電阻式傳感器

1、關(guān)于電阻式傳感器第一張，PPT共七十七頁，創(chuàng)作于2022年6月2-1 應(yīng)變式傳感器常見用途： 電阻應(yīng)變式測力/ 稱重傳感器(straingage based load cell or load cell)，在工程結(jié)構(gòu)試驗及材料性能試驗中，用于測量施加于結(jié)構(gòu)或材料上的外載荷(力值)；在衡器和自動稱量技術(shù)中，用于測量衡器和自動稱量過程中的物體的質(zhì)量(重量)。 據(jù)國際計量聯(lián)合會(IMEKO)力值和質(zhì)量計量委員會(TC- 3)發(fā)表的會議錄文章介紹，在電子衡器和自動稱量系統(tǒng)中，應(yīng)用電阻應(yīng)變式稱重傳感器占90以上。第二張，PPT共七十七頁，創(chuàng)作于2022年6月粘貼式應(yīng)變片制成的測力環(huán)和測力棒第三張，PPT

2、共七十七頁，創(chuàng)作于2022年6月第四張，PPT共七十七頁，創(chuàng)作于2022年6月材料應(yīng)變的測試斜拉橋上的斜拉繩應(yīng)變測試第五張，PPT共七十七頁，創(chuàng)作于2022年6月發(fā)展歷史： 1843 年由英國物理學(xué)家惠斯頓(Sir Charles Wheastone)發(fā)明了惠斯頓電橋電路。 1938年，第一只電阻應(yīng)變片誕生。 在19391940 年間，美國麻省理工學(xué)院的Ruge Deforest 等人將電阻應(yīng)變片應(yīng)用到了應(yīng)變測量裝置中。 1942 年完成了酚醛基應(yīng)變片，從而，使電阻應(yīng)變式傳感器性能有了進一步的提高。從上世紀(jì)五十年代開始，出現(xiàn)了各類應(yīng)變片，比如當(dāng)時發(fā)明的箔式應(yīng)變片、半導(dǎo)體應(yīng)變片到現(xiàn)在的厚膜應(yīng)變片

3、等等。第六張，PPT共七十七頁，創(chuàng)作于2022年6月 應(yīng)變式式傳感器是基于金屬電阻的應(yīng)變效應(yīng)制成。金屬材料多為鋁合金材質(zhì)、合金材質(zhì)及不銹鋼材質(zhì)。(一)金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng) 金屬導(dǎo)體的電阻隨著機械變形（伸長或縮短）的大小發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)。一、工作原理第七張，PPT共七十七頁，創(chuàng)作于2022年6月llrrFF 設(shè)一根長為l，截面積為S，電阻系數(shù)為的電阻絲，其電阻值R為：導(dǎo)線兩端受到力F作用時第八張，PPT共七十七頁，創(chuàng)作于2022年6月將上式取對數(shù)再微分，則引起電阻值變化dR：因，由材料力學(xué)可知： （徑向變化），式中泊松比表示電阻絲軸向的相對變化，也就是應(yīng)變。第九張，PPT共七十

4、七頁，創(chuàng)作于2022年6月令則K金屬電阻絲的相對靈敏度系數(shù)。金屬電阻絲的相對靈敏度系數(shù)受兩個因素影響：（1）受力后材料的幾何尺寸變化所引起的；即（2）受力后材料的電阻率發(fā)生變化引起的；即項項第十張，PPT共七十七頁，創(chuàng)作于2022年6月（二）應(yīng)變片的結(jié)構(gòu) 應(yīng)變片由電阻絲（敏感柵）、基底、引線和粘合劑組成。引力應(yīng)變關(guān)系：第十一張，PPT共七十七頁，創(chuàng)作于2022年6月 應(yīng)變片的優(yōu)點：（1）結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，性能穩(wěn)定、可靠，由于有保護覆蓋層，可工作于各種惡劣環(huán)境；（2）靈敏度高，測量速度快，范圍大、體積小、動態(tài)響應(yīng)好，適合靜態(tài)、動態(tài)測量，如變形可從彈性到塑性，由120%變化；分辨率可達12微應(yīng)變

5、（）；誤差小于1%；（3）可以測量多種物理量;（4）易于實現(xiàn)測試過程自動化和多點同步測量、遠距測量和遙測。第十二張，PPT共七十七頁，創(chuàng)作于2022年6月二、應(yīng)變片的類型和材料 敏感柵由很細(xì)的電阻絲（0.010.05mm）或箔式金屬片（厚度為310m）或金屬薄膜（0.1m以下)組成。1.金屬絲式應(yīng)變片（一）關(guān)于應(yīng)變片回線式：制作簡單性能穩(wěn)定，但橫向效應(yīng)比較大短接法：制作工藝要求高2.金屬箔式應(yīng)變片 箔式應(yīng)變片是利用光刻、腐蝕等工藝制成的一種很薄的金屬箔柵。箔片式優(yōu)點：（1）光刻技術(shù)能制作各種復(fù)雜形狀的敏感柵第十三張，PPT共七十七頁，創(chuàng)作于2022年6月（2）橫向效應(yīng)小（3）允許大電流通過，提

6、高靈敏度（4）疲勞壽命長、蠕變?。?）生產(chǎn)效率高缺點：電阻值分散性大3.金屬薄膜應(yīng)變片 薄膜應(yīng)變片是采用真空蒸發(fā)或真空沉淀等方法在薄的絕緣基片上形成0.1m以下的金屬電阻薄膜的敏感柵, 最后再加上保護層。 優(yōu)點： 電阻值比箔式應(yīng)變片高，形狀尺寸更小更精確；應(yīng)變靈敏度系數(shù)大；允許電流密度大；工作范圍廣第十四張，PPT共七十七頁，創(chuàng)作于2022年6月4.厚膜應(yīng)變片 厚膜應(yīng)變片使用高純氧化鋁陶瓷材料制成感壓膜片，是用厚膜應(yīng)變電阻漿料在感壓膜片上以絲網(wǎng)印刷技術(shù)制成應(yīng)變片圖形。 優(yōu)點： 使用溫度范圍寬，輸出遠大于金屬應(yīng)變傳感器；功耗低；穩(wěn)定性好；精度與薄膜應(yīng)變片相當(dāng)，而工藝比薄膜應(yīng)變片簡單經(jīng)濟；溫漂小。

7、第十五張，PPT共七十七頁，創(chuàng)作于2022年6月（二）粘結(jié)劑和粘貼技術(shù) 粘貼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)變片的敏感柵去。1.粘合劑 要求： （1）有一定粘結(jié)強度 （2）能準(zhǔn)確傳遞應(yīng)變 （3）蠕變、機械滯后小 （4）足夠穩(wěn)定 （5）耐濕、耐油、耐老化、耐疲勞2.粘貼技術(shù) （1）應(yīng)變片檢查、阻值檢查（2）試件表面處理 （3）定位劃線（4）使粘合劑厚度盡量薄 （5）粘合劑固化處理（6）引線焊接處固定以及防護第十六張，PPT共七十七頁，創(chuàng)作于2022年6月第十七張，PPT共七十七頁，創(chuàng)作于2022年6月其中 為安裝應(yīng)變片區(qū)域的軸向應(yīng)變。電阻應(yīng)變片的靈敏度系數(shù)定義為：。（電阻

8、絲應(yīng)變片存在橫向效應(yīng)）三、金屬應(yīng)變片的主要特性（一）靈敏系數(shù) 實驗證明，電阻應(yīng)變片的靈敏度系數(shù)恒小于電阻絲應(yīng)變片的靈敏度系數(shù)，即第十八張，PPT共七十七頁，創(chuàng)作于2022年6月l0PP2bar圖4 放大的柵狀電阻應(yīng)變片及彎角 部分示意圖縱向應(yīng)變 造成電阻增加，橫向應(yīng)變 造成電阻減少。（二）橫向效應(yīng)第十九張，PPT共七十七頁，創(chuàng)作于2022年6月式中，通?？赏ㄟ^實驗確定出Kx和Ky。令橫向效應(yīng)系數(shù) 由于橫向效應(yīng)，橫向應(yīng)變 也能引起電阻的變化此時實際電阻的變化為則第二十張，PPT共七十七頁，創(chuàng)作于2022年6月根據(jù)應(yīng)變片靈敏度K的定義可知： 可見 ，即應(yīng)變片存在橫向效應(yīng)使應(yīng)變片的靈敏度系數(shù)小于直的

9、電阻絲的應(yīng)變靈敏度系數(shù)。第二十一張，PPT共七十七頁，創(chuàng)作于2022年6月（三）機械滯后 在一定溫度下，應(yīng)變片的電阻相對變化R/R在應(yīng)變加載和卸載時不相同，即在同一機械應(yīng)變值 下，對應(yīng)的R/R值（即對應(yīng)的指示應(yīng)變 ）不一致， 稱為應(yīng)變片的滯后。第二十二張，PPT共七十七頁，創(chuàng)作于2022年6月（四）零漂和蠕變零漂：已經(jīng)粘貼的應(yīng)變片，在溫度保持不變，試件沒有應(yīng)變的情況下，應(yīng)變片的指示應(yīng)變會隨時間的增長而逐漸變化的現(xiàn)象。蠕變：已經(jīng)粘貼的應(yīng)變片，在溫度保持不變，試件承受恒定機械應(yīng)變長時間的作用，應(yīng)變片的指示應(yīng)變會隨時間的增長而逐漸變化的現(xiàn)象。蠕變中包含零漂，蠕變是加載情況的特例。第二十三張，PPT共

10、七十七頁，創(chuàng)作于2022年6月（五）應(yīng)變極限和疲勞壽命應(yīng)變極限：指在一定的溫度下，應(yīng)變片的指示應(yīng)變i與試件的真實應(yīng)變g的相對誤差達到規(guī)定值(10%)時的真實應(yīng)變值。疲勞壽命：已經(jīng)安裝的應(yīng)變片，在恒定幅值內(nèi)的交變應(yīng)力作用下，可連續(xù)工作而不產(chǎn)生疲勞損壞的循環(huán)次數(shù)N。疲勞損壞：應(yīng)變片的敏感柵或引線發(fā)生斷路；應(yīng)變片輸出指示應(yīng)變的值為10%；應(yīng)變片輸出信號波形上出現(xiàn)穗狀尖峰。第二十四張，PPT共七十七頁，創(chuàng)作于2022年6月（六）絕緣電阻和最大工作電流絕緣電阻：粘貼的應(yīng)變片的引線與被測試件之間的電阻值。50-100M最大工作電流：已安裝的應(yīng)變片，允許通過敏感柵而不影響其工作特性的最大電流。工作電流大，輸

11、出的信號也大，靈敏度高。（七）應(yīng)變片電阻R 應(yīng)變片在未經(jīng)安裝也不受外力情況下，在室溫下測得的電阻值。 R越大，輸出信號越大，但敏感柵尺寸也增大。第二十五張，PPT共七十七頁，創(chuàng)作于2022年6月（八）動態(tài)響應(yīng)特性 電阻應(yīng)變片在測量頻率較高的動態(tài)應(yīng)變時，應(yīng)該考慮其動態(tài)特性。 影響應(yīng)變片頻率響應(yīng)特性的主要因素是應(yīng)變片的基長和應(yīng)變波在試件材料中的傳播速度。 設(shè)應(yīng)變波為正弦波，應(yīng)變波長為 ，應(yīng)變片基長為 ，應(yīng)變片中點坐標(biāo)為 ，其兩端點坐標(biāo)為 和 ，應(yīng)變變化為 ，而 ，則第二十六張，PPT共七十七頁，創(chuàng)作于2022年6月所以應(yīng)變波幅相對誤差為而此時 的真實應(yīng)變?yōu)榈诙邚?，PPT共七十七頁，創(chuàng)作于202

12、2年6月四、轉(zhuǎn)換電路根據(jù)電源的不同，電橋分為直流電橋和交流電橋。測量過程力、壓力應(yīng)變變化 電阻變化 電壓或電流的變化并顯示和記錄 敏感元件 應(yīng)變片 電阻應(yīng)變儀 第二十八張，PPT共七十七頁，創(chuàng)作于2022年6月（一）直流電橋1. 工作原理ab由戴維南定理，從圖(a)可知，負(fù)載電流為第二十九張，PPT共七十七頁，創(chuàng)作于2022年6月當(dāng)IL=0時，電橋平衡，此時的輸出電壓UO=0，電橋平衡的條件為2. 不平衡直流電橋的工作原理及靈敏度當(dāng)電橋后接放大器，電橋輸出端可看成開路。應(yīng)變片工作時，電阻R1產(chǎn)生變化R，電橋不再平衡，于是不平衡電壓輸出為：第三十張，PPT共七十七頁，創(chuàng)作于2022年6月設(shè)橋臂比

13、n=R2/R1=R4/R3, 而通常R15的小曲率圓環(huán), 可計算出A、 B兩點的應(yīng)變。 式中: h圓環(huán)厚度; b圓環(huán)寬度; E材料彈性模量。這樣, 測出A、 B處的應(yīng)變, 即可確定載荷F 。 與柱式相比, 應(yīng)力分布變化較大, 且有正有負(fù)，便于接成差動電橋。第五十七張，PPT共七十七頁，創(chuàng)作于2022年6月3. 梁式力傳感器力F作用于梁端三角形頂點上，梁內(nèi)各斷面產(chǎn)生的應(yīng)力相等，表面上的應(yīng)變也相等，所以對在l方向上應(yīng)變片位置要求不嚴(yán)。結(jié)構(gòu)簡單，易加工，靈敏度高，適合測量5000N以下的載荷和壓力。第五十八張，PPT共七十七頁，創(chuàng)作于2022年6月雙孔梁，載荷可以施加在任何位置，都可以簡化成作用于梁

14、端部的力F及一個力偶M，多用于小量程，如電子秤。雙孔S型彈性元件，適用于較小載荷。第五十九張，PPT共七十七頁，創(chuàng)作于2022年6月各種懸梁臂：第六十張，PPT共七十七頁，創(chuàng)作于2022年6月4. 剪切式力傳感器 應(yīng)變片安裝在彈性元件剪應(yīng)變最大處的主應(yīng)變方向。 剪切式力傳感器的輸出和精度比拉壓式力傳感器高。第六十一張，PPT共七十七頁，創(chuàng)作于2022年6月（二）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介質(zhì)的動態(tài)或靜態(tài)壓力。如動力管道設(shè)備的進出口氣體或液體的壓力、發(fā)動機內(nèi)部的壓力變化, 槍管及炮管內(nèi)部的壓力、內(nèi)燃機管道壓力等。 應(yīng)變片壓力傳感器大多采用膜片式或筒式彈性元件。第六十二張，

15、PPT共七十七頁，創(chuàng)作于2022年6月1. 膜片式壓力傳感器 如圖所示為膜片式壓力傳感器, 應(yīng)變片貼在膜片內(nèi)壁, 在壓力p作用下, 膜片產(chǎn)生徑向應(yīng)變r和切向應(yīng)變t, 表達式分別為:第六十三張，PPT共七十七頁，創(chuàng)作于2022年6月 式中: p膜片上均勻分布的壓力; R, h膜片的半徑和厚度; x離圓心的徑向距離。 在膜片中心即x=0處切向應(yīng)變和徑向應(yīng)變都達到最大，在x=R處， 第六十四張，PPT共七十七頁，創(chuàng)作于2022年6月 根據(jù)以上特點, 一般在平膜片圓心處（正應(yīng)變最大區(qū)）切向粘貼R1、R4兩個應(yīng)變片, 在邊緣處（負(fù)應(yīng)變最大區(qū)）沿徑向粘貼R2、R3兩個應(yīng)變片, 然后接成全橋測量電路。 四、

16、 應(yīng)變式加速度傳感器 應(yīng)變式加速度傳感器主要用于物體加速度的測量。 其基本工作原理是: 物體運動的加速度與作用在它上面的力成正比, 與物體的質(zhì)量成反比, 即a = F/m。 應(yīng)變片加速度傳感器不適用于頻率較高的振動和沖擊, 一般適用頻率為1060Hz范圍。 第六十五張，PPT共七十七頁，創(chuàng)作于2022年6月建議選用的測力傳感器彈性元件形式第六十六張，PPT共七十七頁，創(chuàng)作于2022年6月七、實際工程應(yīng)用舉例舉例1：橋梁固有頻率測量原理在橋中設(shè)置一三角形障礙物，利用汽車礙時的沖擊對橋梁進行激勵，再通過應(yīng)變片測量橋梁動態(tài)變形，得到橋梁固有頻率。第六十七張，PPT共七十七頁，創(chuàng)作于2022年6月舉例

17、2：電子稱原理將物品重量通過懸臂梁轉(zhuǎn)化結(jié)構(gòu)變形再通過應(yīng)變片轉(zhuǎn)化為電量輸出。第六十八張，PPT共七十七頁，創(chuàng)作于2022年6月2-3 壓阻式傳感器壓阻式傳感器利用硅的壓阻效應(yīng)和微電子技術(shù)制成。特點：靈敏度高、動態(tài)響應(yīng)好、精度高、易于微型化和 集成化。半導(dǎo)體應(yīng)變片制成的粘貼型壓阻傳感器力敏電阻與硅膜片一體化擴散型壓阻傳感器第六十九張，PPT共七十七頁，創(chuàng)作于2022年6月一、半導(dǎo)體壓阻效應(yīng)壓阻效應(yīng)：固體受到作用力后，電阻率就要發(fā)生變 化，這種現(xiàn)象稱為壓阻效應(yīng)。 所有材料在某種程度都呈現(xiàn)壓阻效應(yīng)，但在半導(dǎo)體材料中，這種效應(yīng)特別顯著。第七十張，PPT共七十七頁，創(chuàng)作于2022年6月 金屬應(yīng)變片發(fā)生應(yīng)變

18、后，使導(dǎo)體的幾何尺寸發(fā)生改變阻值變化 半導(dǎo)體材料的電阻大小取決于有限數(shù)目的載流子 空穴和電子的遷移。加在一定晶向上的外界應(yīng)力，引起半導(dǎo)體能帶的變化，使載流子的遷移率產(chǎn)生較大的變化，導(dǎo)致半導(dǎo)體電阻率產(chǎn)生相應(yīng)的變化。第七十一張，PPT共七十七頁，創(chuàng)作于2022年6月式中 k0半導(dǎo)體材料的靈敏系數(shù)。半導(dǎo)體應(yīng)變片金屬應(yīng)變片式中 k靈敏系數(shù)； 沿某晶向的壓阻系數(shù)； Ee半導(dǎo)體材料的彈性模量第七十二張，PPT共七十七頁，創(chuàng)作于2022年6月二、溫度誤差及其補償溫度誤差：零漂、靈敏度漂移零漂：壓阻式傳感器中，擴散電阻的溫度系數(shù)較大，電阻值隨溫度變化而變化，故引起傳感器的零位漂移。靈敏度漂移：傳感器靈敏度的溫漂是由于壓阻系數(shù)隨溫度變化而引起的。當(dāng)溫度升高時，壓阻系數(shù)變小，傳感器靈敏度要降低，反之，則靈敏