第三章 電阻式new

1、1第三章、電阻式傳感器第三章、電阻式傳感器1 1 工作原理工作原理2 2 金屬應(yīng)變片的主要特性金屬應(yīng)變片的主要特性3 3 測量電路測量電路4 4 應(yīng)變式傳感器應(yīng)用應(yīng)變式傳感器應(yīng)用返 回2 橫截面為橫截面為A的物體受到外力的物體受到外力F的作用并處于平衡狀態(tài)時(shí)，的作用并處于平衡狀態(tài)時(shí)，物體在單位面積上引起的內(nèi)力稱為物體在單位面積上引起的內(nèi)力稱為應(yīng)力應(yīng)力，即，即AF 應(yīng)變是表征物體受外力作用時(shí)產(chǎn)生相對(duì)變形大小的無量綱物應(yīng)變是表征物體受外力作用時(shí)產(chǎn)生相對(duì)變形大小的無量綱物理量。設(shè)物體原長為理量。設(shè)物體原長為l,受力后縱向產(chǎn)生受力后縱向產(chǎn)生l的形變，則的形變，則應(yīng)變應(yīng)變?yōu)椋簽椋簂l 縱向應(yīng)變縱向應(yīng)變、

2、橫向應(yīng)變、橫向應(yīng)變r(jià)，則，則：rrr（為泊松比為泊松比） 由胡克定律：當(dāng)應(yīng)力未超過某一極限值時(shí)，應(yīng)力與應(yīng)變由胡克定律：當(dāng)應(yīng)力未超過某一極限值時(shí)，應(yīng)力與應(yīng)變成正比，即：成正比，即：E（E為彈性模量為彈性模量）上一頁返 回下一頁3工作原理工作原理1.金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)電阻應(yīng)變效應(yīng)：當(dāng)金屬絲在外力作用下發(fā)生機(jī)械變形時(shí) 其電阻值將發(fā)生變化AlRF l、A 、 RAlRlnlnlnln上一頁返 回下一頁AAllRR此式可看出，電阻值的相對(duì)變化率取決于三個(gè)基本因素4電阻的靈敏系數(shù)電阻的靈敏系數(shù)AAllRR對(duì)于半徑為r，長度為l的圓導(dǎo)體，A=r2，A/A=2r/r又由材料力學(xué)可知，在彈性范圍內(nèi)， 上一頁返

3、回下一頁Errll/,/,/)21 (ERR為導(dǎo)體的縱向應(yīng)變，其數(shù)值一般很小，常以微應(yīng)變度量；為電阻絲材料的泊松比，一般金屬=0.30.5；為壓阻系數(shù)，與材質(zhì)有關(guān)；為應(yīng)力值；E為材料的彈性模量； 5金屬電阻的靈敏系數(shù)金屬電阻的靈敏系數(shù)k k0 0/210RRk21/0k材料的幾何尺寸變化引起材料的電阻率隨應(yīng)變引起（壓阻效應(yīng)）金屬材料：k0以前者為主，則k01+2=1.73.6半 導(dǎo) 體：k0值主要是由電阻率相對(duì)變化所決定0kRR上一頁返 回下一頁6應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu)應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu)與種類與種類 敏感柵 直徑為0.025mm左右的合金電阻絲絲繞式 基 底 絕緣 覆蓋層 保護(hù)位移、力、力矩、加速度、

4、壓力彈性敏感元件 應(yīng)變 外力作用被測對(duì)象表面產(chǎn)生微小機(jī)械變形應(yīng)變片敏感柵隨同變形電阻值發(fā)生相應(yīng)變化 應(yīng)變片上一頁返 回下一頁7應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)圖3-2 金屬電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu) 引線覆蓋層基片電阻絲式敏感柵lb絲式絲式箔式箔式89應(yīng)變片的類型和材料應(yīng)變片的類型和材料 金屬絲式 金屬箔式 金屬薄膜式 回線式短接式 上一頁返 回下一頁見P2310金屬絲式應(yīng)變片金屬絲式應(yīng)變片上一頁返 回下一頁 金屬電阻絲應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu) 1-基片；2-電阻絲；3-覆蓋層；4-引出線 11金屬電阻應(yīng)變片，材料電阻率隨應(yīng)變產(chǎn)生的變化很小，可忽略金屬電阻應(yīng)變片，材料電阻率隨應(yīng)變產(chǎn)生的變化很小，可忽略 0)21 (KR

5、R應(yīng)變片電阻的相對(duì)變化與應(yīng)變片縱向應(yīng)變成正比，應(yīng)變片電阻的相對(duì)變化與應(yīng)變片縱向應(yīng)變成正比， 并且對(duì)同一電阻材料，并且對(duì)同一電阻材料， K0=1+2是常數(shù)。是常數(shù)。其靈敏度系數(shù)多在其靈敏度系數(shù)多在1.73.6之間。之間。 上一頁返 回下一頁12金屬箔式應(yīng)變片 在絕緣基底上，將厚度為0.0030.01mm電阻箔材，利用照相制板或光刻腐蝕的方法，制成適用于各種需要的形狀 箔式應(yīng)變片 上一頁返 回下一頁13箔式應(yīng)變片的外形箔式應(yīng)變片的外形14優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn) ：（1）尺寸準(zhǔn)確，線條均勻，適應(yīng)不同的測量要求， （2）可制成多種復(fù)雜形狀尺寸準(zhǔn)確的敏感柵 （3）與被測試件接觸面積大，粘結(jié)性能好。 散熱條件好，允許電

6、流大，靈敏度提高。（4）橫向效應(yīng)可以忽略。（5）蠕變、機(jī)械滯后小，疲勞壽命長。 上一頁返 回下一頁15 采用真空蒸發(fā)或真空沉積等方法在薄的絕緣基片上形成厚度在0.1m以下的金屬電阻材料薄膜敏感柵，再加上保護(hù)層，易實(shí)現(xiàn)工業(yè)化批量生產(chǎn) 優(yōu)點(diǎn)：應(yīng)變靈敏系數(shù)大，允許電流密度大，工作范圍廣，易實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn) 問題：難控制電阻與溫度和時(shí)間的變化關(guān)系 金屬薄膜應(yīng)變片金屬薄膜應(yīng)變片 上一頁返 回下一頁16 金屬應(yīng)變片的主要特性金屬應(yīng)變片的主要特性 （一）靈敏系數(shù)（二）橫向效應(yīng)（三）溫度誤差及其補(bǔ)償上一頁返 回下一頁17應(yīng)變片的電阻值應(yīng)變片的電阻值 R 應(yīng)變片在未經(jīng)安裝也不受外力情況下，于室溫下測得的電阻值R

7、電阻系列：60、120、200、350、500、1000 可以加大應(yīng)變片承受電壓， 電阻值大 輸出信號(hào)大， 敏感柵尺寸也增大 上一頁下一頁返 回18（一）靈敏系數(shù)（一）靈敏系數(shù)RRk/“標(biāo)稱靈敏系數(shù)”：一批產(chǎn)品中抽樣5的產(chǎn)品來測定，產(chǎn)品受軸向單向力（拉或壓），測量得到k,取其平均值及允許公差值。電阻應(yīng)變片的靈敏系數(shù)k 電阻絲的靈敏系數(shù)k0 粘結(jié)層傳遞變形失真還存在有橫向效應(yīng) 原因：上一頁返 回下一頁19 （二）橫向效應(yīng)（二）橫向效應(yīng)敏感柵是由多條直線和圓弧部分組成直線段：沿軸向拉應(yīng)變x，電阻圓弧段：沿軸向壓應(yīng)度y 電阻 K (箔式應(yīng)變片)上一頁下一頁返 回yxy20K K為應(yīng)變片標(biāo)定靈敏度，為

8、應(yīng)變片標(biāo)定靈敏度，小于小于k kx x21橫向效應(yīng)橫向效應(yīng) 應(yīng)變片的橫柵部分將縱向絲柵部分的電阻變化抵消了一部分，從而降低了整個(gè)電阻應(yīng)變片的靈敏度，帶來測量誤差，其大小與敏感柵的構(gòu)造及尺寸有關(guān)。敏感柵的縱柵敏感柵的縱柵愈窄、愈長，而橫柵愈寬、愈短，則橫向愈窄、愈長，而橫柵愈寬、愈短，則橫向效應(yīng)的影響愈小。效應(yīng)的影響愈小。22（三）溫度誤差及其補(bǔ)償（三）溫度誤差及其補(bǔ)償 上一頁返 回下一頁1、敏感柵電阻隨溫度的變化而變化將引起誤差。當(dāng)環(huán)境溫度變化t 時(shí)，敏感柵材料電阻溫度系數(shù)為，則引起的電阻變化為：2、試件材料的線膨脹引起的誤差。當(dāng)溫度變化t時(shí)，因試件材料和敏感柵材料的線膨脹系數(shù)不同，應(yīng)變片將產(chǎn)

9、生附加拉長（或壓縮），引起的電阻變化為： 溫度誤差 tKRKRRgstt)(0000tRRRRtt0023tKtKRRgstt)(/000有以上兩部分可得由于溫度變化而引起的總電阻變化為：tKRtRRRRgsttt)(000相應(yīng)的虛假應(yīng)變輸出為：24溫度補(bǔ)償溫度補(bǔ)償 線路補(bǔ)償法電橋補(bǔ)償法、熱敏電阻 單絲自補(bǔ)償法 自補(bǔ)償法 組合式自補(bǔ)償法 溫度補(bǔ)償 上一頁返 回下一頁25 U0R1R4R3URbFFR1RbU0R1RR4R3URbR上一頁返 回下一頁)(3410RRRRAUB26電路分析 A為由橋臂電阻和電源電壓決定的常數(shù)。由上式可知， 當(dāng)R3和R4為常數(shù)時(shí)，R1和RB對(duì)電橋輸出電壓Uo的作用方

10、向相反。 利用這一基本關(guān)系可實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的補(bǔ)償。314310134134()()BabBBRR RR RRUUUUUURRRRRRRR0143()BUAR RR R134()()BUARRRR27 測量應(yīng)變時(shí)，工作應(yīng)變片R1粘貼在被測試件表面上，補(bǔ)償應(yīng)變片RB粘貼在與被測試件材料完全相同的補(bǔ)償塊上，且僅工作應(yīng)變片承受應(yīng)變。 當(dāng)被測試件不承受應(yīng)變時(shí)，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(dá)到平衡，此時(shí)有 0)(341RRRRAUBo工程上，一般按R1 = RB = R3 = R4 選取橋臂電阻。 28電橋補(bǔ)償法電橋補(bǔ)償法 優(yōu)點(diǎn)： 簡單、方便，在常溫下補(bǔ)償效果較好， 缺點(diǎn)： 要

11、求兩應(yīng)變片和兩彈性元件的特性完全相同；在溫度變化梯度較大的條件下在溫度變化梯度較大的條件下，很難做到工作片與補(bǔ)償片處于溫度完全一致的情況，因而影響補(bǔ)償效果。R1 +RRb -R29熱敏電阻補(bǔ)償熱敏電阻補(bǔ)償 UiR1RR4R3U0R2RtR5 分流電阻分流電阻 U上一頁返 回下一頁30 應(yīng)變片的自補(bǔ)償法應(yīng)變片的自補(bǔ)償法 粘貼在被測部位上的是一種特殊應(yīng)變片，當(dāng)溫度變化時(shí)，產(chǎn)生的附加應(yīng)變?yōu)榱慊蛳嗷サ窒?，這種應(yīng)變片稱為溫度自補(bǔ)償應(yīng)變片。利用這種應(yīng)變片來實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償?shù)姆椒ǚQ為應(yīng)變片自補(bǔ)償法。 a. 選擇式自補(bǔ)償應(yīng)變片 b. 雙金屬敏感柵自補(bǔ)償應(yīng)變片 31優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：容易加工，成本低，缺點(diǎn)缺點(diǎn)：只適用特定試

12、件材料，溫度補(bǔ)償范圍也較窄。上一頁返 回下一頁由式由式(2.1.16)可知，實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償?shù)臈l件為可知，實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償?shù)臈l件為 當(dāng)被測試件的線膨脹系數(shù)當(dāng)被測試件的線膨脹系數(shù)g已知時(shí)，通過選擇敏感柵材料，已知時(shí)，通過選擇敏感柵材料， 使下式成立使下式成立 (2.1.21) 即可達(dá)到溫度自補(bǔ)償?shù)哪康摹＜纯蛇_(dá)到溫度自補(bǔ)償?shù)哪康摹?)(0tKtgst)(0gsK32R1R2組合自補(bǔ)償法敏感柵絲由兩種不同溫度系數(shù)的金屬絲串接組成 選用兩者具有不同符號(hào)的電阻溫度系數(shù)調(diào)整R1和R2的比例，使溫度變化時(shí)產(chǎn)生的電阻變化滿足 t2t1)()(RR通過調(diào)節(jié)兩種敏感柵的長度來控制應(yīng)變片的溫度自補(bǔ)償，可達(dá)0.45m/的高精

13、度 上一頁返 回下一頁)()(/111222112221ggttKKRRRRRR33其它參數(shù) 應(yīng)變極限 機(jī)械滯后 最大工作電流 零漂和蠕變34半導(dǎo)體固態(tài)壓阻式傳感器 壓阻效應(yīng) 優(yōu)點(diǎn)：高靈敏度、高分辨率、體積小、工作頻帶寬、測量電路可與敏感部分一體化等。 主要類型：1）體型半導(dǎo)體應(yīng)變片（類似金屬應(yīng)變片，需粘貼）2）擴(kuò)散式半導(dǎo)體應(yīng)變片：粘貼和非粘貼形式AAllRR35第三節(jié)第三節(jié) 電阻應(yīng)變片的測量電路電阻應(yīng)變片的測量電路及接口及接口上一頁返 回下一頁1 1 直流電橋直流電橋2 2 非線性誤差及其補(bǔ)償非線性誤差及其補(bǔ)償 361. 直流電橋直流電橋 直流電橋的工作原理 LI)()()(-2143432

14、14321L3241LRRRRRRRRRRRRRRRRRUIR1R4=R2R3 R1/R2=R3/R4 R1+R1R2R4R3UILRL上一頁返 回下一頁=0時(shí)電橋平衡平衡條件 :372不平衡直流電橋的工作原理及靈敏度不平衡直流電橋的工作原理及靈敏度 當(dāng)電橋后面接放大器時(shí), 電橋輸出端看成開路.電橋的輸出式為： URRRRRRRRU)(432132410應(yīng)變片工作時(shí)，其電阻變化應(yīng)變片工作時(shí)，其電阻變化Ri 上一頁返 回下一頁)()()(44332211332244110RRRRRRRRRRRRRRRRUU38采用等臂電橋，即采用等臂電橋，即R1= R2= R3=R4=R 。此時(shí)式。此時(shí)式(2.

15、1.24)可寫為可寫為)2)(2()(4321324143210RRRRRRRRRRRRRRRUU當(dāng)當(dāng)Ri R ( i=1,2,3,4) 時(shí)，略去上式中的高階微量，則時(shí)，略去上式中的高階微量，則 RRRRRRRRUU432104432104UKU上一頁返 回下一頁2.1.1739上式表明： Ri R時(shí)，電橋的輸出電壓與應(yīng)變成線性關(guān)系。 若相鄰兩橋臂的應(yīng)變極性一致，即同為拉應(yīng)變或壓應(yīng)變時(shí)，輸出電壓為兩者之差；若相鄰兩橋臂的應(yīng)變極性不同，則輸出電壓為兩者之和。 若相對(duì)兩橋臂應(yīng)變的極性一致，輸出電壓為兩者之和；反之則為兩者之差。 電橋供電電壓U越高，輸出電壓U0越大。但是，當(dāng)U大時(shí)，電阻應(yīng)變片通過的

16、電流也大，若超過電阻應(yīng)變片所允許通過的最大工作電流，傳感器就會(huì)出現(xiàn)蠕變和零漂蠕變和零漂。 增大電阻應(yīng)變片的靈敏系數(shù)K，可提高電橋的輸出電壓。上一頁返 回下一頁40 2. 電壓靈敏度電壓靈敏度 應(yīng)變片工作時(shí)：電阻值變化很小，電橋相應(yīng)輸出電壓也很小，一般需要加入放大器進(jìn)行放大。由于放大器的輸入阻抗比橋路輸出阻抗高很多，所以此時(shí)仍視電橋?yàn)殚_路情況。當(dāng)受應(yīng)變時(shí)：若應(yīng)變片電阻變化為R，其它橋臂固定不變，電橋輸出電壓Uo0，則電橋不平衡，輸出電壓為 41341211113443211414332111111)(RRRRRRRRRRERRRRRRRRRRRRRRREUo42 設(shè)橋臂比n=R2/R1，由于R1

17、R1，分母中R1/R1可忽略， 并考慮到平衡條件R2/R1=R4/R3， 則上式可寫為 ERRnnUo112)1 (電橋電壓靈敏度定義為 EnnRRUKoU211)1 ( 43分析： 電橋電壓靈敏度正比于電橋供電電壓， 供電電壓越高， 電橋電壓靈敏度越高，但供電電壓的提高受到應(yīng)變片允許功耗的限制，所以要作適當(dāng)選擇； 電橋電壓靈敏度是橋臂電阻比值n的函數(shù)，恰當(dāng)?shù)剡x擇橋臂比n的值，保證電橋具有較高的電壓靈敏度。 ？當(dāng)當(dāng)E值確定后，值確定后，n取何值時(shí)才能使取何值時(shí)才能使KU最高？最高？44分析：思路：dKU/dn = 0求KU的最大值 2410(1)UdKndnn求 得 n = 1 時(shí) ， KU為

18、 最 大 值 。 即 在 供 橋 電 壓 確 定 后 ， 當(dāng)R1=R2=R3=R4時(shí)，電橋電壓靈敏度最高，此時(shí)有 4411EKRREUUo結(jié)論：當(dāng)電源電壓E和電阻相對(duì)變化量R1/R1一定時(shí)， 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)。 4546采用等臂電橋，即采用等臂電橋，即R1= R2= R3=R4=R 。此時(shí)式。此時(shí)式(2.1.24)可寫為可寫為)2)(2()(4321324143210RRRRRRRRRRRRRRRUU當(dāng)當(dāng)Ri R ( i=1,2,3,4) 時(shí)，略去上式中的高階微量，則時(shí)，略去上式中的高階微量，則 RRRRRRRRUU432104432104UKU上一

19、頁返 回下一頁2.1.174748 恒流源供電與恒壓源供電對(duì)比恒流源供電與恒壓源供電對(duì)比49如果Ri R不成立，則利用不成立，則利用2.1.17式將產(chǎn)生非線性誤差。式將產(chǎn)生非線性誤差。 考慮采用單臂電橋時(shí)，R1橋臂變化R，假設(shè)R1/R15的小曲率圓環(huán)：A、B兩點(diǎn)的應(yīng)變。 EbhFREbhFRA2291. 109. 1這樣， 測出A、 B處的應(yīng)變， 即可得到載荷F。 A23( /2)2(1)F Rhbh EB23( /2) 2F Rhbh E內(nèi)貼取“一” 內(nèi)貼取“” 式中： h圓環(huán)厚度； b圓環(huán)寬度； E材料彈性模量。0()()0URRUfKf FRRRUFR 測量663.4.2 應(yīng)變式壓力傳感器應(yīng)變式壓力傳感器 主要用來測量流動(dòng)介質(zhì)的動(dòng)態(tài)或靜態(tài)壓力 應(yīng)變片壓力傳感器大多采用膜片式或筒式彈性元件。 在壓力p作用下，膜片產(chǎn)生徑向應(yīng)變r(jià)和切向應(yīng)變t，表達(dá)式分別為 EhxRpEhxRptr222222228)(1 (38)3)(1 (367圖3-15 膜片式壓力傳感器（a） 應(yīng)變變化圖; （b） 應(yīng)變片粘貼 trxhRpR2R1R4R3rt(a)(b)68應(yīng)變變化曲線的特點(diǎn)：當(dāng)x=0時(shí)，rmax=tmax；當(dāng)x=R時(shí)，t=0， r