应变电阻传感器教学讲义.ppt

第2章 应变式传感器 2.1 工作原理 2.2 电阻应变片的温度误差及补偿 2.3 电阻应变片的测量电路2.4 应变式传感器的应用 电阻式传感器的基本原理是将被测量的变化转换成传感元件电阻值的变化，再经过转换电路变成电信号输出 2.1工作原理n应变 物体在外部压力或拉力作用下发生形变的现象n弹性应变 当外力去除后，物体能够完全恢复其尺寸和形状的应变n弹性元件具有弹性应变特性的物体2.1.1 应变效应分析与灵敏度系数电阻应变片的工作原理是基于应变效应即导体或半导体材料在外界力的作用下产生机械变形时，其电阻值相应发生变化， 这种现象称为“应变效应” 一根金属电阻丝，在其未受力时，原始电阻值为： 当电阻丝受到拉力F作用时， 将伸长l，横截面积相应减小A，电阻率因材料晶格发生变形等因素影响而改变了，从而引起电阻值变化量为：式中：dL/L长度相对变化量，用应变表示为电阻相对变化量： dA/A圆形电阻丝的截面积相对变化量，设r为电阻丝的半径，微分后可得dA=2r dr，则：材料力学：在弹性范围内，金属丝受拉力时，沿轴向伸长， 沿径向缩短， 轴向应变和径向应变的关系可表示为 ：为电阻丝材料的泊松比， 负号表示应变方向相反。

推得： 定义：电阻丝的灵敏系数（物理意义）：单位应变所引起的电阻相对变化量其表达式为 灵敏度系数K受两个因素影响n一是应变片受力后材料几何尺寸的变化， 即1+2n二是应变片受力后材料的电阻率发生的变化， 即（/）/n对金属材料：1+2( /)/n对半导体材料：( /)/1+2n大量实验证明，在电阻丝拉伸极限内， 电阻的相对变化与应变成正比，即K为常数 2.1.2 电阻应变片种类n常用的电阻应变片有两种：n金属电阻应变片n半导体应变片 金属电阻应变片 用应变片测量时，将其贴在被测对象表面上当被测对象受力变形时，应变片的敏感栅也随同变形，其电阻值发生相应变化，通过转换电路转换为电压或电流的变化，这是用来直接测量应变 通过弹性敏感元件将位移、力、力矩、加速度、压力等物理量转换为应变，则可用应变片测量上述各量，而做成各种应变式传感器二)应变片的基本结构及测量原理（1）敏感栅感受应变，并将应变转换为电阻的变化敏感栅有丝式、箔式和薄膜式三种2）基底绝缘及传递应变测量时应变片的基底用高粘结剂粘在试件上，要求基底准确地把试件应变传递给敏感栅同时基片绝缘性能要好，否则应变片微小电信号就要漏掉由纸薄、胶质膜等制成。

3）粘结剂敏感栅与基底、基底与试件、基底与覆盖层之间的粘结4）覆盖层保护作用防湿、蚀、尘5）引线连接电阻丝与测量电路，输出电参量二、应变片的类型和材料（一）应变片的类型和材料1.金属丝式应变片回线式：横向效应较大短接式：克服横向效应金属丝式应变片材料要求见书2.金属箔式应变片箔式应变片是在绝缘基底上，将厚度为0.0030.01mm电阻箔材，利用照相制版或光刻技术，制成各种需要的形状优点：可制成多种复杂形状尺寸准确的敏感栅；与被测件粘结面积大；散热条件好，允许电流大，提高了输出灵敏度；横向效应小；蠕变和机械滞后小，寿命长缺点：电阻值的分散性大3.金属薄膜应变片 采用真空蒸发或真空沉积等方法在薄的绝缘基片上形成厚度在0.1微米以下的金属电阻材料薄膜的敏感栅，最后再加上保护层优点：应变灵敏系数大，允许电流密度大存在问题：温度稳定性差(二)应变片的粘贴 应变片是用粘合剂粘贴到被测件上的粘合剂形成的胶层必须准确迅速地将披测件应变传进到敏感栅上粘合剂的性能及粘贴工艺的质量直接影响着应变片的工作特性，如零漂、蠕变、滞后、灵敏系数，线性以及它们受温度变化影响的程度 对粘合剂和粘贴工艺有严格要求三、金属应变片的主要特性(一)灵敏系数灵敏系数由实验确定。

实验发现，实际应变片的K值比单丝的K值要小，造成此现象原因是横向效应还有粘结层传递变形失真二)横向效应将直的电阻丝绕成敏感栅之后，虽然长度相同，但应变状态不同，其灵敏系数降低了这种现象称横向效应1、定性分析当将应变片粘贴在被测试件上时,由于其敏感栅是由n条长度为l1的直线段和（n-1）个半径为r的半圆组成,若该应变片承受轴向应力而产生纵向拉应变x时,则各直线段的电阻将增加,但在半圆弧段则受到从+x到-x之间变化的应变总的作用结果：将直的电阻丝绕成敏感栅后, 虽然长度不变, 应变状态相同, 但圆弧段横向收缩引起阻值减小量对轴向伸引起阻值增加量起着抵消作用因而同样应变阻值变化减小，K值减小，此现象为横向效应2.定量分析应变片置于二维应力场，即有，又有横向效应在圆弧段产生，消除圆弧段即可消除横向效应为了减小横向效应产生的测量误差，现在一般多采用箔式应变片，其圆弧部分尺寸较栅丝尺寸大得多，电阻值较小，因而电阻变化量也就小得多三)机械滞后、零漂和蠕变加载和卸裁特性曲线之间的最大差值称为应变片的滞后值粘贴在试件上的应变片，在温度保持恒定没有机械应变的情况下，电阻值随时问变化的特性称为应变片的零漂粘贴在试件上的应变片，温度保持恒定，在承受某一恒定的机械应变，其电电阻值随时间变化而变化的特性称为应变片的蠕变。

一般来说，蠕变的方向与原应变量变化的方向相反四)应变极限和疲劳寿命应选用抗剪强度较高的粘结剂和基底材料，基底和粘结剂的厚度不宜太大，并经适当的固化处理对于已安装的应变片，在恒定幅值的交变力作用下，可以连续工作而不产生疲劳损坏的循环次数称为应变片的疲劳寿命五）最大工作电流和绝缘电阻绝缘电阻是指应变片的引线与被测件之间的电阻值最大工作电流是指允许通过应变片而不影响其工作特性的最大电流工作电流大，应变片输出信号大，灵敏度高，但过大的电流会把应变片烧毁六）应变片的电阻值电阻值大可加大应变片承受电压，因此输出信号大，但敏感栅尺寸也增大六)动态响应特性电阻应交片在测量频率较高的动态应变时，应考虑其动态特性动态应变是以应变波的形式在试件中传播的，它的传播速度与声波相同半导体应变片分析：当半导体应变片受轴向力作用时半导体应变片的电阻率相对变化量与所受的应变力有关：式中： 半导体材料的压阻系数; 半导体材料的所受应变力; E半导体材料的弹性模量; 半导体材料的应变/= E因此：实验证明， E比1+2大上百倍，所以1+2可以忽略，因而半导体应变片的灵敏系数为： 测量原理：在外力作用下，被测对象产生微小机械变形，应变片随着发生相同的变化， 同时应变片电阻值也发生相应变化。

当测得应变片电阻值变化量为R时，便可得到被测对象的应变值， 根据应力与应变的关系，得到应力值为 ：=E 2.2 应变片的温度误差及补偿 2.2.1 应变片的温度误差 由于测量现场环境温度的改变而给测量带来的附加误差， 称为应变片的温度误差 产生应变片温度误差的主要因素有下述两个方面 1) 电阻温度系数的影响 敏感栅的电阻丝阻值随温度变化的关系可用下式表示：Rt=R0(1+0t)式中: Rt温度为t时的电阻值； R0温度为t0时的电阻值； 0温度为t0时金属丝的电阻温度系数； t温度变化值，t=t-t0 当温度变化t时，电阻丝电阻的变化值为： R=Rt-R0=R00t 2) 试件材料和电阻丝材料的线膨胀系数的影响 当试件与电阻丝材料的线膨胀系数相同时：环境温度变化不会产生附加变形 当试件与电阻丝材料的线膨胀系数不同时：环境温度变化，电阻丝会产生附加变形，从而产生附加电阻变化 设电阻丝和试件在温度为0时的长度均为l0, 它们的线膨胀系数分别为s和g，若两者不粘贴，则它们的长度分别为：ls=l0(1+st)lg=l0(1+gt) 当两者粘贴在一起时，电阻丝产生的附加变形l、附加应变和附加电阻变化R分别为：由于温度变化而引起的应变片总电阻相对变化量为 结论：因环境温度变化而引起的附加电阻的相对变化量，除了与环境温度有关外，还与应变片自身的性能参数（K0, 0, s）以及被测试件线膨胀系数g有关。

2.2.2 电阻应变片的温度补偿方法 电阻应变片的温度补偿方法通常有线路补偿和应变片自补偿两大类1) 电桥补偿法 电桥补偿是最常用且效果较好的电阻片温度误差补偿方法 电桥补偿法电路分析ng为由桥臂电阻和电源电压决定的常数n由上式可知， 当R3和R4为常数时，R1和R2对电桥输出电压Uo的作用方向相反 利用这一基本关系可实现对温度的补偿 测量方法： 当被测试件不承受应变时：R1和R2又处于同一环境温度为t的温度场中，调整电桥参数使之达到平衡，此时有 ： 工程上，一般按R1 = R2 = R3 = R4 选取桥臂电阻温度补偿的实现：当温度升高或降低t=t-t0时，两个应变片因温度而引起的电阻变化量相等，电桥仍处于平衡状态， 即：应变的测量：被测试件有应变的作用，则工作应变片电阻R1又有新的增量R1=R1K，而补偿片因不承受应变，故不产生新的增量， 此时电桥输出电压为 ：可见：电桥的输出电压Uo仅与被测试件的应变有关，而与环境温度无关 注意补偿条件： 在应变片工作过程中，保证R3=R4 R1和R2两个应变片应具有相同的电阻温度系数、线膨胀系数、应变灵敏度系数K和初始电阻值R0 粘贴补偿片的补偿块材料和粘贴工作片的被测试件材料必须一样，两者线膨胀系数相同。

两应变片应处于同一温度场 2) 应变片的自补偿法利用自身具有温度补偿作用的应变片来补偿的 要实现温度自补偿，必须有： 上式表明，当被测试件的线膨胀系数g已知时，如果合理选择敏感栅材料， 即其电阻温度系数0、灵敏系数K0以及线膨胀系数s，满足上式为零，则不论温度如何变化，均有Rt/R0=0，从而达到温度自补偿的目的 2.3 测量电路 2.3.1 直流电桥 1. 直流电桥平衡条件图4.5 直流电桥当RL时，电桥输出电压为：当电桥平衡时，Uo=0，则有：R1R4=R2R3或：电桥平衡条件：欲使电桥平衡， 其相邻两臂电阻的比值应相等， 或相对两臂电阻的乘积应相等 电桥平衡条件 2. 输出电压 应变片工作时：电阻值变化很小，电桥相应输出电压也很小，一般需要加入放大器进行放大由于放大器的输入阻抗比桥路输出阻抗高很多，所以此时仍视电桥为开路情况 当受应变时：若应变片电阻变化为R，其它桥臂固定不变，电桥输出电压Uo0，则电桥不平衡，输出电压为 n对称情况（即对于电源U，左右对称）R1=R2，R3=R4，相对臂相加，相邻臂相减 设桥臂比n=R2/R1，由于R15的小曲率圆环：A、B两点的应变这样， 测出A、 B处的应变， 即可得到载荷F。

内贴取“”内贴取“一” 式中： h圆环厚度； b圆环宽度； E材料弹性模量若A处及相对点，内外环对称贴两片应变片，B处受拉或压应力，将应变片接于电桥电路输出电压为3梁式力传感器用途特点体重秤额定载荷150Kg重复性0.03%FS额定输出2.5mV/V10%;1.0mV/V10%(半桥)蠕变30(min)0.1%FS零点输出5%FS使用温度-10+40输入电阻100010零点输出温度影响0.05%FS/输出电阻100010额定输出温度影响0.01%FS/激励电压5-15VDC绝缘电阻2000M(100V)非线性0.05%FS过载能力150%FS滞后0.05%FS材料（3）悬臂梁式力传感器2.4.2 应变式压力传感器主要用来测量流动介质的动态或静态压力 应变片压力传感器大多采用膜片式或筒式弹性元件 在压力p作用下，膜片产生径向应变r和切向应变t，表达式分别为 ：应变变化曲线的特点：当x=0时，rmax=tmax；当x=R时，t=0， r=2rmax 特点的应用：一般在平膜片圆心处切向粘贴R1、R4两个应变片， 在边缘处沿径向粘贴R2、R3两个应变片，然后接成全桥测量电路 避开 位置2）筒式压力传感器 筒式压力传感器见右图，通常用于测量较大的压力。

它的一端为盲孔，另一端为法兰与被测系统联接应变片贴于筒的外表面，工作片贴于空心部分，补偿片贴在实心部分它的弹性敏感元件为一端封闭的薄壁圆筒，其另一端带有法兰与被测系统连接在筒壁上贴有2片或4片应变。