傳感器原理及應(yīng)用-第3章-應(yīng)變式傳感器

電阻應(yīng)變式傳感器

第三章應(yīng)變式傳感器電阻元件非電量電阻變化電阻應(yīng)變式傳感器利用電阻應(yīng)變片將應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻變化的傳感器。組成在彈性元件上粘貼電阻應(yīng)變敏感元件構(gòu)成。工作過(guò)程當(dāng)被測(cè)物理量作用在彈性元件上時(shí),彈性元件的變形引起應(yīng)變敏感元件的阻值變化,通過(guò)轉(zhuǎn)換電路將其轉(zhuǎn)變成電量輸出,電量變化的大小反映了被測(cè)物理量的大小。

第三章應(yīng)變式傳感器

應(yīng)變式電阻傳感器作為測(cè)力的主要傳感器，測(cè)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(yīng)變式傳感器特征：材料類(lèi)型：金屬應(yīng)變片、半導(dǎo)體應(yīng)變片應(yīng)用范圍：應(yīng)變力、壓力、轉(zhuǎn)矩、位移、加速度主要優(yōu)點(diǎn)：使用簡(jiǎn)單、精度高、范圍大、體積小電阻應(yīng)變式傳感器電阻應(yīng)變片的發(fā)展歷史

第三章應(yīng)變式傳感器1856年，W.Thomoson發(fā)現(xiàn)金屬絲的應(yīng)變效應(yīng)，并用惠斯通電橋精確測(cè)量電阻的變化。1938年，E.Simmons和A.Ruge制成紙基絲繞式應(yīng)變片。1953年，P.Jackson用光刻技術(shù)制成箔式應(yīng)變片。1954年，C.Smith發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)。1957年，W.Mason研制出半導(dǎo)體應(yīng)變片。

第三章應(yīng)變式傳感器3.1電阻應(yīng)變片的工作原理3.2電阻應(yīng)變片的種類(lèi)3.3電阻應(yīng)變片的主要特性3.4電阻應(yīng)變片的測(cè)量電路3.5應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用應(yīng)變式傳感器的核心元件：電阻應(yīng)變片，試件上的應(yīng)力變化轉(zhuǎn)換成電阻變化。應(yīng)變效應(yīng):導(dǎo)體或半導(dǎo)體在受到外界力的作用時(shí)，產(chǎn)生機(jī)械變形，機(jī)械變形導(dǎo)致其阻值變化，這種因形變而使阻值發(fā)生變化的現(xiàn)象稱(chēng)為應(yīng)變效應(yīng)。應(yīng)變效應(yīng)§3.1電阻應(yīng)變片的工作原理

金屬絲的應(yīng)變效應(yīng)ll+dl2r2(r-dr)FF

§3.1電阻應(yīng)變片的工作原理

一、金屬的應(yīng)變效應(yīng)§3.1電阻應(yīng)變片的工作原理一、金屬的應(yīng)變效應(yīng)即金屬的電阻相對(duì)變化與應(yīng)變成正比關(guān)系。

§3.1電阻應(yīng)變片的工作原理一、金屬的應(yīng)變效應(yīng)

通過(guò)彈性元件，可將應(yīng)力轉(zhuǎn)換為應(yīng)變，這是應(yīng)變式傳感器測(cè)量應(yīng)力的基本原理?！?.1電阻應(yīng)變片的工作原理一、金屬的應(yīng)變效應(yīng)半導(dǎo)體應(yīng)變片又稱(chēng)為壓阻式傳感器。基于半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)而制成的一種純電阻性元件。§3.1電阻應(yīng)變片的工作原理壓阻效應(yīng)半導(dǎo)體材料的電阻率隨作用應(yīng)力的變化而發(fā)生變化的現(xiàn)象。

半導(dǎo)體材料敏感條電阻率的相對(duì)變化值與其在軸向所受的應(yīng)力之比為一常數(shù)。即二、半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)當(dāng)半導(dǎo)體材料受軸向力作用時(shí)，電阻相對(duì)變化為

幾何形狀壓阻效應(yīng)

§3.1電阻應(yīng)變片的工作原理半導(dǎo)體應(yīng)變片的靈敏系數(shù)比金屬絲式的高50～80倍，但半導(dǎo)體材料的溫度系數(shù)大，應(yīng)變時(shí)非線(xiàn)性比較嚴(yán)重，使應(yīng)用范圍受到一定的限制。半導(dǎo)體應(yīng)變片的優(yōu)點(diǎn)：體積小，靈敏度高，頻率響應(yīng)范圍寬，輸出幅值大，不需要放大器，可直接與記錄儀連接，使測(cè)量系統(tǒng)簡(jiǎn)單。二、半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)

第三章應(yīng)變式傳感器3.1電阻應(yīng)變片的工作原理3.2電阻應(yīng)變片的種類(lèi)3.3電阻應(yīng)變片的主要特性3.4電阻應(yīng)變片的測(cè)量電路3.5應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用§3.2電阻應(yīng)變片的種類(lèi)金屬電阻應(yīng)變片半導(dǎo)體電阻應(yīng)變片電阻應(yīng)變片按材料分類(lèi)：按結(jié)構(gòu)分類(lèi)：按使用環(huán)境分類(lèi)：?jiǎn)纹?、雙片、特殊形狀

高溫、低溫、高壓、磁場(chǎng)、水下絲式箔式薄膜式

基片覆蓋層金屬絲引線(xiàn)金屬絲應(yīng)變片結(jié)構(gòu)1、金屬絲式應(yīng)變片金屬電阻絲（合金，電阻率高，直徑約0.02mm）粘貼在絕緣基片上，上面覆蓋一層薄膜，變成一個(gè)整體?！?.2電阻應(yīng)變片的種類(lèi)利用光刻、腐蝕等工藝制成一種很薄的金屬箔柵，厚度一般在0.003~0.010mm，粘貼在基片上，上面再覆蓋一層薄膜而制成。優(yōu)點(diǎn)：表面積和截面積之比大，散熱條件好，允許通過(guò)的電流較大，可制成各種需要的形狀，便于批量生產(chǎn)。金屬箔式應(yīng)變片§3.2電阻應(yīng)變片的種類(lèi)2、金屬箔式應(yīng)變片金屬薄膜應(yīng)變片是采用真空蒸鍍或?yàn)R射式陰極擴(kuò)散等方法，在薄的基底材料上制成一層金屬電阻材料薄膜以形成應(yīng)變片。特點(diǎn)：這種應(yīng)變片有較高的靈敏度系數(shù)，允許電流密度大，工作溫度范圍較廣。常用金屬薄膜應(yīng)變片§3.2電阻應(yīng)變片的種類(lèi)3、金屬薄膜應(yīng)變片

第三章應(yīng)變式傳感器3.1電阻應(yīng)變片的工作原理3.2電阻應(yīng)變片的種類(lèi)3.3電阻應(yīng)變片的主要特性3.4電阻應(yīng)變片的測(cè)量電路3.5應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用變形

物體在外力作用下而改變?cè)瓉?lái)尺寸或形狀的現(xiàn)象。彈性變形

當(dāng)外力去掉后物體又能完全恢復(fù)其原來(lái)的尺寸和形狀。彈性元件

具有彈性變形特性的物體。§3.3電阻應(yīng)變片的主要特性一、彈性敏感元件的基本特性彈性元件在應(yīng)變片測(cè)量技術(shù)中有極其重要地位。傳遞給粘貼在彈性元件上的應(yīng)變片力、力矩或壓力變換成相應(yīng)的應(yīng)變或位移力、力矩或壓力通過(guò)應(yīng)變片轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電阻值

§3.3電阻應(yīng)變片的主要特性一、彈性敏感元件的基本特性

1、剛度

彈性特性曲線(xiàn)

§3.3電阻應(yīng)變片的主要特性一、彈性敏感元件的基本特性

2、靈敏度靈敏度：?jiǎn)挝涣ψ饔孟聫椥栽a(chǎn)生變形的大小。靈敏度大，表明彈性元件軟，變形大。彈性特性曲線(xiàn)與剛度相似，如果彈性特性是線(xiàn)性的，則靈敏度為一常數(shù)，若彈性特性是非線(xiàn)性的，則靈敏度為一變數(shù)，即表示此彈性元件在彈性變形范圍內(nèi)，各處由單位力產(chǎn)生的變形大小是不同的。

§3.3電阻應(yīng)變片的主要特性二、電阻應(yīng)變片的靈敏系數(shù)實(shí)驗(yàn)表明，應(yīng)變片的電阻相對(duì)變化與應(yīng)變?chǔ)旁诤軐挼姆秶鷥?nèi)均為線(xiàn)性關(guān)系：

測(cè)量結(jié)果表明，應(yīng)變片的靈敏系數(shù)一般小于敏感材料的靈敏度系數(shù)。§3.3電阻應(yīng)變片的主要特性主要影響因素：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(yīng)。被測(cè)體應(yīng)變片ＦＦ標(biāo)稱(chēng)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(guò)實(shí)測(cè)來(lái)確定，應(yīng)變片的靈敏系數(shù)稱(chēng)為標(biāo)稱(chēng)靈敏系數(shù)。應(yīng)變片的靈敏系數(shù)直接關(guān)系到應(yīng)變測(cè)量的精度。二、電阻應(yīng)變片的靈敏系數(shù)應(yīng)變片敏感柵的兩端為半圓弧形的橫柵，測(cè)量應(yīng)變時(shí)，構(gòu)件的軸向應(yīng)變使敏感柵電阻發(fā)生變化，而其橫向應(yīng)變也使敏感柵半圓弧部分的電阻發(fā)生變化。

應(yīng)變片的這種既受軸向應(yīng)變影響，又受橫向應(yīng)變影響而引起電阻變化的現(xiàn)象稱(chēng)為橫向效應(yīng)。§3.3電阻應(yīng)變片的主要特性三、電阻應(yīng)變片的橫向效應(yīng)為了減小橫向效應(yīng)產(chǎn)生的測(cè)量誤差，現(xiàn)在多采用箔式應(yīng)變片。機(jī)械滯后產(chǎn)生原因：

（1）應(yīng)變片在承受機(jī)械應(yīng)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(yīng)變片時(shí)，敏感柵受到的不適當(dāng)?shù)淖冃位蛘辰Y(jié)劑固化不充分等。1、機(jī)械滯后定義：應(yīng)變片粘貼在被測(cè)試件上，當(dāng)溫度恒定時(shí)，其加載特性與卸載特性不重合?！?.3電阻應(yīng)變片的主要特性四、電阻應(yīng)變片的機(jī)械滯后、零漂及蠕變應(yīng)變片的機(jī)械滯后ΔεΔε1機(jī)械應(yīng)變?chǔ)臨卸載加載指示應(yīng)變?chǔ)舏還與應(yīng)變片所承受的應(yīng)變量有關(guān)，加載時(shí)的應(yīng)變愈大，卸載時(shí)的滯后也愈大。通常在實(shí)驗(yàn)之前預(yù)先加、卸載若干次，以減少因機(jī)械滯后誤差。2、零點(diǎn)漂移定義：

對(duì)于粘貼好的應(yīng)變片，當(dāng)溫度恒定時(shí)，不承受應(yīng)變時(shí)，其電阻值隨時(shí)間增加而變化的特性，稱(chēng)為應(yīng)變片的零點(diǎn)漂移。零點(diǎn)漂移產(chǎn)生的原因：

敏感柵通電后的溫度效應(yīng)；應(yīng)變片的內(nèi)應(yīng)力逐漸變化；粘結(jié)劑固化不充分等。

3、蠕變定義：

在一定溫度下應(yīng)變片承受恒定的機(jī)械應(yīng)變時(shí)，電阻值隨時(shí)間增加而變化的特性稱(chēng)為蠕變。一般蠕變的方向與原應(yīng)變量的方向相反。蠕變產(chǎn)生的原因：膠層之間發(fā)生“滑動(dòng)”，使力傳到敏感柵的應(yīng)變量逐漸減少?！?.3電阻應(yīng)變片的主要特性四、電阻應(yīng)變片的機(jī)械滯后、零漂及蠕變1、電阻值應(yīng)變片的電阻值是指應(yīng)變片沒(méi)有粘貼且未受應(yīng)變時(shí)，在室溫下測(cè)定的電阻值，即初始電阻值。金屬電阻應(yīng)變片的電阻值已標(biāo)準(zhǔn)化，有一定的系列，如60Ω、120Ω、250Ω、350Ω和1000Ω，其中以120Ω最為常用?！?.3電阻應(yīng)變片的主要特性六、電阻應(yīng)變片的電阻值、絕緣電阻和最大工作電流

§3.3電阻應(yīng)變片的主要特性

六、電阻應(yīng)變片的電阻值、絕緣電阻和最大工作電流

第三章應(yīng)變式傳感器3.1電阻應(yīng)變片的工作原理3.2電阻應(yīng)變片的種類(lèi)3.3電阻應(yīng)變片的主要特性3.4電阻應(yīng)變片的測(cè)量電路3.5應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用§3.4電阻應(yīng)變片的測(cè)量電路

直流電橋

U0ERLR2R4R1R3直流測(cè)量電橋§3.4電阻應(yīng)變片的測(cè)量電路

1、平衡條件

2、電壓靈敏度