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1、4.1电阻式传感器,电阻式： （电位计） 应变式：,物理量变化,电阻变化,传感元件,属于大电阻变化型，R：0R传,物理量变化,变形 （应力、应变）,敏感元件,属于微电阻变化型，R：020%R传,传感元件,电阻变化,电位计式传感器的优、缺点：,优点： 结构简单、尺寸小、重量轻、精度高(0.1%0.05%)、性能稳定、受环境因素影响小，可实现输出-输入任意函数关系，输出信号较大，一般不用放大。 缺点： 存在滑动触头与线圈等之间的摩擦，输入能量要求较大，且磨损降低寿命和可靠性，也会降低测量精度。,电位计分类,按输出-输入特性,线性电位计 非线性电位计,按结构形式,线绕式在传感器中应用较多 薄膜式具有
2、较高的精度和线性特性 光电式无摩擦和磨损，分辨率高,变阻器式传感器产品,案例：重量的自动检测-配料设备,原理：弹簧-力-位移 -电位器-电阻,案例：煤气包储量检测,原理：钢丝-收线圈数 -电位器 -电阻,一、金属丝式应变片 二、金属箔式应变片 三、测量电路 四、应变式传感器,4.1金属应变片式传感器,应变效应,结构与材料,主要特性,温度误差及系数,基本原理将被测物理量的变化转换成电阻值的变化，再经相应的测量电路而显示被测量值的变化。 主要用途测量力、力矩、压力、加速度、重量等 本章内容要求 工作原理 电阻应变片的特性 测量电路 应变式传感器的应用,工作原理及分类,电阻应变式传感器的工作原理是将
3、电阻应变片粘贴到各种弹性敏感元件上，使物理量的变化变成应变片的应力、应变变化，从而变成电阻值变化。 根据应变片的材料不同，可分为两种,金属电阻应变片 半导体应变片,应变片式电阻传感器,应变片电测技术具有以下优点： 非线性小，电阻的变化同应变成线性关系。 应变片尺寸小（我国的应变片栅长最小达0.178mm），重量轻（一般为0.10.2g），惯性小，频率响应好，可测0-500kHz的动态应变。 测量范围广，一般测量范围为1010-10量级的 应变。 误差小，整个测量系统的误差可控制在1%以内。 可在各种复杂或恶劣的环境中进行测量。,电阻应变片的结构及工作原理,工作原理：基于金属的电阻应变效应。 金
4、属的电阻应变效应：金属丝的电阻随着它所受的机械变形（拉伸或压缩）的大小而发生相应的变化的现象。,应变片式电阻传感器,1. 应变片的结构,丝绕式应变片的构造示意如图1。它以直径为0.025mm左右的、高电阻率的合金电阻丝2，绕成形如栅栏的敏感栅。,敏感栅：应变片的敏感元件，作用是敏感应变变化。 基底：敏感栅粘结在基底1上，基底除能固定敏感栅外，还有绝缘作用；,覆盖层：敏感栅上面粘贴有覆盖层3，起定位及绝缘作用。 引出线：敏感栅电阻丝两端焊接引出线4，用以和外接导线相连。,标距（基长）：图中l称为应变片的标距或基长，它是敏感栅沿轴方向测量变形的有效长度，对具有圆弧端的敏感栅，指圆弧外侧之间的距离。
5、 对具有较宽横栅的敏感栅，指两横栅内侧之间的距离。其宽度b指最外两敏感栅外侧之间的距离。,由物理学可知，金属丝的电阻为,式中，R为金属丝的电阻（）；为金属丝的电阻率（m2/m）；L为金属丝的长度（m）；S为金属丝的截面积（m2）。,2. 电阻应变特性,当金属丝受拉而伸长dL时，其横截面积将相应减小dS，电阻率则因金属晶格发生变形等因素的影响也将改变d，这些量的变化，必然引起金属丝电阻改变dR。,可写成相对变化的形式：,其中：,（r为金属丝半径）,式中，为金属材料的泊松系数。,或,KS称为金属丝的灵敏系数，表示金属丝产生单位变形时，电阻相对变化的大小。,显然，KS越大，单位变形引起的电阻相对变化
6、越大。,x=dL/L为金属丝的轴向应变；y=dr/r为金属丝的径向应变。金属丝受拉时，沿轴向伸长，沿径向缩短，二者之间的关系为 ：,令灵敏系数：,关于灵敏系数讨论: 金属丝的灵敏系数 受两个因素影响： 第一项（1+2）是由于金属丝受拉伸后，材料几何尺寸发生变化而引起的； 第二项,实验表明:在金属丝变形的弹性范围内，电阻的相对变化dR/R与应变x是成正比的，因而 为一常数。,的值比第一项小很多，可以忽略不计,实验表明:应变片的R/R与x的关系在很大范围内仍然有很好的线性关系,或,式中，K为电阻应变片的灵敏系数。,实验表明:应变片的灵敏系数K恒小于同一材料金属丝的灵敏度系数KS，原因是所谓横向效应
7、的影响。,3. 应变片测试原理 用应变片测量应变或应力时，是将应变片粘贴于被测对象上，在外力作用下，被测对象表面发生微小机械变形，粘贴在其表面上的应变片亦随其发生相同的变化，因而应变片的电阻也发生相应的变化，如用仪器测出应变片的电阻值变化R，可得到被测对象的应变值x，则根据一维受力应力应变关系可得到应力值。,式中，为试件的应力；为试件的应变。,2 电阻应变片的种类、材料和参数 (1). 电阻应变片的种类,电阻应变片的种类繁多，分类方法各异，如可分为：,丝式应变片 箔式应变片 薄膜应变片 半导体应变片,（1）丝式应变片,将电阻丝绕制成敏感栅粘贴在各种绝缘基层上而制成的，是一种常用的应变片。,（2
8、）箔式应变片 在绝缘基底上，利用照相制版或光刻腐蚀的方法，将厚度为0.0030.01mm电阻箔材在绝缘基底下制成各种需要形状而成。,主要优点是： 制造技术能保证敏感栅尺寸正确、线条均匀，可制成任意形状以适应不同的测量要求； 敏感栅界面为矩形，表面积对截面积之比远比圆断面的大，故粘合面积大； 敏感栅薄而宽，粘结情况好，传递试件应变性能好； 散热性能好，允许通过较大的工作电流，从而增大输出信号； 敏感栅弯头横向效应可忽略，蠕变、机械滞后较小，疲劳寿命高 。,（3）薄膜应变片 薄膜应变片是采用真空蒸发或真空沉积等方法，将电阻材料在基底上制成一层各种形式敏感栅而形成其厚度在0.1m以下。,（4）半导体
9、应变片 工作原理：压阻效应 压阻效应：半导体材料的电阻率随作用应力而变化。所有材料在某种程度上都具有压阻效应，但半导体的这种效应特别显著，能直接反映出很微小的应变。根据压阻效应，半导体和金属丝一样可以把应变转换成电阻的变化。,2、应变片的主要工作参数 （1）应变片的尺寸 标距l ：顺着应变片轴向敏感栅两端转向处之间的距离 。 栅宽b ：敏感栅的横向尺寸称为栅宽，以b表示。 使用面积：lb称为应变片的使用面积。应变片的基底长LS和宽度W要比敏感栅大一些。,（2）应变片的电阻值 指应变片没有安装且不受力的情况下，在室温时测定的电阻值。 应变片的标准名义电阻值通常为60、120、350、500、10
10、00五种。 应变片在相同的工作电流下，电阻值愈大，允许的工作电压亦愈大，可提高测量灵敏度。,（3）机械滞后 机械滞后：对已安装的应变片，在恒定的温度环境中，加载和卸载过程中同一载荷下指示应变的最大差数 。 产生的原因：如应变片本身特性不好；试件本身的材质不好；粘结剂选择不当；固化不良；粘接技术不佳，部分脱落和粘结层太厚等。 采取的措施：为了减小应变片的机械滞后给测量结果带来的误差，可对新粘贴应变片的试件反复加、卸载35次。,（4）零点漂移 零漂：对已安装的应变片，在温度恒定试件不受力的条件下，指示应变随时间的变化称为零点漂移（简称零漂）。 产生原因：这是由于应变片的绝缘电阻过低及通过电流而产生
11、热量等原因造成。,（5）蠕变 定义：对已安装的应变片，在温度恒定并承受恒定的机械应变时，指示应变随时间的变化称为蠕变。 产生的原因：主要是由胶层引起，如粘结剂种类选择不当、粘贴层较厚或固化不充分以及在粘结剂接近软化温度下进行测量等。 （6）应变极限 温度不变时使试件的应变逐渐加大，应变片的指示应变与真实应变的相对误差（非线性误差）小于规定值（一般为10%）情况下所能达到的最大应变值为该应变片的应变极限。,（7）绝缘电阻 定义：应变片引线和安装应变片的试件之间的电阻值，此值常作为应变片粘结层固化程度和是否受潮的标志。绝缘电阻下降会带来零漂和测量误差 。,（8）最大工作电流 定义：允许通过应变片而
12、不影响其工作特性的最大电流值，称为最大工作电流。,（9）动态响应特性 电阻应变片在测量频率较高的动态应变时，应考虑其动态特性。,选用应变计时，首先应根据使用的目的、要求、对象及环境条件等，对应变计的类型进行选择；然后根据使用温度、时间、最大应变量及精度要求，选用合适的敏感栅、基底材料的应变计；接着根据测量线路或仪器选择合适应变计的标准阻值；最后还应根据试件表面可贴应变片的面积大小选择合适尺寸的应变计。,电阻应变计的选用,电阻应变计的选用与粘贴,返回,电阻应变计的选用与粘贴,电阻应变片工作时，是用粘贴剂粘贴到被测试件或传感器的弹性元件上的。粘贴剂形成的胶层必须准确迅速地将被测应变传递到敏感栅上去
13、，所以粘贴剂以及粘贴技术对于测量结果有着直接的影响。,电阻应变计的粘贴,电阻应变计的选用与粘贴,应变片粘贴工艺 （1）应变片检查 外观检查 电阻值检查 （2）修整应变片 对没有标出中心线标记的应变片，应在其基底上标出中心线； 如有需要应对应变片的长度和宽度进行修整，但修整后的应变片不可小于规定的最小长度和宽度； 对基底较光滑的胶基应变片，可用细沙将基底轻轻的稍许打磨，并用溶剂洗净。,（3）试件表面处理 将要贴应变片的试件表面部分使之平整光洁，无油漆、锈斑、氧化层、油污和灰尘等。 （4）划粘贴应变片的定位线 （5）贴应变片 在处理好的粘贴位置上和应变片基底上，各涂抹一层薄薄的粘合剂，稍待一段时间
14、。 （6）粘合剂的固化处理 对粘贴好的应变片，依粘合剂固化要求进行固化处理。,（7）应变片粘贴质量的检查 外观检查：用放大镜观察粘合层是否有气泡。 电阻值检查 绝缘电阻检查：绝缘电阻一般大于200M （8）引出线的固定保护 （9）应变片的防潮处理 应变片粘贴固化好后要进行防潮处理，以免潮湿引起绝缘电阻和粘合强度降低，影响测试精度。,4.1.4 电阻应变片的温度误差及补偿,温度误差及其产生原因 (1) 温度变化引起应变片敏感栅电阻变化而产生附加应变 电阻与温度关系可用下式表达,式中，Rt为温度为t时的电阻值；R0为温度为t0时的电阻值；t为温度的变化值；Rta为温度变化t时的电阻变化；为敏感栅材
15、料的电阻温度系数。,将温度变化t时的电阻变化折合成应变，则,(2) 试件材料与敏感栅材料的线膨胀系数不同，使应变片产生附加应变 如粘贴在试件上一段长度为l0的应变丝，当温度变化t时，应变丝受热膨胀至lt1，而应变丝l0下的试件伸长为lt2。,式中，l0为温度为t0时的应变丝长度；lt1为温度t时的应变丝长度；lt2为温度t时应变丝下试件的长度；丝、试为应变丝和试件材料的线膨胀系数；lt1、lt2为温度变化t时应变丝和试件膨胀量。,如丝试，则lt1lt2，由于应变丝与试件是粘结在一起的，若丝试，则应变丝被迫从lt1拉长至lt2，使应变丝产生附加变形lt。,折算为应变,引起的电阻变化为,因此由于温
16、度变化t而引起的总电阻变化为,总附加虚假应变量为,可见：由于温度变化而引起附加电阻变化或造成了虚假应变，从而给测量带来误差。,2. 温度补偿方法 有桥路补偿和应变片自补偿两大类。 (1) 桥路补偿法（补偿片法） 应变片通常是作为平衡电桥的一个臂测量应变的，图中R为工作片，R为补偿片。工作片R1粘贴在试件上需要测量应变的地方，补偿片R粘贴在一块不受力的与试件相同材料上。,采用原理：电桥的相邻相减原则。 优点：简单、方便，在常温下补偿效果较好。,缺点：在温度变化梯度较大的情形下，很难做到工作片与补偿片处于温度完全一致的情况。,桥路补偿法必须满足以下4个条件 （1）在应变片工作过程中，保证R3=R4； （2）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，应变片灵敏度系数K和初始电阻值R0； （3
