2電阻式傳感器-傳感器課件

第2章電阻應(yīng)變式傳感器2.1應(yīng)變片的工作原理2.2電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)2.3應(yīng)變片的溫度誤差及其補(bǔ)償2.4電阻應(yīng)變片的測量電路2.5電阻應(yīng)變式傳感器7/23/202311:48PM12.1應(yīng)變片的工作原理基于材料的電阻應(yīng)變效應(yīng)導(dǎo)體幾何尺寸變化電阻率變化廣泛應(yīng)用于:力、壓力、微位移、加速度及相關(guān)量的測量優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定靈敏度高、精度高適應(yīng)靜、動態(tài)測量便于遙測7/23/202322.1應(yīng)變片的工作原理2.1.1電阻應(yīng)變效應(yīng)金屬導(dǎo)體幾何變形時其電阻值發(fā)生變化原始長度l原始半徑r初始電阻R電阻率ρ截面積S受力F作用：伸長量dl半徑減小dr,電阻率ρ變化dρ電阻變化dR7/23/202332.1應(yīng)變片的工作原理2.1.1電阻應(yīng)變效應(yīng)軸向應(yīng)變泊松比μ壓阻效應(yīng)系數(shù)π，彈性模量E：壓阻效應(yīng)幾何效應(yīng)7/23/20234應(yīng)變片材料靈敏度系數(shù)在彈性范圍內(nèi),電阻相對變化量與應(yīng)變成正比直接測應(yīng)變、應(yīng)力因πE無解析式，k0只能由試驗(yàn)測得2.1應(yīng)變片的工作原理2.1.1電阻應(yīng)變效應(yīng)7/23/20235應(yīng)變片材料靈敏度由兩部分構(gòu)成根據(jù)材料的性質(zhì)分2類：（1）金屬絲應(yīng)變片金屬材料幾何效應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于壓阻效應(yīng)2.1應(yīng)變片的工作原理2.1.2應(yīng)變片的分類特點(diǎn)：線性好、精度高、性能穩(wěn)定靈敏度低，一般k0<3轉(zhuǎn)換原理：基于幾何效應(yīng)7/23/20236（2）半導(dǎo)體絲應(yīng)變片半導(dǎo)體材料壓阻效應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于幾何效應(yīng)2.1應(yīng)變片的工作原理2.1.2應(yīng)變片的分類特點(diǎn)：靈敏度高，是金屬應(yīng)變片的幾十倍；制造簡單、尺寸小；溫度穩(wěn)定性差、互換性差.轉(zhuǎn)換原理：基于壓阻效應(yīng)7/23/202372.2應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)應(yīng)變片結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)變膠基片金屬絲覆蓋層引線貼片過程試件處理—粘貼應(yīng)變片——固化處理破壞式測量。7/23/202382.2應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)應(yīng)變絲的形式結(jié)構(gòu)金屬應(yīng)變片絲式箔式應(yīng)變花半導(dǎo)體應(yīng)變片單根狀絲材料康銅、銅鎳合金、貴金屬等、直徑約25μm鍺硅半導(dǎo)體材料厚1-10μm，半導(dǎo)體蒸涂、沉積工藝Si片電阻箔材料厚1-10μm，照相、光刻工藝、薄膜工藝7/23/202392.2應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)應(yīng)變片的主要參數(shù)敏感柵尺寸：l×b阻值R0：未安裝時室溫阻值60Ω、120Ω、350Ω、600Ω、1000Ω靈敏度系數(shù)：標(biāo)稱靈敏度：說明書所注；實(shí)際靈敏度系數(shù)：安裝條件下、軸向單向應(yīng)力作用下的靈敏度試驗(yàn)標(biāo)定絕緣電阻：>1010Ω允許電流靜態(tài)25mA；動態(tài)75－100mAlb7/23/2023102.3應(yīng)變片的溫度誤差及其補(bǔ)償誤差對應(yīng)變測量精度的影響力試件彈性變形應(yīng)變波傳遞應(yīng)變片變形應(yīng)變片電阻變化溫度變化①熱變形②應(yīng)變片與試件變形量不同應(yīng)變片附加變形——應(yīng)變片電阻變化(溫度誤差)7/23/2023112.3.1溫度誤差產(chǎn)生的原因(1)溫度引起應(yīng)變片電阻變化應(yīng)變片初始阻值R0Ω、溫度變化Δt℃

、應(yīng)變材料的電阻溫度系數(shù)αt(%/℃)；應(yīng)變片靈敏度k.電阻Rt與溫度的關(guān)系：折合成附加應(yīng)變附加應(yīng)變與溫度變化及電阻溫度系數(shù)成正比7/23/2023122.3.1溫度誤差產(chǎn)生的原因(2)試件與應(yīng)變片線膨脹系數(shù)不同試件線脹系數(shù)αg、熱膨脹量Δlg

、溫升Δt

；應(yīng)變絲線脹系數(shù)αs、熱膨脹量Δls

、溫升Δt

；則，相同長度l0的試件與應(yīng)變絲熱膨脹量為：應(yīng)變絲與試件的相對伸長量Δlt：折合成附加應(yīng)變附加應(yīng)變與溫升及線脹系數(shù)的差系數(shù)成正比7/23/2023132.3.1溫度誤差產(chǎn)生的原因溫度引起應(yīng)變片的附加應(yīng)變以上兩項(xiàng)附加應(yīng)變之和

附加應(yīng)變引入測量誤差；附加應(yīng)變與溫度變化、應(yīng)變絲及試件的性能參數(shù)有關(guān)；溫度變化還會改變粘合劑傳遞應(yīng)變的性能。應(yīng)變測量時必須消除溫度誤差。橋路補(bǔ)償，應(yīng)變片自補(bǔ)償、敏感柵自補(bǔ)償、熱敏電阻補(bǔ)償7/23/2023142.3.2溫度誤差的補(bǔ)償(1)橋路補(bǔ)償(下節(jié))(2)應(yīng)變片自補(bǔ)償合理選擇應(yīng)變片及試件的性能參數(shù)使附加應(yīng)變恒等于0：可以實(shí)現(xiàn)溫度誤差自補(bǔ)償。方法簡單，但有時不易實(shí)現(xiàn)。7/23/2023152.3.2溫度誤差的補(bǔ)償(3)雙金屬敏感柵自補(bǔ)償也叫組合式自補(bǔ)償應(yīng)變片只能補(bǔ)償應(yīng)變片電阻溫度系數(shù)引起的溫度誤差，不能補(bǔ)償敏感柵與試件熱膨脹引起的附加應(yīng)變；

方法：敏感柵由兩種應(yīng)變絲材料串聯(lián)而成。溫度變化時電阻變化一正一負(fù)，當(dāng)兩種應(yīng)變絲長度合適時，溫度誤差對消。焊點(diǎn)7/23/2023162.3.2溫度誤差的補(bǔ)償(4)熱敏電阻補(bǔ)償法測量電橋串聯(lián)熱敏電阻；輸入電壓為常數(shù)。溫度上升時，應(yīng)變片阻值增加，電橋等效電阻變大，輸出電壓減??；溫升時，使熱敏電阻阻值減??；供橋電壓增加，輸出電壓適當(dāng)增加；溫度誤差被熱敏電阻補(bǔ)償。應(yīng)變片、熱敏電阻、R5選擇適當(dāng)即可。R1R2R3R4UiU0RTR57/23/202317測量電路的作用：電阻變化量電壓放大輸出數(shù)據(jù)采集；溫度誤差自動補(bǔ)償；非線性誤差補(bǔ)償；盡量提高測量的靈敏度。電路類型電橋交流/直流電橋平衡/不平衡電橋電橋2.4電阻應(yīng)變片的測量電路放大器振蕩器檢波器濾波器電源7/23/2023182.4.1

直流電橋供橋電壓U，電橋輸出U0四個臂應(yīng)變片阻值R1~R4

電橋平衡條件：電橋輸出：R1＋R2－R3－R4＋U0Ui7/23/2023192.4.1

直流電橋初始狀態(tài)電橋平衡，輸出U0＝0電橋不平衡時，輸出U0≠0將阻值、電阻變化量代入，得當(dāng)時電橋和差運(yùn)算的特性：相對臂電阻變化量相加;相鄰臂電阻變化量相減;R1＋R2－R3－R4＋U0Ui7/23/2023202.4.1

直流電橋代入稱單位電阻變化量引起的輸出電壓:

為電橋靈敏度電橋輸出與應(yīng)變片電阻相對變化量成正比；電橋輸出與供橋電壓成正比；根據(jù)布片方式電橋分為全橋、雙臂半橋、單臂半橋。R1＋R2－R3－R4＋U0Ui7/23/2023212.4.1

直流電橋(1)全橋電橋的四個臂均為應(yīng)變片布片符合電橋和差準(zhǔn)則特點(diǎn)：線性靈敏度Su最大溫度誤差自補(bǔ)償測量精度受電源電壓波動影響↑靈敏度方法：↑k，↑Ui(受允許電流限制)R1＋R2－R3－R4＋U0Ui7/23/2023222.4.1

直流電橋(2)雙臂半橋R1/R2為應(yīng)變片,R3/R4固定電阻ΔR1=-ΔR2,特點(diǎn)：線性;靈敏度為全橋的一半;溫度誤差自補(bǔ)償;■測量精度受電源電壓波動影響.R1＋R2－R3R4U0Ui7/23/2023232.4.1

直流電橋(3)半橋單臂R1為應(yīng)變片，R1＝R+ΔRR2=R3=R4=R:固定電阻非線性誤差：U0’R1＋R2R3R4U0Ui金屬應(yīng)變片：當(dāng)k＝2、ε＝5000με時,γ＝0.5％半導(dǎo)體應(yīng)變片：當(dāng)k＝100、ε＝1000με時,γ＝5％7/23/2023242.4.1

直流電橋(3)半橋單臂特點(diǎn)：非線性靈敏度為全橋的四分之一溫度誤差不能自動補(bǔ)償溫度誤差補(bǔ)償——設(shè)置補(bǔ)償應(yīng)變片補(bǔ)償片與工作片型號、批次相同補(bǔ)償片不受力溫度相同或相近（困難）R1＋R2R3R4U0U7/23/2023252.4.1

直流電橋三種電橋性能比較

指標(biāo)橋類靈敏度線性溫度誤差自補(bǔ)償須設(shè)置補(bǔ)償片？全橋4√√否雙臂半橋2√√否單臂板橋1XX是提高靈敏度的措施：選擇合適的電橋及貼片方式；提高供橋電壓：1～3V允許電流<25mA。7/23/2023262.4.2

恒流源電橋電壓源電橋的缺點(diǎn)精度受電源電壓波動影響測量靈敏度隨之變化恒流源電橋供橋電流恒定，電橋靈敏度穩(wěn)定R1＋R2－R3－R4＋U0UiI1I2I7/23/2023272.4.2

恒流源電橋代入電橋輸出：電橋靈敏度：靈敏度為常數(shù)用于精密測量或半導(dǎo)體應(yīng)變片I1I2IR1＋R2－R3－R4＋U07/23/2023282.4.3交流電橋供橋電壓交流U電橋輸出交流U0接橋與貼片方式同直流電橋全橋、雙臂半橋、單臂半橋

特點(diǎn)：直流隔離，易于高倍數(shù)放大；輸出只能反映應(yīng)變的大小，不能反映方向須采用相敏檢波電路多用于電阻應(yīng)變儀R1＋R2－R3－R4＋U0Ui7/23/2023292.4.3交流電橋供橋電壓頻率待測信號頻率的6～10倍一般400～2000HzR1~R4為固定電阻或應(yīng)變片C1～C2為導(dǎo)線分布電容各臂阻抗：7/23/2023302.4.3交流電橋由直流電橋輸出推廣：平衡條件7/23/2023312.4.3交流電橋交流電橋平衡條件：電阻平衡(阻抗平衡)電容平衡(相角平衡)當(dāng)時7/23/202332串聯(lián)法并聯(lián)法差動法阻容法交流電橋的平衡方法C7/23/2023332.5電阻式傳感器舉例測量對象：力、應(yīng)變相關(guān)量：彎矩、扭矩、壓力；加速度、溫度測量方式：構(gòu)件應(yīng)力應(yīng)變測量：構(gòu)件清洗、打磨拋光、貼片接橋、電路放大、數(shù)采相關(guān)量測量：相關(guān)量——彈性元件——彈性變形——應(yīng)變片——電橋應(yīng)變式傳感器7/23/2023342.5電阻應(yīng)變式傳感器彈性元件：彈性元件在傳感器中充當(dāng)敏感元件應(yīng)變片在傳感器中充當(dāng)傳感元件彈性特性：在彈性極限范圍內(nèi)有力作用時，機(jī)械部件產(chǎn)生變形；力去除后，變形完全恢復(fù)；變形與力成線性關(guān)系.彈性元件形式：圓柱式、懸臂梁式、膜片式、波紋管式……7/23/2023352.5.1圓柱(筒)式力傳感器實(shí)心、空心貼片(圓周展開)接橋柱式筒式7/23/2023362.5.1圓柱(筒)式力傳感器受拉時：橋臂電阻：電橋輸出：靈敏度：貼片(圓周展開)接橋可測出拉力7/23/2023372.5.1圓柱(筒)式力傳感器載荷偏心例如：力作用于R1、R3所在的軸截面上?；驈澗貢r：橋臂電阻：電橋輸出：測量精度與載荷作用點(diǎn)無關(guān)溫度誤差自動補(bǔ)償接橋可消除偏心和彎曲影響貼片(圓周展開)7/23/2023382.5.2環(huán)式力傳感器彈性薄臂圓環(huán)橋臂初值：電橋輸出：線性、溫度誤差補(bǔ)償、靈敏度高可測出壓力R2R4R1R3FR1R2R3R4UiU07/23/2023392.5.3懸臂式力傳感器彈性懸臂梁接橋性能同彈性圓環(huán)等強(qiáng)度梁力FR1(R4)R2(R3)R4(R3)R1(R2)矩形梁力FR1(R4)R2(R3)R4(R3)R1(R2)7/23/2023402.5.4彈性薄膜式力傳感器彈性膜片切相應(yīng)力恒正；徑向應(yīng)力有正有負(fù)X=0.635r處為零貼片：R1、R4徑向應(yīng)力＝0，切相很小R2、R3切向應(yīng)力接近最大全橋連接，補(bǔ)償溫度誤差也可在中心貼垂直應(yīng)變花R1R2R3R4R1R2R3R47/23/202341LC0804應(yīng)變加速度傳感器

質(zhì)量懸臂梁應(yīng)變片補(bǔ)償片×2保護(hù)塊2.5.5電阻應(yīng)變式力傳感器舉例型號輸出電源VDC量程MPa安裝方式（一）安裝方式（二）LC09011-2mv/V.FS121,2,5,10,20,50,100,2002英寸由任接頭法蘭盤安裝M12×1

M14×1

M20×1.5

螺紋安裝LC09020-5V±6～±24LC09034-20mALC09040-10KHZLC09系列應(yīng)變壓力傳感器

CYB系列壓差傳感器7/23/202342本章習(xí)題P43:5,6,71.何謂電阻應(yīng)變效應(yīng)?簡述電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)以及構(gòu)件應(yīng)力測量的過程.2.什么是應(yīng)變片的靈敏度系數(shù)?它與應(yīng)變絲的靈敏度系數(shù)有何不同?為什么?3.金屬應(yīng)變片與半導(dǎo)體應(yīng)變片的工作原理有何區(qū)別?兩種應(yīng)變片各有和特點(diǎn)?4.簡述產(chǎn)生應(yīng)變測量的溫度誤差的原因及其補(bǔ)償方法?5.從線性、靈敏度、溫度誤差自補(bǔ)償?shù)确矫姹容^三種應(yīng)變測量電橋的特性？6.簡述應(yīng)變測量的電橋和差特性以及貼片和接橋的一般方法.7/23/202343本章習(xí)題

P43:5,6,77.一應(yīng)變片的電