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1、传感器原理与应用,第2章 电阻式传感器,第2章 电阻式传感器,电阻式传感器是将被测非电量转换成电阻值变化的器件或装置。,由于构成电阻的材料种类很多，例如，导体、半导体、电解质等，引起电阻变化的物理原因也很多，例如，材料的应变或应力变化、温度变化等，就产生了各种各样的电阻式传感器。,被测量,电阻式 传感器,电阻,第2章 电阻式传感器,电阻式传感器包括：热电阻；热敏电阻；光敏电阻；湿敏电阻；气敏电阻；磁敏电阻；压敏电阻；电位器式传感器；电阻应变式传感器；压阻式传感器。,第2章 电阻式传感器,2.1 电阻应变式传感器 2.2 压阻式传感器,2.1 电阻应变式传感器,应变式传感器是利用电阻应变效应做成
2、的传感器。由电阻应变片和测量电路两部分组成。应变式传感器的核心元件是电阻应变片(计)。,电阻应变片,弹性元件,信号调节电路,2.1.1 电阻应变片的基本原理与结构 2.1.2 电阻应变片的主要参数及工作特性 2.1.3 电阻应变片的测量电路 2.1.4 电阻应变式传感器举例,2.1 电阻应变式传感器,1.金属的电阻应变效应 长为L、截面积为A、电阻率为r的金属或半导体丝，电阻为,若导线沿着轴线方向受到力的作用而产生变形，则其电阻值也随之发生变化，这一现象称为电阻应变效应。,2.1.1 电阻应变片的基本原理与结构,将式(2.1)两边微分得,经推导可得：,2.1.1 电阻应变片的基本原理与结构,2
3、.1.1 电阻应变片的基本原理与结构,KS称为电阻应变敏感材料的灵敏系数，即,KS表示当发生应变时，其电阻变化率与其应变的比值。KS的大小由两个因素引起，第一项是由几何尺寸的改变所引起的，第二项是受力后材料的电阻率r发生变化而引起的(称压阻效应)。,2.1.1 电阻应变片的基本原理与结构,由于,其中，s为材料中的应力，E为材料的弹性模量(杨氏模量)，p为材料的压阻系数。对金属来说，pE很小，可忽略不计，KS的第一项起主要作用，m0.250.5，故KS1.52。对半导体而言，pE50 100，故第一项可忽略不计。可见，半导体的灵敏系数要比金属大得多。,2.1.1 电阻应变片的基本原理与结构,2.
4、电阻应变片的结构,图中，l 称为应变片的标距，或称工作基长；b称为应变片的基宽，或称工作宽度。lb称为应变片的使用面积。,2.1.1 电阻应变片的基本原理与结构,电阻丝较细，直径一般在0.0150.06 mm，两端焊有较粗的低阻镀锡铜丝(直径为0.10.2 mm)作为引线，以便与测量电路连接。应变片的规格一般是以使用面积和电阻来表示的，如PJ-120型金属电阻应变片的规格为13 mm5 mm，120 W。,2.1.1 电阻应变片的基本原理与结构,应变片的分类：从尺寸上，长的有几百mm，短的仅0.2 mm；从结构形式上，有单片、双片、应变花和各种特殊形状的图案；从使用环境上，有高温、低温、水、核
5、辐射、高压、磁场等；从安装形式上，有粘贴、非粘贴、焊接、火焰喷涂等。,2.1.1 电阻应变片的基本原理与结构,主要的分类方法是根据敏感元件材料的不同，将应变片分为金属式和半导体式两大类。从敏感元件的形态又可进一步分成不同类型。,2.1.1 电阻应变片的基本原理与结构,1)金属应变片 (1)金属丝式应变片 最早采用圆弧(U)形，制作简单但横向效应较大。直角(H)形两端用较粗的镀银铜线焊接，横向效应相对较小，但制作工艺复杂，将逐渐被横向效应小、其他方面性能更优越的箔式应变片所代替。,2.1.1 电阻应变片的基本原理与结构,(2)箔式应变片 它是利用照相制版或光刻腐蚀法将电阻箔材在绝缘基底上制成各种
6、图形的应变片(厚度一般在0.0030.01 mm)。,2.1.1 电阻应变片的基本原理与结构,箔式应变片与金属丝式应变片相比有如下特点 敏感栅尺寸准确、线条均匀，故大批量生产时，电阻值离散程度小。并且可根据不同测量要求制成任意形状。 可制成基长很小的应变片。 敏感栅弯头横向效应可忽略。,2.1.1 电阻应变片的基本原理与结构,箔式应变片敏感栅截面为长方形，表面积大，散热性能好，在相同断面积情况下能通过较大的工作电流，从而能增大输出信号。 疲劳寿命长，机械滞后小，蠕变小。 便于批量生产，而且生产效率高。,2.1.1 电阻应变片的基本原理与结构,(3)薄膜式应变片 它是采用真空溅射或真空沉积等镀膜
7、技术将应变电阻材料镀在基底材料上而形成的(厚度在零点几nm到几百nm)。这类应变片的显著特点是灵敏系数大，允许的电流密度大，工作温度范围广(197317 )，也可用于核辐射等特殊情况下，易实现工业化批量生产。,2.1.1 电阻应变片的基本原理与结构,2)半导体应变片 (1)体型半导体应变片。,2.1.1 电阻应变片的基本原理与结构,(2)薄膜型半导体应变片 是利用真空沉积技术将半导体材料沉积于绝缘体或蓝宝石基片上制成的。 (3)扩散型半导体应变片 是将P型杂质扩散到高阻的N型硅基片上，形成一层极薄的敏感层制成的。 (4)外延型半导体应变片 是在多晶硅或蓝宝石基片上外延一层单晶硅制成的。,2.1
8、.1 电阻应变片的基本原理与结构,半导体应变片有如下优点 灵敏度高。比金属应变片的灵敏度大几十倍。工作时，不必用放大器就可用电压表或示波器等简单仪器记录测量结果。 体积小，耗电省。 具有两种符号的应力效应(即在拉伸时P型硅应变片的灵敏系数为正值，N型硅的为负值)。 机械滞后小，可测量静态应变、低频应变等。,2.1.1 电阻应变片的基本原理与结构,3.电阻应变片的工作原理,弹性元件变形,应变片变形,电阻改变,F,e,e,DR,力,f(F)的形式与弹性元件有关。,2.1.1 电阻应变片的基本原理与结构,4.电阻应变片的特点 (1)优点 测量精度高，测量应变的误差小于1 %。 测量范围广，应变测量范
9、围一般可由数个me至数千个me。从弹性变形一直可测至塑性变形。变形范围从1 %20 %。 分辨力高，通常可达1 me。,2.1.1 电阻应变片的基本原理与结构,频率响应特性好，可测几十甚至上百kHz的动态过程。 尺寸小(超小型应变片的敏感栅尺寸为0.2 mm2.5 mm)、重量轻、结构简单，测试时对试件的工作状态及应力分布基本上没有影响，适合动、静态测量。,2.1.1 电阻应变片的基本原理与结构,环境适应性强，可在高温、低温、高压、高速、水下、强烈振动、强磁场、核辐射及化学腐蚀等各种恶劣环境条件下使用。 便于实现多点测量及远距离传送。,2.1.1 电阻应变片的基本原理与结构,(2)缺点 在大应
10、变状态下具有较大的非线性，半导体应变片的非线性更为显著。 应变片的输出信号较微弱，故其抗干扰能力较差，因此，对信号连接导线要认真屏蔽。,2.1.1 电阻应变片的基本原理与结构,虽然应变片尺寸较小，但测出的仍是应变片敏感栅范围内的平均应变，不能完全显示应力场中应力梯度的变化。 应变片的温度系数较大。,2.1 电阻应变式传感器,2.1.1 电阻应变片的基本原理与结构 2.1.2 电阻应变片的主要参数及工作特性 2.1.3 电阻应变片的测量电路 2.1.4 电阻应变式传感器举例,2.1.2 电阻应变片的主要参数及工作特性,1.电阻应变片的主要参数 (1)电阻值 是指应变片在安装前及室温下测定的电阻值
11、，也称为初始电阻值。有60 W、90 W、120 W、250 W、350 W、600 W和1000 W等，120 W和350 W应用较多。,2.1.2 电阻应变片的主要参数及工作特性,(2)几何尺寸 标距(或工作基长)l相对于工作宽度(或基宽)b较小时横向效应较大，所以通常尽量用l值较大的应变片。但在应变变化梯度大的场合(如应力集中处)，则应该使用l小的应变片。目前最小标距可做到0.2 mm，最大可达300 mm以上。 b值小时应变片的整体尺寸可减小，但散热性能变差。,2.1.2 电阻应变片的主要参数及工作特性,(3)灵敏系数 应变片灵敏系数(以下用K表示)的定义为：将应变片安装在处于单向应力
12、状态的试件表面，试件由泊松比0.285的钢构成。使其灵敏轴线与应力方向平行时，应变片电阻值的相对变化与沿轴向的应变之比值。即,2.1.2 电阻应变片的主要参数及工作特性,因一般应变片粘贴到试件上后不能取下再用，故只能在每批产品中提取一定百分比(如5 %)的产品进行测定，取其平均值作为这一批产品的灵敏系数。这就是产品包装盒上注明的灵敏系数，或称“标称灵敏系数”。,2.1.2 电阻应变片的主要参数及工作特性,例2.1 如果将100 W的电阻应变片贴在弹性试件上，试件受力横截面积S0.5104 m2，弹性模量E21011 N/m2，若有F5104 N的拉力引起应变片电阻变化为1 W。试求该应变片的灵
13、敏系数。,2.1.2 电阻应变片的主要参数及工作特性,(4)绝缘电阻 是指引出线与粘贴该应变片的试件之间的电阻值。一般应大于104 MW。 (5)允许电流 是指允许通过应变片敏感栅而不影响其工作特性的最大工作电流。它与应变片敏感栅的形状和尺寸、基底尺寸和材料、粘合剂的材料及试件的热性能有关。最大工作电流选取的依据是使应变片的零漂不超过允许值。,2.1.2 电阻应变片的主要参数及工作特性,(6)应变极限 是指在一定温度条件下，应变片指示的应变值与试件真实应变的相对差值不超过10 %时的最大真实应变值。 (7)疲劳寿命 是指粘贴在试件表面上的应变片，在恒定幅值的交变应力作用下，可以连续工作而不产生
14、疲劳损坏的循环次数。,2.1.2 电阻应变片的主要参数及工作特性,(8)机械滞后 加载特性曲线与卸载特性曲线的最大差值称应变片的机械滞后。,2.1.2 电阻应变片的主要参数及工作特性,(9)零漂和蠕变 在恒温、不承受应变时，其电阻值随时间而变化的特性，称为应变片的零漂。在恒温，承受恒定的应变时，其电阻值随时间变化的特性，称为应变片的蠕变。一般蠕变的方向与原应变引起的变化的方向相反。 (10)线性度 一般要求在0.05 %或1 %以内。,2.1.2 电阻应变片的主要参数及工作特性,2.横向效应 应变片由于圆弧处感受横向应变而使电阻变化率减小并使应变片灵敏系数降低的现象称为应变片的横向效应。原因在
15、于圆弧段感受到的轴向应变从ex到-mex。,2.1.2 电阻应变片的主要参数及工作特性,应变片的粘贴 应变片通常是用粘合剂粘贴到试件上的，在做应变测量时，是通过粘合剂所形成的胶层将试件上的应变传递到应变片的敏感栅上去的。因此，粘合剂的选择和粘贴质量的好坏直接关系到应变片的工作情况，影响测量结果的准确性。,2.1.2 电阻应变片的主要参数及工作特性,3.温度效应及其补偿 (1)温度效应 把应变片安装在自由膨胀的试件上，即使试件不受任何外力作用，如果环境温度发生变化，应变片的电阻也将发生变化，这种现象称为应变片的温度效应。由温度变化引起的应变输出称为热输出，它是虚假应变，在测量中须设法予以消除。,
16、2.1.2 电阻应变片的主要参数及工作特性,产生温度误差的原因有二 敏感栅金属丝本身的电阻随温度变化。电阻与温度的关系可由下式表示,若由于电阻值随温度变化引起的应变误差记作De1，则由式(2.6)可得,2.1.2 电阻应变片的主要参数及工作特性,由于敏感栅材料的线膨胀系数bs与试件材料的线膨胀系数bg不同引起附加变形而使电阻变化，表示为,若由于bs与bg不同而使电阻变化造成的应变误差记作De2 ，则,2.1.2 电阻应变片的主要参数及工作特性,由于温度效应而造成的附加应变(热输出)为,(2)温度补偿 温度补偿就是消除热输出对应变测量的影响。通常有桥路补偿法、应变片自补偿法和热敏电阻补偿法。,2.1.2 电阻应变片的主要参数及工作特性,桥路补偿 工作应变片R1与补偿应变片R2参数相同。R1粘贴在试件上，R2粘贴在和试件材料相同、处于同一温度的补偿块上。测量时，使二者接入电桥的相邻臂上。,2.1.2 电阻应变片的主要参数及工作特性,
