。零點漂移產(chǎn)生的原因：敏感柵通電后的溫度效應(yīng)；應(yīng)變片的內(nèi)應(yīng)力逐漸變化；粘結(jié)劑固化不充分等。

蠕變在一定溫度下應(yīng)變片承受恒定的機械應(yīng)變時，電阻值隨時間增加而變化的特性稱為蠕變。一般蠕變的方向與原應(yīng)變量的方向相反。蠕變產(chǎn)生的原因：膠層之間發(fā)生“滑動”，使力傳到敏感柵的應(yīng)變量逐漸減少。四、電阻應(yīng)變片的機械滯后、零漂及蠕變2.1.1金屬絲式應(yīng)變片19靈敏系數(shù)為常數(shù)，這種情況只能在一定的應(yīng)變范圍內(nèi)才能保持，當(dāng)試件表面的應(yīng)變超過某一數(shù)值時，它們之間的比例關(guān)系不再成立。應(yīng)變極限：在一定溫度下，應(yīng)變片的指示應(yīng)變對測試值的真實應(yīng)變的相對誤差不超過規(guī)定范圍（一般為10%）時的最大真實應(yīng)變值。應(yīng)變片的應(yīng)變極限εj真實應(yīng)變εg指示應(yīng)變εi100%90%五、電阻應(yīng)變片的應(yīng)變極限真實應(yīng)變：因工作溫度變化或承受機械載荷，在被測試件內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)力時所引起的表面應(yīng)變。2.1.1金屬絲式應(yīng)變片201、電阻值

應(yīng)變片的電阻值是指應(yīng)變片沒有粘貼且未受應(yīng)變時，在室溫下測定的電阻值，即初始電阻值。金屬電阻應(yīng)變片的電阻值已標(biāo)準(zhǔn)化，有一定的系列，如60Ω、120Ω、250Ω、350Ω和1000Ω，其中以120Ω最為常用。六、電阻應(yīng)變片的電阻值、絕緣電阻和最大工作電流2、絕緣電阻應(yīng)變片絕緣電阻是指已粘貼的應(yīng)變片的引線與被測件之間的電阻值Rm。通常要求Rm在50~100MΩ以上。2.1.1金屬絲式應(yīng)變片21六、電阻應(yīng)變片的電阻值、絕緣電阻和最大工作電流2、絕緣電阻絕緣電阻下降使測量系統(tǒng)的靈敏度降低。Rm取決于粘結(jié)劑及基底材料的種類及固化工藝。在常溫使用條件下要采取必要的防潮措施；在中溫或高溫條件下要選取絕緣性好的粘結(jié)劑和基底材料。3、最大工作電流

應(yīng)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，輸出信號大，靈敏度高。但工作電流過大會使應(yīng)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(yīng)變片。工作電流的選取要根據(jù)試件的導(dǎo)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。測量材料散熱好，可取大一些；導(dǎo)熱性差，可取小一些。2.1.1金屬絲式應(yīng)變片22補償方法：單絲自補償應(yīng)變片、雙絲組合式自補償應(yīng)變片、電路補償法

用作測量的應(yīng)變片，希望阻值僅隨應(yīng)變變化，而不受其它因素的影響。實際上應(yīng)變片的阻值受環(huán)境溫度(包括被測試件的溫度)影響很大。

環(huán)境溫度變化引起的電阻變化與試件應(yīng)變所造成的電阻變化幾乎有相同的數(shù)量級，產(chǎn)生很大的測量誤差，稱為應(yīng)變片的溫度誤差，又稱熱輸出。因環(huán)境溫度改變而引起電阻變化的兩個主要因素：（1）應(yīng)變片的敏感柵具有一定溫度系數(shù)；（2）應(yīng)變片材料與測試材料的線膨脹系數(shù)不同。設(shè)環(huán)境溫度變化為Δt（℃）時，應(yīng)變片敏感柵材料的電阻溫度系數(shù)為αt，則應(yīng)變片產(chǎn)生的電阻相對變化為七、電阻應(yīng)變片的溫度誤差及補償

1、溫度誤差2.1.1金屬絲式應(yīng)變片23測量電路–直流電橋電橋平衡條件當(dāng)電橋平衡時，Uo=0，則有R1R4=R2R3或電壓靈敏度？？？當(dāng)E值確定后，n取何值時才能使KU最高？2.1.1金屬絲式應(yīng)變片24分析：思路：dKU/dn=0求KU的最大值求得n=1時，KU為最大值。即在供橋電壓確定后，當(dāng)R1=R2=R3=R4時，電橋電壓靈敏度最高，此時有結(jié)論：當(dāng)電源電壓E和電阻相對變化量ΔR1/R1一定時，電橋的輸出電壓及其靈敏度也是定值，且與各橋臂電阻阻值大小無關(guān)。2.1.1金屬絲式應(yīng)變片25差動電橋2.1.1金屬絲式應(yīng)變片溫度誤差的電路補償法測量應(yīng)變時，使用兩個應(yīng)變片，一片貼在被測試件的表面,稱為工作應(yīng)變片R1

；一片貼在與被測試件材料相同的補償塊上，稱為補償應(yīng)變片R2。在工作過程中，補償塊不承受應(yīng)變，僅隨溫度發(fā)生變形。R1R2補償塊試件2.1.1金屬絲式應(yīng)變片27當(dāng)被測試件不承受應(yīng)變時，R1與R2接入電橋相鄰臂上，R1和R2處于同一溫度場，調(diào)整電橋參數(shù)，可使電橋輸出電壓為零，即R4ER2R1R3橋路補償法U0當(dāng)溫度升高或降低Δt時，選擇R1=R2=R及R3=R4=r，若ΔR1t=ΔR2t，即兩個應(yīng)變片的熱輸出相等，則電橋的輸出電壓為2.1.1金屬絲式應(yīng)變片電路補償法28當(dāng)被測試件受應(yīng)變作用時，工作片R1感受應(yīng)變，阻值變化ΔR1；而補償片R2不承受應(yīng)變，阻值不變。這時電橋輸出電壓為R4ER2R1R3橋路補償法U0電橋輸出電壓U0，

只與應(yīng)變ε有關(guān)，與溫度無關(guān)。優(yōu)點：簡單易行，可在較大溫度范圍內(nèi)補償。缺點：條件不易滿足；尤其在溫度場梯度大的測試條件下很難處于相同溫度點。2.1.1金屬絲式應(yīng)變片電路補償法29根據(jù)被測試件承受應(yīng)變的情況，有時也可不另加專門的補償塊，補償片直接貼在被測試件上。這樣既能起到溫度補償作用，又能提高輸出的靈敏度。

梁受彎曲應(yīng)變時，應(yīng)變片R1和R2的變形方向相反，上面受拉，下面受壓，應(yīng)變絕對值相等，符號相反，可使輸出電壓增加一倍。當(dāng)溫度變化時，兩應(yīng)變片阻值變化的符號相同，大小相等，電橋不產(chǎn)生輸出，達(dá)到了補償?shù)哪康摹1R2F構(gòu)件受彎曲應(yīng)力構(gòu)件受單向應(yīng)力FFR1R2構(gòu)件受單向應(yīng)力時，工作片R2的軸線順著應(yīng)變方向，補償片R1的軸線和應(yīng)變方向垂直。2.1.1金屬絲式應(yīng)變片電路補償法302.1.2金屬箔式應(yīng)變片電阻敏感元件通過光刻、腐蝕等工序制成的薄金屬箔柵箔式應(yīng)變計的參數(shù)：1．陣列寬度；2．柵陣列寬度；3．陣列長度(基底)；4．端環(huán)；5．有效柵陣列長度；6．應(yīng)變計總長；7．對位標(biāo)記。312.1.3應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器組成彈性敏感元件：將被測物理量轉(zhuǎn)換為彈性體的應(yīng)變值應(yīng)變片外殼，等根據(jù)用途進行分類測力（荷重）：柱（筒）式、梁式、輪輻式測壓力：膜片式、筒式、組合式加速度傳感器彈性元件的結(jié)構(gòu)不同應(yīng)變片多為一次性使用322.1.3應(yīng)變式傳感器根據(jù)使用方式分類作為敏感元件，直接用于被測試件的應(yīng)變測量作為轉(zhuǎn)換元件，通過彈性元件構(gòu)成傳感器，用以對任何能轉(zhuǎn)變成彈性元件應(yīng)變的其它物理量作簡接測量332.1.3應(yīng)變式傳感器測力稱重（荷重），例如：電子秤概念：被測物理量為荷重或力的應(yīng)變式傳感器時，統(tǒng)稱為應(yīng)變式力傳感器。用途：各種電子稱與材料試驗機的測力元件、發(fā)動機的推力測試、水壩壩體承載狀況監(jiān)測等。特點：應(yīng)變式力傳感器要求有較高的靈敏度和穩(wěn)定性，在受到側(cè)向作用力或力的作用點少量變化時，不應(yīng)對輸出有明顯的影響。常見種類：1、柱（筒）式力傳感器2、環(huán)式力傳感器3、懸臂梁式力傳感器F342.1.3應(yīng)變式傳感器測力柱（筒）式力傳感器縱向貼片：減小載荷偏心，橫向貼片：溫度補償。柱筒式力傳感器，應(yīng)變片粘貼在彈性體外壁應(yīng)力分布均勻的中間部分。應(yīng)變片對稱地粘貼多片，電橋接線時考慮盡量減小載荷偏心和彎矩影響。橫向貼片可提高靈敏度并作溫度補償用。柱（筒）式力傳感器F-ε2+ε1面積SF實心圓柱F面積S-ε1+ε2空心圓柱FR6R7R8R2R3R4R5R1圓柱面展開圖u0U0R1R3R5R7R6R8R2R4橋路連接2.1.3應(yīng)變式傳感器362.1.3應(yīng)變式傳感器梁式力傳感器使用差動全橋電路：改善非線性誤差，提高輸出靈敏度，進行溫度補償。平行雙孔梁工字梁S型梁2.1.3應(yīng)變式傳感器梁式力傳感器其他形式梁懸臂梁式力傳感器電子天平的精度可達(dá)十萬分之一電子天平吊鉤秤2.1.3應(yīng)變式傳感器392.1.3應(yīng)變式傳感器測扭矩應(yīng)變片在圓周均布，與軸線成±45°夾角，測量軸剪切力。402.1.3應(yīng)變式傳感器扭矩傳感器的應(yīng)用自動擰緊機

認(rèn)帽 高速擰緊 低速擰緊412.1.3應(yīng)變式傳感器扭矩傳感器的應(yīng)用汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS）在彈性軸上粘貼應(yīng)變片組成測量電橋，當(dāng)彈性軸受扭矩產(chǎn)生微小變形后引起電橋電阻值變化，應(yīng)變電橋電阻的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柕淖兓?，從而實現(xiàn)扭矩測量。電子控制單元422.1.3應(yīng)變式傳感器六維腕力傳感器分別由三個方向的力、力矩組成SCARA機器人ATI公司的腕力傳感器F/TDAQ

432.1.3應(yīng)變式傳感器六維腕力傳感器：放置物體和自動裝配圓底端物體放置、圓軸孔裝配442.1.3應(yīng)變式傳感器六維腕力傳感器：抓持物體提供力覺臨場感裝有力傳感器的機器人手爪452.1.3應(yīng)變式傳感器測流體（液體、氣體）壓力膜片式：在壓力的作用下，膜片產(chǎn)生徑向、切向應(yīng)變筒式：筒體內(nèi)壁因壓力發(fā)生形變，使應(yīng)變片產(chǎn)生應(yīng)變組合式：不是采用粘貼方式，而是通過將感壓元件的位移傳遞到貼有應(yīng)變片的其他彈性元件上用途測量管道內(nèi)部壓力，內(nèi)燃機燃?xì)獾膲毫?，壓差和噴射壓力，發(fā)動機和導(dǎo)彈試驗中的脈動壓力，以及各種領(lǐng)域中的流體壓力等測大壓力462.1.3應(yīng)變式傳感器測流體壓力膜片式壓力傳感器：膜片兩邊存在壓力差時，膜片產(chǎn)生變形，膜片上各點產(chǎn)生應(yīng)力。輸出電壓與膜片兩邊的壓力差成正比。膜片式壓力傳感器的圓箔式應(yīng)變片膜片式壓力傳感器原理472.1.3應(yīng)變式傳感器測液位將壓力敏感元件裝入不銹鋼殼體內(nèi)，殼體端部的鋼帽保護壓力敏感元件感壓膜片，并使流體接觸到感壓膜片。感壓膜傳壓桿電阻應(yīng)變敏感元件微壓傳感器482.1.3應(yīng)變式傳感器加速度傳感器由端部固定并帶有慣性質(zhì)量塊m的懸臂梁及貼在梁根部的應(yīng)變片、基座和外殼等組成，是一種慣性測量元件（InertialMeasurementUnit,IMU）。測量時，根據(jù)振動體加速度的方向，把傳感器固定在被測部位。懸臂梁自由端受慣性力F=ma，質(zhì)量塊向相反方向運動，使梁發(fā)生彎曲變形。輸出量與加速度成正比。1懸臂梁；2應(yīng)變片；3質(zhì)量塊；4殼體；5引線；6運動方向4492.1.3應(yīng)變式傳感器加速度傳感器的應(yīng)用測量物體的傾斜角度（要求物體無運動加速度）測量物體的振動，例如：筆記本、硬盤、相機……實驗過程：ADI公司雙軸加速度計502.1.3應(yīng)變式傳感器加速度傳感器數(shù)據(jù)分析某一方向的振動引起輸出值明顯變化，輸出值不再表示傾角，如y方向測量適合測低頻振動頻率范圍在10~60Hz無振動時，加速度計可以較精確測量傾斜角度，如x方向傾角512.2壓阻式傳感器壓阻效應(yīng)半導(dǎo)體材料在受到應(yīng)力作用后，其電阻率發(fā)生明顯變化在外力作用下，原子點陣排列發(fā)生變化，導(dǎo)致載流子遷移率及濃度發(fā)生變化壓阻式傳感器由單晶半導(dǎo)體經(jīng)切型、切條、光刻腐蝕成形，然后粘貼在薄的絕緣基片，最后再加上保護層常用半