傳感器感測技術第1章重點課件

本章內容：1.電阻應變式傳感器的定義、工作原理及其分類；2.電阻應變片；3.測量電路；4.電阻應變式傳感器的應用。要求：掌握電阻應變式傳感器的工作原理、測量電路；掌握電阻應變式傳感器的分類及應用特點；了解其結構要求、應用情況等。第一章應變式傳感器本章內容：第一章應變式傳感器11.1電阻應變式傳感器一、電阻式傳感器將被測的非電量轉換成電阻的變化量的傳感元件。二、應變式傳感器根據(jù)應變效應，測量物體受力變形所產生應變的一類傳感器件。1.1電阻應變式傳感器2三、電阻應變式傳感器1、定義：通過應變片將被測物理量轉換成電阻變化的器件。2、特點：與其它類型的力學傳感器相比，結構簡單、使用方便、動態(tài)響應快、測試范圍寬、性能穩(wěn)定等優(yōu)點。3、組成：彈性元件，電阻應變片，外殼等。4、應用范圍：可用于力、壓力、加速度等力學量的測量，廣泛用于航天、機械、化工、建筑、紡織等領域。三、電阻應變式傳感器31.2電阻應變式傳感器工作原理一、基本原理“電阻應變效應”：導體的電阻隨著機械變形而發(fā)生變化的現(xiàn)象。二、工作原理外力作用使彈性體產生彈性變形，粘貼在其表面的電阻應變片也隨之變形，電阻值發(fā)生變化，通過測量電路將電阻變化轉換為電信號。外力電信號1.2電阻應變式傳感器工作原理外力電信號4三、力與電信號的轉換關系（對金屬應變片分析）設定一根圓柱形金屬絲，長度為l，橫截面的半徑為r

，橫截面積為A

，電阻率為ρ。電阻絲原始電阻值為：rl三、力與電信號的轉換關系（對金屬應變片分析）rl5Fdld

rrlF施加拉力F，電阻絲變形。設長度變化量為dl，橫截面積變化量為dA，電阻率的變化量為dρ。電阻值的相對變化量：FdldrrlF施加拉力F，電阻絲變形。6式中：dl/l—長度的相對變化量?？捎脩儲艁肀硎?。dA/A—截面積的相對變化量。有r為其半徑。其中，dr/r為電阻絲的橫向應變（徑向相對變形）；dl/l為電阻絲的縱向應變（軸向相對變形）。式中：dl/l—長度的相對變化量。可用應變ε來表示。dA/7長度相對變化量和截面積的相對變化量之間關系滿足：式中：負號表示兩變化量應變方向相反；

μ表示電阻絲材料的泊松比（即泊松系數(shù)）。merrdRdR++=)21(長度相對變化量和截面積的相對變化量之間關8

dρ/ρ表示電阻絲電阻率的相對變化，其值與電阻絲軸向所受正應力σ有關。關系式：

λ表示壓阻系數(shù)；σ表示電阻絲所受應變力；

E表示電阻絲材料的彈性模量。推出：merrdRdR++=)21(λλλdρ/ρ表示電阻絲電阻率的相對變化，其值與電阻9式中，（

1+2μ）ε是由電阻絲的幾何尺寸改變所引起的。同一種電阻材料，（

1+2μ）為常數(shù)。

λ

Eε是由電阻絲的電阻率隨應變改變所引起。對于金屬電阻絲，其值很小，可忽略?；啚椋篹m)21(RdR+=λ式中，（1+2μ）ε是由電阻絲的幾何尺寸改變所10金屬材料的應變系數(shù)（1+2μ）為定值時，測出應變片的電阻變化量，可求出應變片的應變ε。又σ=Eε，如已知彈性元件的彈性模量E，則可計算出外作用應變力σ的大小。即：通過電阻量的變化可得出外作用力的大小。金屬材料的應變系數(shù)（1+2μ）為定值時，測出11四、常見彈性元件的ε與F關系1.筒式彈性元件包括圓柱、圓筒、方柱等形狀。應變片測量時，一般成對粘貼在彈性元件表面，以感受零件的變形。R1R4R3R2F彈性元件2(1+μ)μFεES=2(1+μ)FεES=在應變電阻R1，R4處在應變電阻R2，R3處四、常見彈性元件的ε與F關系R1R4R3R2F彈性元件2(1122.懸臂梁式彈性元件其應變公式為：24FlεbhhE=其中，b是懸臂梁寬，h是懸臂厚，l是懸臂外端距應變片中心的長度，單位為（mm）。R1R4R2R3FhlR1R4b懸臂梁2.懸臂梁式彈性元件24FlεbhhE=其中，b133.兩端固定梁式彈性元件3lFεbhhE=R3R4R2R1l/2hFl/2R1R4b固定梁其中，l是雙端固定的長度，b是固定梁的寬度，h是固定梁的厚度，單位為（mm）。3.兩端固定梁式彈性元件3lFεbhhE=R314五、靈敏度金屬電阻應變片的應變系數(shù)靈敏度S。S=eRdRRdRldl=在電阻絲的拉伸極限里，S為常數(shù)。受金屬材料和電阻絲形狀影響。常用的靈敏度大小在1.7~3.6之間。五、靈敏度S=eRdRRdRldl=151.3電阻應變片一、定義一種能將被測試件上的應變變化轉換成電阻變化的敏感元件。二、分類電阻應變片金屬應變片金屬箔式應變片半導體應變片金屬絲式應變片1.3電阻應變片電阻應變片金屬應變片金屬箔式應變片半導體應變16三、應變片的結構1、金屬絲式應變片主要由敏感柵、基底、覆蓋層、引出線組成。其結構圖：三、應變片的結構172、金屬箔式應變片用柵狀金屬箔片代替柵狀金屬絲。其結構圖見書P44。可分為單絲柵式、雙絲柵式、三絲柵式、多絲柵式等。通常箔片厚約1μm~10μm。采用光刻腐蝕技術，適于大批量生產。尺寸準確、散熱好、粘貼好、傳遞試件應變性能好，目前使用較多。2、金屬箔式應變片18四、金屬電阻應變片的特性參數(shù)1、靈敏度S及橫向效應橫向效應影響柵狀電阻絲的電阻變化。2、絕緣電阻已粘貼的應變片的引線與被測件之間的電阻值Rm。（50~100MΩ以上）四、金屬電阻應變片的特性參數(shù)193、最大工作電流（也稱允許工作電流）已安裝的應變片允許通過敏感柵而不影響其工作特性的最大電流Imax。一般靜態(tài)測量時的允許工作電流為25mA左右，動態(tài)測量可以高些。箔式應變片比絲式應變片的允許工作電流大。4、初始電阻應變片未粘貼前在室溫下測得的靜態(tài)電阻值。常見有60、120、200、600、1000Ω等。3、最大工作電流（也稱允許工作電流）20五、金屬電阻應變片的溫度誤差及補償方法1、電阻應變片的溫度誤差由于測量現(xiàn)場環(huán)境溫度的改變，而給測量帶來的附加誤差。2、產生原因（1）敏感柵存在溫度系數(shù)；（2）試件與敏感柵材料的熱膨脹系數(shù)不同。3、補償方法有兩種：線路補償、應變片自補償。五、金屬電阻應變片的溫度誤差及補償方法21（1）線路補償法常見是電橋補償法。R1RBR4R3UUOUT（2）應變片的自補償法根據(jù)被測試件的線膨脹系數(shù)，選擇合適的敏感柵材料，使由溫度產生的變化量互相抵消。（1）線路補償法R1RBR4R3UUOUT22六、應變片的粘貼用特制膠水粘貼應變片。常用的粘結劑類型：硝化纖維素型、聚酯樹脂型、環(huán)氧樹脂性、酚醛樹脂型等。短時間測量也可采用502膠水。合適的粘結劑和正確的粘結工藝可提高應變片的測量精度。六、應變片的粘貼231.4測量電路一、直流電橋橋臂電阻電源電壓負載電阻求其輸出電壓Uo。1.4測量電路橋臂電阻電源電壓負載電阻求其輸出電壓Uo。24其輸出電壓為：若電橋電路處于平衡狀態(tài)，R1R4=R2R3，則輸出電壓Uo為零。改變電阻值，就能改變其輸出電壓。即可通過電壓變化反映阻值的變化。其輸出電壓為：若電橋電路處于平衡狀態(tài)，R1R4251、單臂電橋設R1為電阻應變片，外力作用時，電阻變化量為ΔR1。此時電路輸出電壓為：????è?+-+D+D+=43321111RRRRRRRREUo1、單臂電橋設R1為電阻????è?26推導有：若設橋臂比n=R2/R1，且ΔR1<<

R1

，R1R4=R2R3，該式可化簡為：推導有：若設橋臂27單臂電橋電路，在供電電壓確定，n=1時電橋電壓靈敏度最高。RRUSoU11D=4ESU=411RREUoD=單臂電橋電路，在供電電壓確定，n=1時電橋電壓靈敏282、半橋差動電路

該電橋輸出電壓為:2、半橋差動電路29對于半橋差動電路，若ΔR1=ΔR2，

R1=R2，

R3=R4，則有：2ESU=該電路無非線性誤差，且電橋電壓靈敏度是單臂電橋電壓電壓靈敏度的2倍。對于半橋差動電路，若ΔR1=ΔR2，R1=R302、全橋差動電路此時若ΔR1=ΔR2=ΔR3=ΔR4，且R1=R2=R3=R4，則有EsRREUUo=D=11無非線性誤差，且電壓靈敏度為單臂的4倍。2、全橋差動電路此時若EsRREUU31二、交流電橋由于應變片電橋電路輸出信號微弱，故多加放大器。而直流放大器易產生零點漂移，所以多用交流放大器進行放大處理。交流電橋電路的工作原理與直流電橋電路的工作原理相似。二、交流電橋32如：半橋差動交流電橋的構圖：兩橋臂呈現(xiàn)復阻抗特性。如：半橋差動交流電橋的構圖：兩橋臂呈現(xiàn)復阻抗特性。33當被測應力變化，有Z1=Z10+ΔZ，

Z2=Z20-ΔZ，且令Z10=Z20=Z0，電路輸出為：當被測應力變化，有Z1=Z10+ΔZ，Z2=341.5電阻應變式傳感器的應用1、應用方式（1）將應變片粘于被測構件上，直接用來測定構件的應變力。常用于研究或驗證機械、橋梁、建筑等某些構件在工作狀態(tài)下的受力。（2）將應變片粘于彈性元件上，與彈性元件一起構成應變式傳感器。常用于測量力、位移、壓力、加速度等物理參數(shù)。1.5電阻應變式傳感器的應用352、注意事項1）電阻應變片必須粘貼在試件或彈性元件上才能工作；2）電阻應變片所測為構件或彈性元件上某處的應變，而不是該處的應力或位移；3）應限制應變片上限測量值；（一般上限測量頻率應在電橋激勵電源頻率的1/5~1/10以下。）4）要采取相應的溫度補償措施。2、注意事項363、應用事例按應變式傳感器的用途不同，可分為應變式力傳感器、應變式壓力傳感器、應變式加速度傳感器。（1）應變式力傳感器主要用來測量荷重和力，在電子自動秤中應用非常普遍。要求具有較高靈敏度和穩(wěn)定性，且不受外界影響。3、應用事例37如：紗線張力檢測。阻尼器連桿應變片紗線如：紗線張力檢測。阻尼器連桿應變片紗線38（2）應變式壓力傳感器主要用來測量流動介質動態(tài)或靜態(tài)壓力。多采用膜片式或筒式彈性原件。如插入式液體重量傳感器。電阻應變敏感元件感壓膜微壓傳感器傳壓桿（2）應變式壓力傳感器電阻應變敏感元件感壓膜微壓39（3）應變加速度傳感器主要用于物體加速度的測量，但不適于頻率較高的振動和沖擊，適用頻率為10~60Hz?；竟ぷ髟硎牵何矬w運動的速度與作用在它上面的力成正比，與物體的質量成反比。m懸臂梁基座質量塊應變片（3）應變加速度傳感器m懸臂梁基座質量塊應變片40本章內容：1.電阻應變式傳感器的定義、工作原理及其分類；2.電阻應變片；3.測量電路；4.電阻應變式傳感器的應用。要求：掌握電阻應變式傳感器的工作原理、測量電路；掌握電阻應變式傳感器的分類及應用特點；了解其結構要求、應用情況等。第一章應變式傳感器本章內容：第一章應變式傳感器411.1電阻應變式傳感器一、電阻式傳感器將被測的非電量轉換成電阻的變化量的傳感元件。二、應變式傳感器根據(jù)應變效應，測量物體受力變形所產生應變的一類傳感器件。1.1電阻應變式傳感器42三、電阻應變式傳感器1、定義：通過應變片將被測物理量轉換成電阻變化的器件。2、特點：與其它類型的力學傳感器相比，結構簡單、使用方便、動態(tài)響應快、測試范圍寬、性能穩(wěn)定等優(yōu)點。3、組成：彈性元件，電阻應變片，外殼等。4、應用范圍：可用于力、壓力、加速度等力學量的測量，廣泛用于航天、機械、化工、建筑、紡織等領域。三、電阻應變式傳感器431.2電阻應變式傳感器工作原理一、基本原理“電阻應變效應”：導體的電阻隨著機械變形而發(fā)生變化的現(xiàn)象。二、工作原理外力作用使彈性體產生彈性變形，粘貼在其表面的電阻應變片也隨之變形，電阻值發(fā)生變化，通過測量電路將電阻變化轉換為電信號。外力電信號1.2電阻應變式傳感器工作原理外力電信號44三、力與電信號的轉換關系（對金屬應變片分析）設定一根圓柱形金屬絲，長度為l，橫截面的半徑為r

，橫截面積為A

，電阻率為ρ。電阻絲原始電阻值為：rl三、力與電信號的轉換關系（對金屬應變片分析）rl45Fdld

rrlF施加拉力F，電阻絲變形。設長度變化量為dl，橫截面積變化量為dA，電阻率的變化量為dρ。電阻值的相對變化量：FdldrrlF施加拉力F，電阻絲變形。46式中：dl/l—長度的相對變化量?？捎脩儲艁肀硎?。dA/A—截面積的相對變化量。有r為其半徑。其中，dr/r為電阻絲的橫向應變（徑向相對變形）；dl/l為電阻絲的縱向應變（軸向相對變形）。式中：dl/l—長度的相對變化量?？捎脩儲艁肀硎?。dA/47長度相對變化量和截面積的相對變化量之間關系滿足：式中：負號表示兩變化量應變方向相反；

μ表示電阻絲材料的泊松比（即泊松系數(shù)）。merrdRdR++=)21(長度相對變化量和截面積的相對變化量之間關48

dρ/ρ表示電阻絲電阻率的相對變化，其值與電阻絲軸向所受正應力σ有關。關系式：

λ表示壓阻系數(shù)；σ表示電阻絲所受應變力；

E表示電阻絲材料的彈性模量。推出：merrdRdR++=)21(λλλdρ/ρ表示電阻絲電阻率的相對變化，其值與電阻49式中，（

1+2μ）ε是由電阻絲的幾何尺寸改變所引起的。同一種電阻材料，（

1+2μ）為常數(shù)。

λ

Eε是由電阻絲的電阻率隨應變改變所引起。對于金屬電阻絲，其值很小，可忽略。化簡為：em)21(RdR+=λ式中，（1+2μ）ε是由電阻絲的幾何尺寸改變所50金屬材料的應變系數(shù)（1+2μ）為定值時，測出應變片的電阻變化量，可求出應變片的應變ε。又σ=Eε，如已知彈性元件的彈性模量E，則可計算出外作用應變力σ的大小。即：通過電阻量的變化可得出外作用力的大小。金屬材料的應變系數(shù)（1+2μ）為定值時，測出51四、常見彈性元件的ε與F關系1.筒式彈性元件包括圓柱、圓筒、方柱等形狀。應變片測量時，一般成對粘貼在彈性元件表面，以感受零件的變形。R1R4R3R2F彈性元件2(1+μ)μFεES=2(1+μ)FεES=在應變電阻R1，R4處在應變電阻R2，R3處四、常見彈性元件的ε與F關系R1R4R3R2F彈性元件2(1522.懸臂梁式彈性元件其應變公式為：24FlεbhhE=其中，b是懸臂梁寬，h是懸臂厚，l是懸臂外端距應變片中心的長度，單位為（mm）。R1R4R2R3FhlR1R4b懸臂梁2.懸臂梁式彈性元件24FlεbhhE=其中，b533.兩端固定梁式彈性元件3lFεbhhE=R3R4R2R1l/2hFl/2R1R4b固定梁其中，l是雙端固定的長度，b是固定梁的寬度，h是固定梁的厚度，單位為（mm）。3.兩端固定梁式彈性元件3lFεbhhE=R354五、靈敏度金屬電阻應變片的應變系數(shù)靈敏度S。S=eRdRRdRldl=在電阻絲的拉伸極限里，S為常數(shù)。受金屬材料和電阻絲形狀影響。常用的靈敏度大小在1.7~3.6之間。五、靈敏度S=eRdRRdRldl=551.3電阻應變片一、定義一種能將被測試件上的應變變化轉換成電阻變化的敏感元件。二、分類電阻應變片金屬應變片金屬箔式應變片半導體應變片金屬絲式應變片1.3電阻應變片電阻應變片金屬應變片金屬箔式應變片半導體應變56三、應變片的結構1、金屬絲式應變片主要由敏感柵、基底、覆蓋層、引出線組成。其結構圖：三、應變片的結構572、金屬箔式應變片用柵狀金屬箔片代替柵狀金屬絲。其結構圖見書P44?？煞譃閱谓z柵式、雙絲柵式、三絲柵式、多絲柵式等。通常箔片厚約1μm~10μm。采用光刻腐蝕技術，適于大批量生產。尺寸準確、散熱好、粘貼好、傳遞試件應變性能好，目前使用較多。2、金屬箔式應變片58四、金屬電阻應變片的特性參數(shù)1、靈敏度S及橫向效應橫向效應影響柵狀電阻絲的電阻變化。2、絕緣電阻已粘貼的應變片的引線與被測件之間的電阻值Rm。（50~100MΩ以上）四、金屬電阻應變片的特性參數(shù)593、最大工作電流（也稱允許工作電流）已安裝的應變片允許通過敏感柵而不影響其工作特性的最大電流Imax。一般靜態(tài)測量時的允許工作電流為25mA左右，動態(tài)測量可以高些。箔式應變片比絲式應變片的允許工作電流大。4、初始電阻應變片未粘貼前在室溫下測得的靜態(tài)電阻值。常見有60、120、200、600、1000Ω等。3、最大工作電流（也稱允許工作電流）60五、金屬電阻應變片的溫度誤差及補償方法1、電阻應變片的溫度誤差由于測量現(xiàn)場環(huán)境溫度的改變，而給測量帶來的附加誤差。2、產生原因（1）敏感柵存在溫度系數(shù)；（2）試件與敏感柵材料的熱膨脹系數(shù)不同。3、補償方法有兩種：線路補償、應變片自補償。五、金屬電阻應變片的溫度誤差及補償方法61（1）線路補償法常見是電橋補償法。R1RBR4R3UUOUT（2）應變片的自補償法根據(jù)被測試件的線膨脹系數(shù)，選擇合適的敏感柵材料，使由溫度產生的變化量互相抵消。（1）線路補償法R1RBR4R3UUOUT62六、應變片的粘貼用特制膠水粘貼應變片。常用的粘結劑類型：硝化纖維素型、聚酯樹脂型、環(huán)氧樹脂性、酚醛樹脂型等。短時間測量也可采用502膠水。合適的粘結劑和正確的粘結工藝可提高應變片的測量精度。六、應變片的粘貼631.4測量電路一、直流電橋橋臂電阻電源電壓負載電阻求其輸出電壓Uo。1.4測量電路橋臂電阻電源電壓負載電阻求其輸出電壓Uo。64其輸出電壓為：若電橋電路處于平衡狀態(tài)，R1R4=R2R3，則輸出電壓Uo為零。改變電阻值，就能改變其輸出電壓。即可通過電壓變化反映阻值的變化。其輸出電壓為：若電橋電路處于平衡狀態(tài)，R1R4651、單臂電橋設R1為電阻應變片，外力作用時，電阻變化量為ΔR1。此時電路輸出電壓為：????è?+-+D+D+=43321111RRRRRRRREUo1、單臂電橋設R1為電阻????è?66推導有：若設橋臂比n=R2/R1，且ΔR1<<

R1

，R1R4=R2R3，該式可化簡為：推導有：若設橋臂67單臂電橋電路，在供電電壓確定，n=1時電橋電壓靈敏度最高。RRUSoU11D=4ESU=411RREUoD=單臂電橋電路，在供電電壓確定，n=1時電橋電壓靈敏682、半橋差動電路

該電橋輸出電壓為:2、半橋差動電路69對于半橋差動電路，若ΔR1=ΔR2，

R1=R2，

R3=R4，則有：2ESU=該電路無非線性誤差，且電橋電壓靈敏度是單臂電橋電壓電壓靈敏度的2倍。對于半橋差動電路，若ΔR1=ΔR2，R1=R702、全橋差動電路此時若ΔR1=ΔR2=ΔR3=ΔR4，且R1=R2=R3=R4，則有EsRREUUo=D=11無非線性誤差，且電壓靈敏度為單臂的4倍。2、全橋差動電路此時若EsRREUU71