傳感器-02應變式傳感器

傳感器原理及應用2013年4月22日PrinciplesandApplicationsofTransducer機械與汽車工程學院主講：黃海鴻電郵：allenhuanghaihong@163.com地址：機械樓417室1課前回顧網(wǎng)上申請樣片，例如：ADI，MAXIM，……2課前回顧v.s.傳統(tǒng)汽車智能汽車3課前回顧空心軸編碼器實心軸編碼器激光測距傳感器視覺傳感器磁柱磁傳感器4第二章應變式傳感器電阻式傳感器電阻式傳感器的類別與特性電阻元件非電量電阻變化5第二章應變式傳感器第一節(jié)金屬應變片式傳感器金屬材料，應變效應第二節(jié)

壓阻式傳感器半導體材料，壓阻效應6第二章應變式傳感器用途：用于檢測物體機械形變的傳感器，從而測量物體所受的力。原理：應變片（應變計）的電阻體因外力作用產(chǎn)生變形，引起其電阻值變化。即：形變改變電阻值。詞匯：Straingauge7金屬應變片式傳感器使用金屬應變片，將被測試件上的應變變化轉(zhuǎn)換成電阻值變化將應變片用粘結(jié)劑粘貼在被測試件表面上通過測量電路將應變片電阻值的變化轉(zhuǎn)換成電壓（或電流）信號輸出金屬應變片的類型金屬絲式金屬箔式第二章應變式傳感器8應變式電阻傳感器

應變式電阻傳感器作為測力的主要傳感器，測力范圍小到肌肉纖維，大到登月火箭，精確度可到0.01—0.1%。有拉壓式（柱、筒、環(huán)元件）、彎曲式、剪切式。應變式傳感器特征：材料類型：金屬應變片、半導體應變片

應用范圍：應變力、壓力、轉(zhuǎn)矩、位移、加速度主要優(yōu)點：使用簡單、精度高、范圍大、體積小第二章應變式傳感器電阻應變片的發(fā)展歷史1856年，W.Thomoson發(fā)現(xiàn)金屬絲的應變效應，并用惠斯通電橋精確測量電阻的變化。1938年，E.Simmons和A.Ruge制成紙基絲繞式應變片。1953年，P.Jackson用光刻技術(shù)制成箔式應變片。1954年，C.Smith發(fā)現(xiàn)半導體材料的壓阻效應。1957年，W.Mason研制出半導體應變片。第二章應變式傳感器102.1.1金屬絲式應變片金屬絲電阻的相對變化與金屬絲的伸縮之間存在比例關(guān)系應變效應應力：力/受力面積，例如：+F/A應變：長度變化/未加應力時原長彈性（楊氏）模量：E=應力/應變電阻值的相對變化：

ΔR/R=Ks

?式中，Ks為金屬絲的應變靈敏系數(shù)，實驗證明Ks為常數(shù)。

受力導致形變，軸向應變，彈性形變，彈性元件112.1.1金屬絲式應變片12幾個關(guān)鍵公式2.1.1金屬絲式應變片132.1.1金屬絲式應變片結(jié)構(gòu)組成敏感柵：由金屬細絲繞成柵形，實現(xiàn)應變-電阻轉(zhuǎn)換的敏感元件基底和蓋片：保持敏感柵、引線的幾何形狀和相對位置引線：從敏感柵中引出的細金屬線粘結(jié)劑：將敏感柵固定于基底上142.1.1金屬絲式應變片主要特性靈敏度系數(shù)（標稱靈敏系數(shù)）K，K<

Ks橫向效應，圓弧過渡部分使靈敏系數(shù)K下降機械滯后零點漂移和蠕變應變極限動態(tài)特性溫度誤差及補償由于絲式應變片的靈敏系數(shù)較小，多采用箔式應變片。應變計的長度要長、橫柵要小。測量結(jié)果表明，應變片的靈敏系數(shù)一般小于敏感材料的靈敏度系數(shù)。一、電阻應變片的靈敏系數(shù)主要影響因素：敏感柵結(jié)構(gòu)形狀、成型工藝、粘結(jié)劑和基底性能，特別是橫向效應。被測體應變片ＦＦ標稱靈敏系數(shù)：靈敏系數(shù)值通常采用從批量生產(chǎn)中每批抽樣，在規(guī)定條件下，通過實測來確定，應變片的靈敏系數(shù)稱為標稱靈敏系數(shù)。應變片的靈敏系數(shù)直接關(guān)系到應變測量的精度。2.1.1金屬絲式應變片16應變片敏感柵的兩端為半圓弧形的橫柵，測量應變時，構(gòu)件的軸向應變使敏感柵電阻發(fā)生變化，而其橫向應變也使敏感柵半圓弧部分的電阻發(fā)生變化。

應變片的這種既受軸向應變影響，又受橫向應變影響而引起電阻變化的現(xiàn)象稱為橫向效應。

直線電阻絲繞成敏感柵后，雖然長度相同，但應變不同，園弧部分使靈敏系數(shù)K↓下降，這種現(xiàn)象稱為橫向效應。二、電阻應變片的橫向效應2.1.1金屬絲式應變片17機械滯后產(chǎn)生原因：（1）應變片在承受機械應變后的殘余變形，使敏感柵電阻發(fā)生少量不可逆變化；（2）在制造或粘貼應變片時，敏感柵受到的不適當?shù)淖冃位蛘辰Y(jié)劑固化不充分等。應變片粘貼在被測試件上，當溫度恒定時，其加載特性與卸載特性不重合，即為機械滯后。三、電阻應變片的機械滯后應變片的機械滯后ΔεΔε1機械應變εR卸載加載指示應變εi還與應變片所承受的應變量有關(guān)，加載時的應變愈大，卸載時的滯后也愈大。通常在實驗之前預先加、卸載若干次，以減少因機械滯后誤差。2.1.1金屬絲式應變片零點漂移對于粘貼好的應變片，當溫度恒定時，不承受應變時，其電阻值隨時間增加而變化的特性，稱為應變片的零點漂移。零點漂移產(chǎn)生的原因：敏感柵通電后的溫度效應；應變片的內(nèi)應力逐漸變化；粘結(jié)劑固化不充分等。

蠕變在一定溫度下應變片承受恒定的機械應變時，電阻值隨時間增加而變化的特性稱為蠕變。一般蠕變的方向與原應變量的方向相反。蠕變產(chǎn)生的原因：膠層之間發(fā)生“滑動”，使力傳到敏感柵的應變量逐漸減少。四、電阻應變片的機械滯后、零漂及蠕變2.1.1金屬絲式應變片19靈敏系數(shù)為常數(shù)，這種情況只能在一定的應變范圍內(nèi)才能保持，當試件表面的應變超過某一數(shù)值時，它們之間的比例關(guān)系不再成立。應變極限：在一定溫度下，應變片的指示應變對測試值的真實應變的相對誤差不超過規(guī)定范圍（一般為10%）時的最大真實應變值。應變片的應變極限εj真實應變εg指示應變εi100%90%五、電阻應變片的應變極限真實應變：因工作溫度變化或承受機械載荷，在被測試件內(nèi)產(chǎn)生應力時所引起的表面應變。2.1.1金屬絲式應變片201、電阻值

應變片的電阻值是指應變片沒有粘貼且未受應變時，在室溫下測定的電阻值，即初始電阻值。金屬電阻應變片的電阻值已標準化，有一定的系列，如60Ω、120Ω、250Ω、350Ω和1000Ω，其中以120Ω最為常用。六、電阻應變片的電阻值、絕緣電阻和最大工作電流2、絕緣電阻應變片絕緣電阻是指已粘貼的應變片的引線與被測件之間的電阻值Rm。通常要求Rm在50~100MΩ以上。2.1.1金屬絲式應變片21六、電阻應變片的電阻值、絕緣電阻和最大工作電流2、絕緣電阻絕緣電阻下降使測量系統(tǒng)的靈敏度降低。Rm取決于粘結(jié)劑及基底材料的種類及固化工藝。在常溫使用條件下要采取必要的防潮措施；在中溫或高溫條件下要選取絕緣性好的粘結(jié)劑和基底材料。3、最大工作電流

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。工作電流大，輸出信號大，靈敏度高。但工作電流過大會使應變片過熱，靈敏系數(shù)產(chǎn)生變化，零漂及蠕變增加，甚至燒毀應變片。工作電流的選取要根據(jù)試件的導熱性能及敏感柵形狀和尺寸來決定。通常靜態(tài)測量時取25mA左右；動態(tài)測量時可取75～100mA。測量材料散熱好，可取大一些；導熱性差，可取小一些。2.1.1金屬絲式應變片22補償方法：單絲自補償應變片、雙絲組合式自補償應變片、電路補償法

用作測量的應變片，希望阻值僅隨應變變化，而不受其它因素的影響。實際上應變片的阻值受環(huán)境溫度(包括被測試件的溫度)影響很大。

環(huán)境溫度變化引起的電阻變化與試件應變所造成的電阻變化幾乎有相同的數(shù)量級，產(chǎn)生很大的測量誤差，稱為應變片的溫度誤差，又稱熱輸出。因環(huán)境溫度改變而引起電阻變化的兩個主要因素：（1）應變片的敏感柵具有一定溫度系數(shù)；（2）應變片材料與測試材料的線膨脹系數(shù)不同。設(shè)環(huán)境溫度變化為Δt（℃）時，應變片敏感柵材料的電阻溫度系數(shù)為αt，則應變片產(chǎn)生的電阻相對變化為七、電阻應變片的溫度誤差及補償

1、溫度誤差2.1.1金屬絲式應變片23測量電路–直流電橋電橋平衡條件當電橋平衡時，Uo=0，則有R1R4=R2R3或電壓靈敏度？？？當E值確定后，n取何值時才能使KU最高？2.1.1金屬絲式應變片24分析：思路：dKU/dn=0求KU的最大值求得n=1時，KU為最大值。即在供橋電壓確定后，當R1=R2=R3=R4時，電橋電壓靈敏度最高，此時有結(jié)論：當電源電壓E和電阻相對變化量ΔR1/R1一定時，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)。2.1.1金屬絲式應變片25差動電橋2.1.1金屬絲式應變片溫度誤差的電路補償法測量應變時，使用兩個應變片，一片貼在被測試件的表面,稱為工作應變片R1

；一片貼在與被測試件材料相同的補償塊上，稱為補償應變片R2。在工作過程中，補償塊不承受應變，僅隨溫度發(fā)生變形。R1R2補償塊試件2.1.1金屬絲式應變片27當被測試件不承受應變時，R1與R2接入電橋相鄰臂上，R1和R2處于同一溫度場，調(diào)整電橋參數(shù)，可使電橋輸出電壓為零，即R4ER2R1R3橋路補償法U0當溫度升高或降低Δt時，選擇R1=R2=R及R3=R4=r，若ΔR1t=ΔR2t，即兩個應變片的熱輸出相等，則電橋的輸出電壓為2.1.1金屬絲式應變片電路補償法28當被測試件受應變作用時，工作片R1感受應變，阻值變化ΔR1；而補償片R2不承受應變，阻值不變。這時電橋輸出電壓為R4ER2R1R3橋路補償法U0電橋輸出電壓U0，

只與應變ε有關(guān)，與溫度無關(guān)。優(yōu)點：簡單易行，可在較大溫度范圍內(nèi)補償。缺點：條件不易滿足；尤其在溫度場梯度大的測試條件下很難處于相同溫度點。2.1.1金屬絲式應變片電路補償法29根據(jù)被測試件承受應變的情況，有時也可不另加專門的補償塊，補償片直接貼在被測試件上。這樣既能起到溫度補償作用，又能提高輸出的靈敏度。

梁受彎曲應變時，應變片R1和R2的變形方向相反，上面受拉，下面受壓，應變絕對值相等，符號相反，可使輸出電壓增加一倍。當溫度變化時，兩應變片阻值變化的符號相同，大小相等，電橋不產(chǎn)生輸出，達到了補償?shù)哪康?。R1R2F構(gòu)件受彎曲應力構(gòu)件受單向應力FFR1R2構(gòu)件受單向應力時，工作片R2的軸線順著應變方向，補償片R1的軸線和應變方向垂直。2.1.1金屬絲式應變片電路補償法302.1.2金屬箔式應變片電阻敏感元件通過光刻、腐蝕等工序制成的薄金屬箔柵箔式應變計的參數(shù)：1．陣列寬度；2．柵陣列寬度；3．陣列長度(基底)；4．端環(huán)；5．有效柵陣列長度；6．應變計總長；7．對位標記。312.1.3應變式傳感器應變式傳感器組成彈性敏感元件：將被測物理量轉(zhuǎn)換為彈性體的應變值應變片外殼，等根據(jù)用途進行分類測力（荷重）：柱（筒）式、梁式、輪輻式測壓力：膜片式、筒式、組合式加速度傳感器彈性元件的結(jié)構(gòu)不同應變片多為一次性使用322.1.3應變式傳感器根據(jù)使用方式分類作為敏感元件，直接用于被測試件的應變測量作為轉(zhuǎn)換元件，通過彈性元件構(gòu)成傳感器，用以對任何能轉(zhuǎn)變成彈性元件應變的其它物理量作簡接測量332.1.3應變式傳感器測力稱重（荷重），例如：電子秤概念：被測物理量為荷重或力的應變式傳感器時，統(tǒng)稱為應變式力傳感器。用途：各種電子稱與材料試驗機的測力元件、發(fā)動機的推力測試、水壩壩體承載狀況監(jiān)測等。特點：應變式力傳感器要求有較高的靈敏度和穩(wěn)定性，在受到側(cè)向作用力或力的作用點少量變化時，不應對輸出有明顯的影響。常見種類：1、柱（筒）式力傳感器2、環(huán)式力傳感器3、懸臂梁式力傳感器F342.1.3應變式傳感器測力柱（筒）式力傳感器縱向貼片：減小載荷偏心，橫向貼片：溫度補償。柱筒式力傳感器，應變片粘貼在彈性體外壁應力分布均勻的中間部分。應變片對稱地粘貼多片，電橋接線時考慮盡量減小載荷偏心和彎矩影響。橫向貼片可提高靈敏度并作溫度補償用。柱（筒）式力傳感器F-ε2+ε1面積SF實心圓柱F面積S-ε1+ε2空心圓柱FR6R7R8R2R3R4R5R1圓柱面展開圖u0U0R1R3R5R7R6R8R2R4橋路連接2.1.3應變式傳感器362.1.3應變式傳感器梁式力傳感器使用差動全橋電路：改善非線性誤差，提高輸出靈敏度，進行溫度補償。平行雙孔梁工字梁S型梁2.1.3應變式傳感器梁式力傳感器其他形式梁懸臂梁式力傳感器電子天平的精度可達十萬分之一電子天平吊鉤秤2.1.3應變式傳感器392.1.3應變式傳感器測扭矩應變片在圓周均布，與軸線成±45°夾角，測量軸剪切力。402.1.3應變式傳感器扭矩傳感器的應用自動擰緊機

認帽 高速擰緊 低速擰緊412.1.3應變式傳感器扭矩傳感器的應用汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS）在彈性軸上粘貼應變片組成測量電橋，當彈性軸受扭矩產(chǎn)生微小變形后引起電橋電阻值變化，應變電橋電阻的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柕淖兓?，從而實現(xiàn)扭矩測量。電子控制單元422.1.3應變式傳感器六維腕力傳感器分別由三個方向的力、力矩組成SCARA機器人ATI公司的腕力傳感器F/TDAQ

432.1.3應變式傳感器六維腕力傳感器：放置物體和自動裝配圓底端物體放置、圓軸孔裝配442.1.3應變式傳感器六維腕力傳感器：抓持物體提供力覺臨場感裝有力傳感器的機器人手爪452.1.3應變式傳感器測流體（液體、氣體）壓力膜片式：在壓力的作用下，膜片產(chǎn)生徑向、切向應變筒式：筒體內(nèi)壁因壓力發(fā)生形變，使應變片產(chǎn)生應變組合式：不是采用粘貼方式，而是通過將感壓元件的位移傳遞到貼有應變片的其他彈性元件上用途測量管道內(nèi)部壓力，內(nèi)燃機燃氣的壓力，壓差和噴射壓力，發(fā)動機和導彈試驗中的脈動壓力，以及各種領(lǐng)域中的流體壓力等測大壓力462.1.3應變式傳感器測流體壓力膜片式壓力傳感器：膜片兩邊存在壓力差時，膜片產(chǎn)生變形，膜片上各點產(chǎn)生應力。輸出電壓與膜片兩邊的壓力差成正比。膜片式壓力傳感器的圓箔式應變片膜片式壓力傳感器原理472.1.3應變式傳感器測液位將壓力敏感元件裝入不銹鋼殼體內(nèi)，殼體端部的鋼帽保護壓力敏感元件感壓膜片，并使流體接觸到感壓膜片。感壓膜傳壓桿電阻應變敏感元件微壓傳感器482.1.3應變式傳感器加速度傳感器由端部固定并帶有慣性質(zhì)量塊m的懸臂梁及貼在梁根部的應變片、基座和外殼等組成，是一種慣性測量元件（InertialMeasurementUnit,IMU）。測量時，根據(jù)振動體加速度的方向，把傳感器固定在被測部位。懸臂梁自由端受慣性力F=ma，質(zhì)量塊向相反方向運動，使梁發(fā)生彎曲變形。輸出量與加速度成正比。1懸臂梁；2應變片；3質(zhì)量塊；4殼體；5引線；6運動方向4492.1.3應變式傳感器加速度傳感器的應用測量物體的傾斜角度（要求物體無運動加速度）測量物體的振動，例如：筆記本、硬盤、相機……實驗過程：ADI公司雙軸加速度計502.1.3應變式傳感器加速度傳感器數(shù)據(jù)分析某一方向的振動引起輸出值明顯變化，輸出值不再表示傾角，如y方向測量適合測低頻振動頻率范圍在10~60Hz無振動時，加速度計可以較精確測量傾斜角度，如x方向傾角512.2壓阻式傳感器壓阻效應半導體材料在受到應力作用后，其電阻率發(fā)生明顯變化在外力作用下，原子點陣排列發(fā)生變化，導致載流子遷移率及濃度發(fā)生變化壓阻式傳感器由單晶半導體經(jīng)切型、切條、光刻腐蝕成形，然后粘貼在薄的絕緣基片，最后再加上保護層常用半