《現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)》 第4章 電阻式傳感器.ppt

4 1電位器式傳感器 4 2電阻應(yīng)變式傳感器 4 3壓阻式傳感器 第四章電阻式傳感器 電阻式傳感器的基本原理是將被測(cè)的非電量轉(zhuǎn)換成電阻值 通過(guò)測(cè)量此電阻值達(dá)到測(cè)量非電量的目的 這類傳感器的種類很多 例如電位器式傳感器 電阻應(yīng)變式傳感器 壓阻式傳感器 氣敏電阻和濕敏電阻等 利用電阻式傳感器可以測(cè)量形變 壓力 力 位移 加速度和溫度等非電量參數(shù) 4 1電位器式傳感器 4 1 1基本工作原理 4 1電位器式傳感器 4 1 2輸入 輸出特性 按輸入輸出特性 電位器式傳感器可分為線性電位器和非線性電位器兩類 4 1電位器式傳感器 1 線性特性 線性電位器 空載時(shí)其輸出電壓 電阻 與電刷位移之間具有線性關(guān)系的電位器稱為線性電位器 其輸出電壓 電阻 與電刷位移成正比 4 1電位器式傳感器 2 非線性特性 非線性電位器 空載時(shí)其輸出電壓 電阻 與電刷位移之間具有非線性關(guān)系的電位器稱為非線性電位器 也稱為函數(shù)電位器 4 5 4 6 4 1電位器式傳感器 用非線性電位器可使傳感器獲得各種特殊要求的非線性函數(shù) 如指數(shù)函數(shù) 三角函數(shù) 對(duì)數(shù)函數(shù)及其他任意函數(shù) 輸出 同時(shí)也可以通過(guò)它的非線性來(lái)修正儀表對(duì)于傳感器或帶有負(fù)載的電位器的非線性 從而最終獲得線性輸出特性 4 1電位器式傳感器 4 1 3結(jié)構(gòu)形式 線繞電位器的優(yōu)點(diǎn)是精度高 性能穩(wěn)定 易于達(dá)到較高的線性度和實(shí)現(xiàn)各種非線性特性 但也存在許多缺點(diǎn) 如階梯誤差 分辨力低 耐磨性差 壽命較低等 因此發(fā)展了在某些性能方面優(yōu)于線繞電位器的非線繞電位器 非線繞電位器目前常見有合成膜 金屬膜 導(dǎo)電玻璃釉電位器等 它們?cè)诮Y(jié)構(gòu)上的共同特點(diǎn)是在絕緣基座上制成各種電阻薄膜元件 因此比線繞電位器具有高得多的分辨力 并且耐磨性好 壽命長(zhǎng) 如導(dǎo)電塑料電位器使用壽命可達(dá)上千萬(wàn)次 它們的缺點(diǎn)是特性對(duì)溫度 濕度變化比較敏感 且要求接觸壓力大 只能用于推動(dòng)力大的敏感元件 4 2電阻應(yīng)變式傳感器 電阻應(yīng)變式傳感器由電阻應(yīng)變片和測(cè)量線路兩部分組成 目前應(yīng)用最廣的電阻應(yīng)變片有兩種 金屬應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片 應(yīng)用金屬應(yīng)變片的傳感器就稱為電阻應(yīng)變式傳感器 基于金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)原理 應(yīng)用半導(dǎo)體應(yīng)變片的傳感器稱為壓阻式傳感器 基于壓阻效應(yīng)原理 電阻應(yīng)變傳感器是將被測(cè)量的力 壓力 荷重 扭力等 通過(guò)它所產(chǎn)生的金屬?gòu)椥宰冃无D(zhuǎn)換成電阻變化的敏感元件 4 2電阻應(yīng)變式傳感器 優(yōu)點(diǎn) 精度高 測(cè)量范圍廣 使用壽命長(zhǎng) 性能穩(wěn)定可靠 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 尺寸小 重量輕 因此在測(cè)試時(shí) 對(duì)工件工作狀態(tài)及應(yīng)力分析影響小 頻率響應(yīng)特性好 應(yīng)變片響應(yīng)時(shí)間約為 可在高低溫 高速 高壓 強(qiáng)烈振動(dòng) 強(qiáng)磁場(chǎng) 核輻射和化學(xué)腐蝕等惡劣環(huán)境條件下工作 應(yīng)變片種類繁多 價(jià)格便宜 4 2電阻應(yīng)變式傳感器 缺點(diǎn) 在大應(yīng)變狀態(tài)下具有較大非線性 輸出信號(hào)微弱 不適用于高溫環(huán)境中 以上 應(yīng)變片實(shí)際測(cè)出的只是某一面積上的平均應(yīng)變 不能完全顯示應(yīng)力場(chǎng)中應(yīng)力梯度的情況 4 2電阻應(yīng)變式傳感器 4 2 1電阻應(yīng)變片 一 金屬絲的電阻應(yīng)變效應(yīng)電阻應(yīng)變片的工作原理是基于金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng) 即當(dāng)金屬絲在外力下作用發(fā)生機(jī)械變形時(shí) 其電阻值將發(fā)生變化 設(shè)有一根長(zhǎng)度為 截面積為 電阻率為的金屬絲 在未受力時(shí) 原始電阻為 4 2電阻應(yīng)變式傳感器 圖4 3金屬絲伸長(zhǎng)后的幾何尺寸 4 2電阻應(yīng)變式傳感器 當(dāng)金屬絲受到軸向拉力作用時(shí) 將伸長(zhǎng) 橫截面積相應(yīng)減少 電阻率因晶格變化等因素的影響而改變 故引起電阻值變化 對(duì)兩邊取對(duì)數(shù) 等式兩邊微分 則得 4 7 也可用則相對(duì)變化量來(lái)表示 有 4 2電阻應(yīng)變式傳感器 稱為金屬絲長(zhǎng)度方向的應(yīng)變或軸向應(yīng)變 為金屬絲半徑的相對(duì)變化 即徑向應(yīng)變 軸向應(yīng)變與徑向應(yīng)變存在下列關(guān)系 式中 金屬絲的泊松比 4 2電阻應(yīng)變式傳感器 由 4 8 式可知 受兩個(gè)因素影響 前一部分僅由電阻絲材料受力后其幾何尺寸變化引起的 另一個(gè)是由電阻絲的電阻率隨應(yīng)變引起的的變化 金屬材料的應(yīng)變電阻效應(yīng)以結(jié)構(gòu)尺寸變化為主 4 2電阻應(yīng)變式傳感器 二 應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu)及測(cè)量原理 1 應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu)根據(jù)應(yīng)變片原材料形狀和制造工藝的不同 它的結(jié)構(gòu)形式有絲繞式 箔式和薄膜式三種 電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)形式各異 但其結(jié)構(gòu)大體相同 一般由敏感柵 引出線 基底 覆蓋層 粘合劑等組成 4 2電阻應(yīng)變式傳感器 圖4 4電阻絲應(yīng)變片結(jié)構(gòu)示意圖 4 2電阻應(yīng)變式傳感器 2 粘合劑和粘貼技術(shù) 應(yīng)變片的種類很多 選擇何種應(yīng)變片是測(cè)試前應(yīng)確定的問(wèn)題 一般根據(jù)試驗(yàn)環(huán)境 應(yīng)變性質(zhì) 試件狀況及測(cè)試精度選擇合適的應(yīng)變片 應(yīng)變片在試件上的安裝質(zhì)量是決定測(cè)試精度及可靠性的關(guān)鍵之一 必須予以高度重視 安裝方法有三種 粘貼法是最常用的 焊接法適用于金屬基底的應(yīng)變片 噴涂法主要用于高溫應(yīng)變測(cè)量 應(yīng)變片是用粘合劑粘貼到被測(cè)件上去 粘合劑形成的膠層必須可靠地將試件或彈性元件產(chǎn)生的應(yīng)變傳遞到應(yīng)變片的敏感柵上去 所以粘合劑與粘貼技術(shù)對(duì)測(cè)量結(jié)果有直接影響 4 2電阻應(yīng)變式傳感器 對(duì)粘合劑要求為 有一定的粘結(jié)強(qiáng)度 能準(zhǔn)確傳遞應(yīng)變 有足夠的剪切彈性模量 蠕變 機(jī)械滯后小 有足夠的穩(wěn)定性能 耐濕 耐油 耐老化 耐疲勞等 常用的粘合劑類型有硝化纖維素粘合劑 氰基丙烯酸脂粘合劑 有機(jī)硅粘合劑等 4 2電阻應(yīng)變式傳感器 粘貼工藝包括 應(yīng)變片在安裝之前 應(yīng)對(duì)其外觀和電阻值進(jìn)行檢查 為了使應(yīng)變片粘貼牢固 須事先對(duì)試件粘貼表面進(jìn)行機(jī)械 化學(xué)處理 處理面積約為應(yīng)變片面積的3倍試件表面處理 清潔使之無(wú)油污 氧化層 銹斑等 定位劃線 粘貼應(yīng)變片 并壓合 使粘合劑的厚度盡量減薄 按規(guī)范對(duì)粘接劑進(jìn)行加溫固化或者加壓 引線的焊接處固定以及防護(hù)與屏蔽處理等 4 2電阻應(yīng)變式傳感器 3 測(cè)量原理 用應(yīng)變片測(cè)量受力應(yīng)變時(shí) 將應(yīng)變片粘貼于被測(cè)對(duì)象表面上 在外力作用下 被測(cè)對(duì)象表面產(chǎn)生微小機(jī)械變形時(shí) 應(yīng)變片的敏感柵也隨之變形 其電阻值發(fā)生相應(yīng)變化 通過(guò)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓或電流的變化 可以得到被測(cè)對(duì)象的應(yīng)變值 而根據(jù)引力應(yīng)變關(guān)系 4 2電阻應(yīng)變式傳感器 優(yōu)點(diǎn) 測(cè)量應(yīng)變的靈敏度和精確度高 性能穩(wěn)定 可靠 可測(cè) 誤差小于 應(yīng)變片尺寸小 重量輕 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 使用方便 響應(yīng)速度快 測(cè)量時(shí)對(duì)被測(cè)件的工作狀態(tài)和應(yīng)力分布影響較小 既可用于靜態(tài)測(cè)量 又可用于動(dòng)態(tài)測(cè)量 測(cè)量范圍大 既可測(cè)量彈性變形 也可測(cè)量塑性變形 變形范圍可從 適應(yīng)性強(qiáng) 可在高溫 超低溫 高壓 水下 強(qiáng)磁場(chǎng)以及核輻射等惡劣環(huán)境下使用 便于多點(diǎn)測(cè)量 遠(yuǎn)距離測(cè)量和遙測(cè) 4 2電阻應(yīng)變式傳感器 三 主要特性 1 靈敏系數(shù)應(yīng)變片的應(yīng)變靈敏系數(shù)是指應(yīng)變片安裝于試件表面 在其軸線方向的單向應(yīng)力作用下 應(yīng)變片的阻值相對(duì)變化與試件表面上安裝應(yīng)變片區(qū)域的軸向應(yīng)變之比 又稱 標(biāo)稱靈敏系數(shù) 4 2電阻應(yīng)變式傳感器 2 橫向效應(yīng) 將直的電阻絲繞成敏感柵之后 雖然長(zhǎng)度相同 但應(yīng)變狀態(tài)不同 其靈敏系數(shù)降低了 它對(duì)測(cè)量帶來(lái)誤差 在實(shí)際測(cè)量時(shí) 彎曲半徑越大 橫向效應(yīng)也越大 將絲繞式應(yīng)變片置于平面應(yīng)變場(chǎng)中 沿其軸線方向的應(yīng)變?yōu)?垂直于軸線方向的應(yīng)變?yōu)?則電阻的相對(duì)變化量為軸向靈敏系數(shù)橫向靈敏系數(shù) 4 2電阻應(yīng)變式傳感器 橫向靈敏系數(shù)與軸向靈敏系數(shù)的比值稱為橫向效應(yīng)系數(shù) 可用它來(lái)衡量應(yīng)變片橫向效應(yīng)的大小 橫向效應(yīng)系數(shù)則可得 4 2電阻應(yīng)變式傳感器 3 機(jī)械滯后 零漂及蠕變 應(yīng)變片安裝在試件上以后 在一定的溫度下 在零和某一指定應(yīng)變之間 做出應(yīng)變片電阻相對(duì)變化 即指示應(yīng)變 與試件機(jī)械應(yīng)變之間加載和卸載的特性油線 如圖所示 實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)這兩條曲線并不重合 在同一機(jī)械應(yīng)變下 卸載時(shí)高于加載時(shí)的 這種現(xiàn)象稱為應(yīng)變片的機(jī)械滯后 加載和卸載特性曲線之間的最大差值稱為應(yīng)變片的滯后值 4 2電阻應(yīng)變式傳感器 圖4 5機(jī)械滯后 4 2電阻應(yīng)變式傳感器 4 應(yīng)變極限 疲勞壽命 應(yīng)變片的應(yīng)變極限是指在一定溫度下 應(yīng)變片的指示應(yīng)變與試件的真實(shí)應(yīng)變的相對(duì)誤差達(dá)規(guī)定值 一般為 時(shí)的真實(shí)應(yīng)變值 圖4 6應(yīng)變極限 4 2電阻應(yīng)變式傳感器 四 溫度效應(yīng)及其補(bǔ)償 1 溫度效應(yīng)粘貼在試件上的電阻應(yīng)變片 除感受機(jī)械應(yīng)變而產(chǎn)生電阻相對(duì)變化外 在環(huán)境溫度變化時(shí) 也會(huì)引起電阻的相對(duì)變化 產(chǎn)生虛假應(yīng)變 這種現(xiàn)象稱為溫度效應(yīng) 由于環(huán)境溫度改變引起電阻值變化的原因主要有二 一是由電阻絲溫度系數(shù)引起的 二是由電阻絲與被測(cè)件材料的線膨脹系數(shù)的不同引起的 當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí) 應(yīng)變片電阻的增量可用下式表達(dá) 4 2電阻應(yīng)變式傳感器 令則 4 2電阻應(yīng)變式傳感器 2 溫度補(bǔ)償 為確保精度 即使在常溫條件下使用也需要采取溫度補(bǔ)償措施 溫度補(bǔ)償方法通常有兩種 應(yīng)變片溫度自補(bǔ)償法和電路補(bǔ)償法 或稱補(bǔ)償片法 4 2電阻應(yīng)變式傳感器 1 應(yīng)變片溫度自補(bǔ)償法 單絲自補(bǔ)償應(yīng)變片應(yīng)變片最簡(jiǎn)單地自補(bǔ)償 是無(wú)應(yīng)力狀態(tài)時(shí) 僅僅考慮材料線膨脹差 采用選擇合適溫度系數(shù)的電阻材料 達(dá)到消除溫度變化所引起的電阻變化 因此 要實(shí)現(xiàn)溫度自補(bǔ)償?shù)臈l件是使應(yīng)變片在溫度變化時(shí)的熱輸出值為零 使即 4 2電阻應(yīng)變式傳感器 雙絲組合式自補(bǔ)償應(yīng)變片 這種溫度自補(bǔ)償應(yīng)變片是由兩種不同電阻溫度系數(shù) 一種為正值 一種為負(fù)值 的材料串聯(lián)組成敏感柵 以達(dá)到一定的溫度范圍內(nèi)在一定材料的試件上實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償?shù)?圖4 7雙絲組合式自補(bǔ)償應(yīng)變片 4 2電阻應(yīng)變式傳感器 電橋補(bǔ)償法 最常用和最好的補(bǔ)償方法是電橋補(bǔ)償法 圖4 8電橋補(bǔ)償法 4 2電阻應(yīng)變式傳感器 工作應(yīng)變片安裝在被測(cè)試件上 另選一個(gè)其特性與相同的補(bǔ)償片 安裝在材料與試件相同的某補(bǔ)償塊上 溫度與試件相同 但不承受應(yīng)變 和接入電橋相鄰臂上 造成和相同 根據(jù)電橋理論所知 其輸出電壓與溫度變化無(wú)關(guān) 當(dāng)工作應(yīng)變片感受應(yīng)變時(shí)電橋?qū)a(chǎn)生相應(yīng)輸出電壓 圖4 9補(bǔ)償片粘貼示意圖 4 2電阻應(yīng)變式傳感器 若達(dá)到完全的補(bǔ)償 需滿足下列三個(gè)條件 和是屬于同一批號(hào)制造的 即它們的電阻溫度系數(shù) 線膨脹系數(shù) 應(yīng)變靈敏系數(shù)都相同 兩片的初始電阻值也要求一樣 粘貼補(bǔ)償片的構(gòu)件材料和粘貼工作片的材料必須一樣 即要求兩者的線膨脹系數(shù)一樣 兩應(yīng)變片處于同一溫度場(chǎng) 4 2電阻應(yīng)變式傳感器 差動(dòng)電橋補(bǔ)償法 圖4 10差動(dòng)電橋補(bǔ)償法 4 2電阻應(yīng)變式傳感器 4 2 2測(cè)量電路 圖4 11橋式測(cè)量電路 4 2電阻應(yīng)變式傳感器 惠斯頓電橋 惠斯頓電橋是英國(guó)科學(xué)家惠斯通于1843年發(fā)明的 如圖所示 它是由被連接成四邊形的4個(gè)阻抗 跨接在其中一條對(duì)角線上的激勵(lì)源 電壓源或電流源 和跨接在另一個(gè)對(duì)角線上的電壓檢測(cè)器構(gòu)成 檢測(cè)器測(cè)量跨接在激勵(lì)源上的兩個(gè)分壓器輸出之間的電位差 圖中4個(gè)橋臂按順時(shí)針?lè)较驗(yàn)樾?A C為電源端 B D為輸出端 交流橋式測(cè)量電路采用交變電源供電 其四個(gè)橋臂 可接入電阻 電感或者電容 直流橋式測(cè)量電路采用直流電源供電 其四個(gè)橋臂 只能接入電阻 在橋式電路中其中任何一個(gè)橋臂都可以是電阻應(yīng)變片 4 2電阻應(yīng)變式傳感器 四個(gè)橋臂阻抗達(dá)到某一關(guān)系時(shí) 電橋輸出為零 否則就有電壓輸出 可利用靈敏檢流計(jì)來(lái)測(cè)量 故電橋能夠精確地測(cè)量微小的電阻變化 將阻抗參數(shù)值隨被測(cè)非電量變化的阻抗式傳感器接入電橋 初始狀態(tài)即被測(cè)非當(dāng)電量為0時(shí) 讓電橋平衡 即輸出電壓為0 當(dāng)被測(cè)非電量變化而不為0時(shí) 引起阻抗參數(shù)值變化 使電橋不平衡 即輸出電壓不為0 被測(cè)非電量越大 電橋輸出電壓也越大 這樣就把被測(cè)非電量變化轉(zhuǎn)換成電橋電壓的變化 只要測(cè)得電橋電壓 就可求得非電量 4 2電阻應(yīng)變式傳感器 電橋輸出電壓為 4 13 設(shè)在直流電橋中為應(yīng)變片的電阻值 工作時(shí)有一增量 當(dāng)為拉伸應(yīng)變時(shí) 為正 壓縮應(yīng)變時(shí) 為負(fù) 在上式中以代替 則 4 14 4 2電阻應(yīng)變式傳感器 設(shè)電橋各臂均有相應(yīng)的電阻增量 時(shí) 4 15 大多數(shù)情況下 我們都選擇 初始平衡時(shí)4臂阻值都相等的等臂電橋 即 因?yàn)榈缺垭姌虻碾姌蜢`敏度最大 此時(shí) 4 16 4 2電阻應(yīng)變式傳感器 一般情況下 很小 即略去上式中的高階微量 將四個(gè)電阻應(yīng)變片接入直流電橋中構(gòu)成應(yīng)變電橋 設(shè)這四個(gè)應(yīng)變片的型號(hào)相同 粘貼處的應(yīng)變分別為因應(yīng)變電阻的變化 故應(yīng)變電橋的輸出電壓近似為 得到 4 17 將代入上式得 4 18 4 2電阻應(yīng)變式傳感器 當(dāng)時(shí) 輸出電壓與應(yīng)變呈線性關(guān)系 由于溫度引起的電阻變化是相同的 因此 如果電阻傳感器接在電橋的相鄰兩臂 溫度引起的電阻變化將相互抵消 其影響將減小或消除 被測(cè)非電量若使兩電阻傳感器的電阻變化符號(hào)相同 則應(yīng)將這兩電阻傳感器接在電橋的相對(duì)兩臂 但是這只能提高電橋輸出電壓 并不能減小溫度變化的影響和非線性誤差 被測(cè)非電量若使兩電阻傳感器的電阻變化符號(hào)相反 則應(yīng)將這兩電阻傳感器接在電橋的相鄰兩臂 即構(gòu)成差動(dòng)電橋 這既能提高電橋輸出電壓 又能減小溫度變化的影響和非線性誤差 4 2電阻應(yīng)變式傳感器 當(dāng)僅橋臂AB單臂工作時(shí) 輸出電壓為 4 19 當(dāng)假定不成立時(shí) 按線性關(guān)系刻度的儀表用來(lái)測(cè)量此種情況下的應(yīng)變 必然帶來(lái)非線性誤差在測(cè)量應(yīng)變的電橋中 也可將應(yīng)變片串聯(lián)或并聯(lián)起來(lái)接入測(cè)量橋臂 4 2電阻應(yīng)變式傳感器 4 2 3電阻應(yīng)變式傳感器 一 應(yīng)變式傳感器的基本組成應(yīng)變式傳感器的組成有二種 一種是直接將應(yīng)變片粘貼在被測(cè)量的受力構(gòu)件上 另一種是將應(yīng)變片粘貼在彈性元件上 由彈性元件將被測(cè)物理量 如力 壓力 加速度等 轉(zhuǎn)換為應(yīng)變 所以 應(yīng)變式傳感器的基本組成部件包括 應(yīng)變片 測(cè)量電橋 彈性元件以及一些附件 如殼體 聯(lián)接裝置等 4 2電阻應(yīng)變式傳感器 二 電阻應(yīng)變式力傳感器 1 圓柱式力傳感器 圖4 12柱式力傳感器 4 2電阻