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1、1,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,第2章 电阻式传感器,电阻式传感器是将被测的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,3,第2章 电阻式传感器,电阻式传感器包括： 热电阻,湿敏电阻,热敏电阻,气敏电阻,光敏电阻,4,磁敏电阻,电阻应变式传感器,压阻式传感器。,电位器式传感器,压敏电阻,5,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
2、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。,6,2.1 电阻应变式传感器,电阻应变式传感器是利用电阻应变效应做成的传感器, 是常用的传感器之一。由电阻应变片、弹性元件和测量电路组成。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,7,2.1 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,8,2.1.1 电阻应变片的基本原理与结构,长为L、截面积为A、电阻率为的金属或半导体丝，电阻为,若
3、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。,1.金属的电阻应变效应,9,2.1.1 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：,10,2.1.1 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发生变化而引起的(称压阻效应)。,11,2.1.1 电阻应变片的基本原理与结构,由于,其中，为材料中的应力，E为材料的弹性模量(杨氏模量)， 为材料的压阻系数。 对金属来说，E
4、很小，可忽略不计，KS的第一项起主要作用，=0.250.5，故KS1.52。 对半导体而言，压阻系数=(4080)10-11m2/N，杨氏模量E=1.671011N/m2，则E50100，故第一项可忽略不计。可见，半导体灵敏系数要比金属大得多。,12,2.1.1 电阻应变片的基本原理与结构,2.电阻应变片的结构,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。,平均效应,如PJ-120型金属电阻应变片的规格为13mm5mm，120。,13,2.1.1 电阻应变片的基本原理与结构,电阻丝较细，一般在0.0150.06mm，两端焊有较粗的低阻镀锡
5、铜丝(0.10.2mm)作为引线，以便与测量电路连接。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。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13mm5mm，120W。,14,2.1.1 电阻应变片的基本原理与结构,应变片的分类 应变片有很多品种系列：从尺寸上讲，长的有几百mm，短的仅0.2mm；由结构形式上看，有单片、双片、应变花和各种特殊形状的图案； 就使用环境上说，有高温、低温、水、核辐射、高压、磁场等；而安装形式，有粘贴、非粘贴、焊接、火焰喷涂等。,15,2.1.1 电阻应变片的基本原理与结
6、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。,16,2.1.1 电阻应变片的基本原理与结构,(1)金属应变片 金属丝式应变片 金属丝弯曲部分可作成圆弧、锐角或直角。弯曲部分作成圆弧(U)形是最早采用的一种形式，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。,17,2.1.1 电阻应变片的基本原理与结构,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图形的应变片(厚度一般在0.0030.01
7、mm)。,18,2.1.1 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： i.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。 ii.可制成基长很小的应变片。 iii.敏感栅弯头横向效应可忽略。 iv.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。 v.疲劳寿命长，机械滞后小，蠕变小。 vi.便于批量生产，而且生产效率高。,19,2.1.1 电阻应变片的基本原理与结构,薄膜式应变片 薄膜式应变片是采用真空溅射或真空沉积等镀膜技术将应变电阻材料镀在基底材料上
8、而形成的应变片(厚度在零点几纳米到几百纳米)。这类应变片的显著特点是灵敏系数大，允许电流密度大，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。,20,2.1.1 电阻应变片的基本原理与结构,(2)半导体应变片 体型半导体应变片。,21,2.1.1 电阻应变片的基本原理与结构,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。 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。 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。,22,2.1.1 电阻应变片的基本原理与结构,半导
9、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。 具有正、负两种符号的应力效应(即在拉伸时P型硅应变片的灵敏度系数为正值，而N型硅应变片的灵敏度系数为负值)。 机械滞后小，可测量静态应变、低频应变等。,23,2.1.1 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。,24,2.1.1 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%。能测12me的应变。
10、测量范围广，应变测量范围一般可由数个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1me,25,2.1.1 电阻应变片的基本原理与结构,频率响应特性好，一般电阻应变片响应时间约为10-710-11s，若能在弹性元件设计上采取措施，则电阻应变式传感器可测几十甚至上百kHz的动态过程。 尺寸小(超小型应变片的敏感栅尺寸为 0.2mm2.5mm)、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。 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
11、及远距离传送。,26,2.1.1 电阻应变片的基本原理与结构,(2)缺点： 在大应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。 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。,27,2.1 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,28,2.1.2 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
12、 (1)电阻值 应变片的电阻值是指应变片在安装前及室温下测定的电阻值，也称为初始电阻值。应变片的电阻值是一个系列，有60W、90W、120W、250W、350W、600W和1000W等，其中以120W和350W应用较多。 电阻值越大，DR=RKSe也就越大，从而输出信号就能增大，但敏感栅尺寸也要随之增大。,29,2.1.2 电阻应变片的主要参数及工作特性,(2)几何尺寸 应变片的标距(或工作基长)l相对于工作宽度b较小时横向效应较大，所以通常情况下尽量用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)，则应该使用小标距的应变片。目前应变片的最小标距可做到0.2mm，最大标距可达300
13、mm以上。 应变片的基宽(或工作宽度)b值小时应变片的整体尺寸可减小，但其过小将使散热性能变差。,30,2.1.2 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，称为应变片的灵敏系数。即,31,2.1.2 电阻应变片的主要参数及工作特性,应变片的灵敏系数是一个无量纲的量，它是应变片的重要技术参数。K值的误差大小是衡量应变片质量好坏的主要依据之一，其准确性又直接影响着应变片的测量精度。 因一般应变片粘贴到试
14、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”。,32,2.1.2 电阻应变片的主要参数及工作特性,例2.1 如果将100W的电阻应变片贴在弹性试件上，试件受力横截面积S=0.510-4m2，弹性模量E=21011N/m2，若有F=5104N的拉力引起应变片电阻变化为1W。试求该应变片的灵敏系数。,解,33,2.1.2 电阻应变片的主要参数及工作特性,(4)绝缘电阻 绝缘电阻是指应变片引出线与粘贴该应变片的试件之间的电阻值。它是检查应变片粘贴质量、粘合剂是否完全干燥或固化的
15、重要指标。绝缘电阻越高越好，一般应大于104MW。,34,2.1.2 电阻应变片的主要参数及工作特性,(5)允许电流 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。为了保证测量精度，在静态测量时，允许电流一般为25mA，箔式应变片允许电流较大一些。在动态测量时，允许电流为75100mA。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。,35,2.1.2 电阻应变片的主要参数及工作特性,(6)应变极限 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
16、实应变值。影响应变极限大小的主要因素是粘合剂和基底材料的性能。,36,2.1.2 电阻应变片的主要参数及工作特性,(7)疲劳寿命 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疲劳损坏的循环次数。该参数反映了应变片适应动态应变的能力。在标定应变片疲劳寿命时，交变应力的特性及大小，以及所谓疲劳损坏都有明确的规定。,37,2.1.2 电阻应变片的主要参数及工作特性,(8)机械滞后 应变片安装在试件上后，在一定温度下，其加载、卸载特性不重合，在同一机械应变值eg下，其对应的指示应变ei不一致。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。,38,2.1.2 电阻应变片的主要参数及工作特性,(9)零漂和蠕变 粘贴在试件上的应变片，在温度保持恒定、不承受机械应变时，其电阻值随时间而变化的特性，称为应变片的零漂。 如果在一定温度下，使其承受恒定的机械应变，其电阻值随时间变化的特性，称为应变片的蠕变。一般蠕
