第2章2电阻式传感器教学幻灯片.ppt

2.3 电阻式传感器电阻式传感器的基本原理是将被测的非电量转换成电阻值的变化，再经过转换电路变成电信号输出测量原理结构测量参数：力、压力、位移、应变、加速度、温度等特点：结构简单、性能稳定、灵敏度较高品名型号特性参数用途及使用方法外观观应变应变式力传传感器LYB-5-A测测量范围围：01kg安全超载载：150%工作温度()：-20+60：工作电压电压：DC5V综综合精度：0.03Kg称重，应变测应变测 量，触力测测量方法：指定压压力方向，将砝码码等质质量块块放上，标标定后即可使用实用传感器样品举例举例：冲床生产记数 和生产过程监测举例：机器人握力测量第一节 应变式传感器目前自动测力或称重中应用最普遍的是应变式传感器应变式传感器是基于金属电阻的应变效应制成的一、工作原理（一）、金属的电阻应变效应金属导体的电阻随着机械变形（伸长或缩短）的大小发生变化的现象称为金属的电阻应变效应取一根长度为L，截面积为S，电阻率为 的金属丝，未受力时其电阻R为：（2-1）llrrFF当电阻丝受到拉力F作用时,将伸长L,横截面积相应减小S,电阻率将因晶格发生变形等因素而改变,故引起电阻值相对变化量为：式中L/L是长度相对变化量,即轴向应变，用应变表示S/S为圆形电阻丝的截面积相对变化量,即（2-2）（2-3）（2-4）（即将式（2-1）取对数再微分，得到电阻值相对变化量）（书上公式有错）由材料力学可知,在弹性范围内,金属丝受拉力时,沿轴向伸长,沿径向缩短,那么轴向应变和径向应变的关系可表示为式中:电阻丝材料的泊松比,负号表示应变方向相反。

2-5） 将式（2-3）,式（2-5）代入式（2-2）,可得或（2-6）（2-7）通常把单位应变能引起的电阻值变化称为金属电阻丝的灵敏度系数其物理意义是单位应变所引起的电阻相对变化量,其表达式为（2-8）（2-9）因此由式2-8可知，灵敏度系数受两个因素影响:受力后材料几何尺寸的变化,即（1+2）;受力后材料的电阻率发生的变化,即/对于金属材料而言，k0=1+2u；对半导体，k0值主要由电阻率相对变化所决定通常金属电阻丝的灵敏系数k0=2左右二)应变片的基本结构及测量原理应变片的结构应变片由电阻丝（敏感栅）、基底、引线和粘合剂组成敏感栅常用下列材料制成：（1）康铜（铜镍合金）：最常用；（2）镍鉻合金：多用于动态；（3）镍鉻铝合金：作中、高温应变片；（4）镍鉻铁合金：疲劳寿命要求高的应变片；（5）铂及铂合金：高温动态应变测量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、箔式和薄膜式三种各部分的作用（2）基底绝缘及传递应变测量时应变片的基底通过粘结剂粘在试件上，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箔、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、腐蚀、灰尘5）引线连接电阻丝与测量电路，输出电参量用应变片测量时，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应变片的测量原理二、应变片的类型1.金属丝式应变片（两种结构）a）回线式：横向效应较大b）短接式：克服了横向效应金属丝式应变片材料要求：灵敏系数高、电阻率高、稳定性好、温度系数小、机械强度高、抗氧化、耐腐蚀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：1）可制成多种复杂形状尺寸准确的敏感栅；2）与被测件粘结面积大；3）散热条件好，允许电流大，提高了输出灵敏度；4）横向效应小；5）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，可在-197317温度范围内工作。

存在问题：温度稳定性差三、金属应变片的主要特性和参数(一)灵敏系数应变片的电阻-应变特性与金属单丝(其灵敏系数近似为k0=1+2u)可能不同，需要通过实验对应变片的灵敏系数进行测定通过实验发现，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试件材料泊松系数定义：(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为横向效应定性分析：当将应变片粘贴在被测试件上时,则其敏感栅是由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, 但圆弧段的阻值变化量减小因而同样应变，阻值变化减小，K值减小，此现象为横向效应l0PP横向效应在圆弧段产生，消除圆弧段即可消除横向效应例如金属丝式应变片采用短接式结构）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怎样消除横向效应？(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（也就是回程误差）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，电阻值随时间变化的特性称为应变片的零漂（零点漂移）。

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）最大工作电流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五）应变片的电阻值通常应变片的电阻值在120欧姆左右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）栅长l，又称基长，一般在2-30mm之间（七）基宽b，一般在10mm之内（八）绝缘电阻，指已粘贴的应变片的引线与被测件之间的电阻值，在50-100M欧以上 转换电路的作用：将电阻的变化量转换为电压输出通常应变片传感器转换电路采用直流电桥和交流电桥现在的工程应用中，多采用直流电桥四、转换电路按激励电压性质按激励电压性质 直流电桥直流电桥交流电桥交流电桥 直流电桥电路如图所示，它的四个桥臂由电阻组成AC端接直流电压UBD端为输出电压一般情况桥路应接成等臂电桥,即R1=R2=R3=R4=R,电桥平衡，则输出Uo为零这样无论哪个桥臂上受到外来信号作用后，桥路都将失去平衡，就会有信号输出一、直流电桥1.直流电桥工作原理当电桥输出端接入输入阻抗很高的指示仪表或放大器时，可认为电桥负载为无穷大，电桥输出端相当于开路。

此时，桥路的电流为：AB之间和AD之间的电位差分别为：空载输出为：当电桥平衡时, 即Uo=0，则有：故得到电桥平衡条件：相邻两臂电阻的比值应相等,或相对两臂电阻的乘积相等再化简得：R1R4=R2R3或2不平衡直流电桥的工作原理及电压灵敏度这里假设电桥的一臂R1接入电阻应变片，应变片工作时，其电阻变化，此时电桥失去平衡，输出电压为：当电桥接入电阻应变片时，即为应变桥（应变片的转换电路）如果一个桥臂接入应变片，相应的电桥为单臂桥；对应的两个桥臂或四个桥臂接入应变片，相应的电桥称为半桥和全桥设桥臂比n=R2/R1,由电桥平衡条件可知R4/R3R2/R1n，并且忽略分母中R1/R1得到：由电桥灵敏度的定义有：根据Uo，所以提高电桥灵敏度的措施有：提高供电电源的电压U（在功耗允许的范围内）提高的取值由dKU/dn=0，求KU的最大值（极值）,得：故n=1时，即R1=R2，R3=R4，KU取得最大值直流电桥的优点：高稳定度直流电源易于获得；电桥调节平衡电路简单；传感器及测量电路分布参数影响小等从上面的讨论可知：当R1=R2，R3=R4时,电桥电压灵敏度最高,此时有：n1时的电桥，称为对称电桥，实际应用中常采用这种电桥的形式。

二）电桥的非线性误差单臂桥实际输出为：（不忽略分母中的R1/R1）非线性误差为对于对称电桥，n=1（1）采用差动电桥减小非线性误差在试件上安装两个工作应变片，R1 受拉，R2受压，且应变量相同接入电桥相邻桥臂, 则电桥输出电压为：将1/(1+ )按幂级数展开代入 , 再略去高阶量，可得非线性误差：可见非线性误差 与 成正比对金属电阻丝应变片，因为R非常小，电桥非线性误差可以忽略，但对半导体应变片，因为灵敏度比金属丝式大得多（50-70倍），受应变时R很大，非线性误差将不可忽略为了减小非线性误差，常采用的措施为：设初始时有：R1=R2=R3=R4=R,且应变量相同即R1=R2，则得：结论：差动电桥（半桥差动电路）消除了非线性误差（输出电压表达式的分母不含R1/R1），灵敏度比单臂电桥提高了一倍且具有温度补偿作用全桥差动电路：R1R4受拉应变,R2R3两个受压应变,即将两个应变符号相同的应变片接入相对桥臂上结论：全桥差动电路电压灵敏度为单臂电桥的4倍，也消除了非线性误差，且具有温度补偿作用若应变量R1=R2=R3=R4,且R1=R2=R3=R4,则(2)采用恒流源电桥减小非线性误差可见非线性误差比单臂恒压源电桥减少1/2而单臂恒压源电桥输出为：(三)交流电桥 当被测量为复阻抗时，转换电路采用交流电桥。

由于供电电源为交流电源, 分布电容使得两桥臂应变片呈现复阻抗特性, 相当于二只应变片各并联了一个电容, 则每一桥臂上复阻抗分别为： 要使电桥平衡, 即U0=0, 则有： Z1 Z4 = Z2 Z3 将Z1 、Z4 、 Z2、 Z3复阻抗值代入上式得： 整理上式得故交流电桥的平衡条件为 ： 结论： 交流电桥除了要满足电阻平衡条件外, 还必须满足电容平衡条件为此在桥路上除设有电阻平衡调节外还设有电容平衡调节由实部与虚部都分别相等得电桥平衡条件设交流电桥的初始状态是平衡的，当被测应力变化引起Z1= Z0+Z, Z2=Z0 - Z变化时, 则电桥输出为：(直流电桥半桥输出)对比形式相同五、温度误差及其补偿(一)温度误差：用应变片测量时，由于测量现场环境温度的改变所引起的电阻变化而给测量带来的附加误差,称为应变片的温度误差温度误差主要包括两部分：环境温度变化时，敏感栅电阻随温度的变化引起的误差敏感栅的电阻丝阻值随温度变化的关系可用下式表示：式中:t金属丝的电阻温度系数;t温度变化值,ttt0当温度变化t时引起电阻相对变化（即误差）为：环境温度变化时，试件材料的线膨胀引起的误差应变片灵敏系数试件膨胀系数应变片敏感栅材料的膨胀系数因此，由于温度变化形成总的电阻相对变化为：当温度变化时，因试件材料和敏感栅材料的线膨胀系数不同，应变片将产生附加拉长（或压缩），引起的电阻相对变化为：(二)温度补偿通常补偿温度误差的方法有自补偿法和线路补偿法。

1自补偿法(1)单丝自补偿法：用热处理的方法调整栅丝的温度系数要实现温度自补偿,即使，必须有电阻丝材料与试件材料配合恰当，就可以满足上式，以消除温度误差热输出应变为：(2)组合式自补偿法应变片敏感栅丝由两种不同温度系数的金属丝串接组成例如选用两种不同符号的电阻温度系数，一正一负，最终使：2.线路补偿法常用的最好的补偿方法是电桥补偿法补偿原理：桥路相邻两臂增加相同电阻（指增加由于相同温度变化引起的相同电阻变化），对电桥输出无影响R1工作应变片；RB补偿应变片这里：R1RB，R3=R4R1与RB为特性一致的应变片，它们处于同一温度场，且仅工作应变片R1承受应变补偿过程：当温度升高或降低t = tt0时,工作应变片由R1变为R1+R1t，补偿应变片由RB 变为RB+RBt 且R1t= RBt 此时电桥仍然处于平衡状态，输出为0若此时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。