传感器2_电阻应变片

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1、2 电阻应变片式 传感器,勤朴忠实,2.1 电阻应变传感器工作原理,电阻应变传感器是一种利用电阻应变片将应变转换为电阻变化的传感器。任何非电量只要能转化为应变量就可以利用电阻传感器测量，因而在非电量电测技术中应用十分广泛。,电阻应变传感器由弹性敏感元件、电阻应变片和测量电路组成。 弹性元件：用来感受被测量的变化。其材料是弹性物质，其作用是在感受被测量时将产生变形，其表面产生应变； 电阻应变片：将弹性元件的表面应变转换为应变片电阻值的变化。粘贴在弹性元件上，将随着弹性敏感元件产生应变，因此电阻应变片的电阻值也产生相应的变化。 测量电路：将应变片电阻值的变化转换为便于输出测量的电量，从而实现非电量

2、的测量。电阻应变片是应变测量的关键元件，为适应各种领域测量的需要，可供选择的电阻应变片的种类很多，但按其敏感栅材料及制作方法可分类如下表：,电阻应变片的种类,金属应变效应是指金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着所受机械变形(伸长或缩短)的变化而发生变化的现象。由于,2.2 电阻应变片的工作原理,2.2.1 金属的应变效应,2.2.2 应变片的结构 和工作原理,1、结构,右图2-1 电阻丝应变片的基本结构 1基底 2电阻丝 3覆盖面 4引线,对上式微分得：,由于： ，则有：,2、应变片特性,根据电阻定律，一根金属丝的电阻为,(2-1),）；,R为金属丝的电阻（,为金属丝的电阻率,L为

3、金属丝的长度（m）；A为金属丝的截面积（）。,取一段金属丝如图2-2所示。当金属丝受拉而伸长dL时，其截面积将相应减小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。,图 2-2 金属导线受力变形情况,导体纵向（轴向）应变量为 ，横向（径向）应 变量为 ，则有,式中称之为导体的泊松比，它表示导体横行应变量与纵 向应变量成比例，式中“-”号表示两者变形方向相反。将前两式带入，得：,令金属丝应变灵敏系数为 ，其物理含义是 单位纵向应变片引起电阻的相对变化量。带入上式：,决定于导体几何尺寸发生的变化；,金属丝应变灵敏系数主要决定于金属导体的几何尺寸发

4、生的变化，通常泊松比的大小约0.51，因而金属丝应变灵敏系数一般在24之间。当金属丝制作成敏感栅时，其应变灵敏系数不仅决定于金属导体自身，而且还与横向效应，粘结剂及工艺等多因素有关。,决定于导体导电性能发生的变化；,实验证明，在金属丝变形的弹性范围内，电阻的相对变化,与应变,成正比，因而,为一常数。,式（2-8）以增量表示为,（2-9）,2.2.3 应变片的测试原理,用应变片测量应变或应力时，是将应变片粘贴于对象上。在外力作用下，被测对象表面产生微小机械变形，粘贴在其表面上的应变片亦随其发生相同的变化，因此应变片的电阻也发生相应的变化。如果利用仪器测出应变片的电阻阻值变化 ,则可以求解出试件的

5、应变，根据力学知识 即可求解出物体所受应力 。其中，E为材料弹性模量，,2.2.4金属电阻应变片基本特性,（1）横向效应将金属丝绕制成敏感栅后，在同样的拉伸力作用下沿拉 伸力方向的直线段仍感受纵向拉应变而伸长；但弯曲的圆弧 段在感受纵向拉应变的同时，也感受与纵向拉应变相反的横 向压应变，称之为横向效应，且弯曲半径越大，横向效应越 严重，致使电阻的增加值减小，应变片灵敏系数降低。（2）机械滞后在恒温下，应变片受力后，其内部会产生不可逆的残余变 形，致使应变电阻在加载和卸载时，出现一定的差值，称为 机械滞后，也将引起应变片灵敏系数下降。,（3）蠕变应变片受恒定力作用时，应变电阻值随时间而变化，致

6、使因为应力在粘胶层中传递时出现滑动现象，胶层越厚、滑 动越严重，称之为蠕变，蠕变结果也将引起灵敏系数下降。（4）温漂应变片材料的电阻一般都受温度影响，温度变化引起的阻 值变化称为温漂，这种由于物质内部热激发所引起的热输 出，通常是导致灵敏度下降的主要因素，因而在应变测量中 都要采取相应的温度补偿措施。,2.2.5 电阻应变片的种类、材料,箔式应变片优点: 可制成多种复杂形状、尺寸准确的敏感栅，其栅长最小可做到0.2mm，以适应不同的测量要求； 横向效应小； 散热条件好，允许电流大，提高了输出灵敏度； 蠕变和机械滞后小，疲劳寿命长； 生产效率高，便于实现自动化生产。金属箔的材料常用康铜和镍铬合金

7、等。 目前使用的应变片大多是金属箔式应变片。,采用真空沉积或高频溅射等方法，在绝缘基片上形成厚度在0.1m以下的电阻材料薄膜的敏感栅厚度大约为箔式应变片的十分之一以下。优点：应变灵敏系数大，可靠性好，精度高，容易做成高阻抗的小型应变片，无迟滞和蠕变现象，具有良好的耐热性和冲击性能等。用化学气相淀积法制备薄膜，成膜温度低、可靠性好、系统简单等。,薄膜应变片：,2.3 半导体电阻应变片,1、半导体压阻效应,半导体应变片的纵向压阻效应可将前式（金属丝）改写为：,在单晶硅上扩散p型杂质,2.4 相关参数,1. 应变片电阻值R0,2. 绝缘电阻,3. 灵敏系数K,指未安装的应变片在不受外力的情况下，于室

8、温条件测定的电阻值，也称原始阻值。已趋于标准化，120 欧姆最为常用。,敏感栅与基底间的电阻值，一般应大于 欧姆。,是指应变片安装于试件表面，在其轴线方向的单向应力作用下，应变片的阻值相对变化与试件表面上安装应变片区域的轴向应变之比。,4. 允许电流,5. 应变极限,是指不因电流产生热量影响测量精度，应变片允许通过的最大电流在静态测量时，允许电流一般为25mA；在动态测量时，允许电流可达75100mA。,指在温度一定时，指示应变值和真实应变值的相对差值不超过一定数值时的最大真实应变数值，一般差值规定为10%，当指定应变值大于真实应变值的10%时，真实应变值称为应变片的极限应变。,6. 机械滞后

9、、零漂和蠕变,应变片的机械滞后是指对粘贴的应变片，在温度一定时，增加和减少机械应变过程中同一机械应变量下指示应变值的最大差值。零点漂移（简称零漂）是指已粘贴好的应变片，在温度一定和无机械应变时，指示应变值随时间的变化。蠕变是指已粘贴好的应变片，在温度一定并承受一定的机械应变时，指示应变值随时间的变化。,2.5 电阻应变式传感器的温度误差及其补偿,2.5.1 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,（2-12）,(2-13),为温度为t时的电阻值;,为温度为t0时的电阻值,为温度的变化值 ;,为温度变化,时的电阻变化,为敏感栅材料的电阻温度系数。,将温度变化折

10、合为应变,，则,(2-14),K为应变片的灵敏系数,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,如果粘贴在试件上一段长度为,的应变丝，当温度变化,时，应变丝受热膨胀至,而应变丝下的试件伸长至,，则,（2-15）,(2-16),（2-17）,（2-18）,为温度为t0时的应变丝长度； 为温度为t时的应变丝长度； 为温度为t时应变丝下的试件长度；g为应变丝的线膨胀系数；m为试件的线膨胀系数； 、 分别为温度变化 时应变丝和试件的膨胀量。,由式（2-16）和式（2-18）可知，如果,不相等，则,拉长至,将产生附加形变即,若应变丝被迫从,（2-19）,折算为应变，则,（2-20）

11、,不同。,引起的电阻变化为,因此，由于温度变化,而引起的总阻值变化为,（2-21）,（2-22）,总附加虚假应变量为,（2-23）,2.5.2 温度补偿方法,温度补偿方法，分为桥路补偿和应变片自补偿两大类。 1. 桥路补偿法桥路补偿法也称补偿片法。应变片通常是作为平衡电桥的一个臂测量应变的，图2-6中,为工作片，,为补偿片。,工作片 粘贴在试件上需要测量应变的地方，补偿片 粘贴在一块不受力的与试件相同材料上，这块材料自由地放在试件上或其附近，如图2-6b所示。当温度发生变化时，工作片 和补偿片 的电阻都发生变化，而它们的温度变化相同， 和 为同类应变片，又粘贴在相同的材料上，因此 和 分别接入

12、电桥的相邻两桥臂，则因温度变化引起的电阻变化作用相互抵消，这样就起到了温度补偿的作用。,图2-6 桥路补偿法,值的应变片只能用在一种材料上，因,2. 应变片自补偿法,粘贴在被测部位上的是一种特殊应变片，当温度变化时，产生的附加应变为零或相互抵消，这种特殊应变片称为应变片自补偿法。下面介绍两种自补偿应变片。 （1）选择式自补偿应变片 由式(2-23)可知，实现温度补偿的条件为,则,(2-24),被测试件材料确定后，就可以选择适合的应变片敏感栅材料满足式（2-24），达到温度补偿。这种方法的缺点是一种,此局限性很大。,双金属敏感栅自补偿应变片也称组合式自补偿应变片。它是利用两种电阻丝材料的电阻温度

13、系数不同（一个为正，一个为负）的特性，将二者串联绕制成敏感栅，如图2-7所示。若两段敏感栅的电阻,而产生的电阻变化,和,大小相等而符号相反，,（2）双金属敏感栅自补偿应变片,，由于温度变化,就可以实现温度补偿，电阻,而其中,图2-7 双金属丝栅法,3. 热敏电阻补偿法,如图2-8所示，图中的热敏电阻RT处在与应变片相同的温度条件下，当应变片的灵敏度随温度升高而下降时，热敏电阻RT的阻值也下降，使电桥的输入电压随温度升高而增加，从而提高电桥的输出，补偿因应变片引起的输出下降。选择分流电阻,可以得到良好的补偿。,的值，,图2-8 热敏电阻补偿法,2.6电阻应变式传感器的信号调节电路,2.6.1 测

14、量电桥的工作原理,平衡电桥多用直流供电，四臂中任一电阻可用应变片代替，因为应变片工作过程中阻值变化很小，所以可认为电源供出的电流I在工作过程中是不变的，即加在34间的电压是一个定值，如图2-9所示。假定电源为电动势源，内阻为零，则在检流计中流过的电流 和电桥各参数间的关系为,1. 平衡电桥的工作原理,（2-25）,为检流计的内阻。应变片的阻值变化可以用 的大小来表示（偏转法），也可以用桥臂阻值的改变量来表示（零度法）。若采用零度法时，电桥的平衡条件为流过检流计的电流等于零，此时式（2-25）要满足下列条件：,（2-26）,即,直流电桥,若第一臂用应变片代替，应变片由应变引起的电阻变化为,，使式

15、（2-26）的关系被破坏，检流计中有电流流过，此时,使它变为,，则有,可调节其余臂的电阻，使重新满足式（2-26）的关系。,若调节,（2-27）,（2-28）,由,和式（2-28）得,若,和,为定值时，可用,表示,的大小，一般将,和,称为比例臂，改变它们的比值，可以改变,的测,称为调节臂，用它来改变被测应变值。,平衡电桥和一般电桥的不同点是在测量前和测量时需要作两次平衡。静态应变仪的电桥多采用这种原理制成。若应变为动态量，则电阻变化较快，平衡电桥已经来不及了，此时只能采取偏转法，即不平衡电桥法。,量范围，而,实际上电桥后面连接的放大器的输入阻抗都很高，比电桥的输出电阻大得多，此时必须要求电桥具有较高的电压灵敏度，当有小的 变化时，能产生较大的 值 。,2. 不平衡电桥的工作原理,不平衡电桥是利用电桥输出电流或电压与电桥各参数间的关系进行工作的，此时在桥的输出端接入检流计或放大器。在输出电流时，为了使电桥有最大的电流灵敏度，希望电桥的输出电阻尽量和指示器内阻相等。,图2-10为由交流电压u供电的交流电桥电路，第一臂是应变片，其他三臂为固定电阻。应变片未承受应变时阻值为 ，电桥处于平衡状态，电桥输出电压为零。当承受应变时，产生 的变化，电桥变为不平衡，输出电压为 。由图2-10可知：,图2-10 交流电桥,假设n=R2/R1，并考虑电桥初始平衡条件R2/R1=R4/R3,