测试技术_第3章电阻应变式传感器

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第三章 电阻应变式传感器,3-1,概述,组成：,电阻应变式传感器由弹性元件、电阻应变片和测量电路的部分构成。,功能：,弹性元件：感受载荷，产生应变；,应变片：感受应变，产生电阻变化；,测量电路：将电阻变化转变成电压。,电阻应变片,是其核心。,电阻应变片又称电阻应变计，一般由敏感元件、基底、引线、和覆盖层组成。,敏感元件也叫敏感栅。根据其材料不同，应变片可分为：金属电阻应变片和半导体电阻应变片两大类。,工作原理：,应用时将应变片粘结在被测试件或者弹性元件表面上，当试件受力变形时，应变片的敏感栅也随之变形，引起应变片电阻变化，通过测量电路将其转换为电压或电流信号输出。,优点,：,由于应变片的尺寸小，重量轻，因而具有良好的动态特性，而且应变片粘贴在试件上对其工作状态和应力分布没有影响。适用于静态测量和动态测量。,测量应变的灵敏度和精确度高，可测,1,2,微应变，误差小于,1,。,测量范围大，既可测量弹性变形，也可测量塑性变形，变形范围从,1,20,。,能适应各种环境，可在高（低）温、超低压、高压、水下、强磁场以及辐射和化学腐蚀等恶劣环境下使用。,缺点,：大应变状态下具有较明显的非线性；,输出信号较弱。,电阻应变式传感器的优缺点有,：,3-2,金属电阻应变式传感器,一、电阻应变效应,：假设金属应变片金属丝的长度为,L,，截面积为,A,、半径为,r,、电阻率为,，则金属丝的初始电阻,R,可表示为：,当沿金属丝的长度方向作用均匀力时，上式中,、,r,、,L,都将发生变化从而导致电阻,R,发生变化。通过对上式求全微分可得：,式中：,dL,/,L,x,电阻丝纵向应变；,dr,/,r,y,电阻丝横向应变；,x,与,y,关系可表示为,y,-,x,；,为电阻丝材料的泊松比。,将有关各式代入式,(2-2),可得：,R/R=,1+2,+,（,/,）,/,x,x,=,K,o,x,式（,3,2,）,K,o,=,（,R/R,）,/,x,=,1+2,+,（,/,）,/,x,式中：,K,o,为金属单丝的灵敏度系数。即,式,(3,2),是应变片的应变效应表达式，,K,o,是金属单丝的灵敏度系数，其物理意义是单位应变所引起的电阻相对变化。,K,o,值的前两项,1+2,是由于金属丝受力后几何形状的变化而引起的电阻相对变化；而后一项是因为金属的电阻率,因变形发生变化而引起的电阻相对变化。对金属材料来说，电阻的变化与上述两因素有关，但以前者为主。,对于半导体材料，式,(3,2),中（,/,）,/,x,可用,1,E,表示。,E,为弹性模量，,1,为压阻系数。因半导体应变片是利用压阻效应进行工作的，它的电阻系数很大，一般,1,E,为（,1+2,),的几十倍，因此半导体材料的灵敏系数,S,主要取决于,1,E,项，即：,K,o,1,E,金属单丝的灵敏系数,K,o,与相同材料做成的应变片的灵敏系数,S,稍有不同。,S,由实验求得，实验表明,S,K,o,。究其原因主要有两个：一是胶体的传递变形失真；二是由于金属丝绕成栅状而存在的横向效应。为了减小横向效应可采用直角线栅或箔式应变片。,二、金属电阻应变片的结构及参数,1.,常见的金属电阻应变片的结构形式：,它主要由粘合层,1,、,3,，基底,2,、盖片,4,，敏感栅,5,，引出线,6,构成。分为丝式和箔式两种。,丝式：由金属电阻丝盘绕或焊接而成。,金属箔式应变片的敏感栅，则是用栅状金属箔片代替栅状金属丝。由于金属箔式应变片具有线条均匀、尺寸准确、阻值一致性好、传递试件应变性能好等优点，因此，目前使用的多为金属箔式应变片，其结构见图。,箔式：由金属电阻箔采用光刻技术制造。,2.,金属应变片的主要参数：,基长,l,：又称标距，即敏感栅的纵向长度，通常,230mm,。,基宽,b,：敏感栅的横向宽度，通常约,10mm,。,电阻值,R,：指应变片未经安装也不受外力情况下于室温时所测定的电阻值。有,60,，,120,，,200,，,350,，,1000,几种规格，最常用的为,120,。,灵敏度,S,：即单位应变引起的电阻相对变化，是应变片的重要技术参数，通常,S=2,。, 允许电流：允许通过应变片的最大工作电流。,三,、,电阻应变式传感器的测量电路,测量电路：,把应变片的电阻变化转变为 电压或电流变化功能的电路。,常用应变片的灵敏度,S,值较小，所以电阻的变化范围很小，一般在,0.5,以下。如何能测量出这样小的电阻变化，选择测量电路也是很重要的。,电阻应变式传感器的测量电路是直流电桥电路。,下图是直流电桥电路。电桥的一个对角线接入电源电压,U,I,，另一个对角线为输出电压,U,o,：,当电桥的输出电压 时，电桥平衡，可见直流电桥的平衡条件为：,R,1,R,3=,R,2,R,4,或,R,1/,R,2=,R,4/,R,3,为了使电桥在测量前的输出为零，应该使四个桥臂电阻满足上述条件。,当每个桥臂电阻变化值,R,i,R,i,，电桥负载电阻为无限大时，电桥输出电压可近似用下式表示：,通常采用全等臂形式工作，即,R,l,R,2,R,3,R,4,(,初始值,),。且当四个桥臂均为应变片时,其相应的电阻变化为,这样式,(3-3),可变为：,又由,得,:,工作应变片：,感受弹性元件变形，产生电阻变化并接入电桥充当桥臂电阻的应变片称为工作应变片。,根据不同的要求，应变片在电桥中有不同的接法。下面介绍三种组桥方式：,1.,单臂电桥：即,R,1,为应变片，其余各臂为固定电阻，则式,(3-4),变为：,2.,双臂电桥,(,相邻臂,),：即,R,1,、,R,2,为应变片，,R,3,、,R,4,为固定电阻，则式,(3-4),变为：,3.,双臂电桥,(,相对臂,),：即,R,l,、,R,3,为应变片，,R,2,、,R,4,为固定电阻，则式,(3-4),变为：,4.,全桥：即电桥的四个桥臂都为应变片，此时电桥输出电压公式就是,(3-4),。,上面讨论的四种工作方式中的,1,、,2,、,3,、,4,可以是试件的纵向应变，也可以是试件的横向应变,(,取决于应变片的粘贴方向,),。若是压应变，,应以负值代入；若是拉应变，,应以正值代人。上述四种工作方式中，全桥工作方式灵敏度最高。,电桥的和差特性：,当,RR,时，输出电压与应变呈线性关系。,相邻桥臂：,若应变极性相同时，电桥的输出电压与两应变之差有关；若应变极性相反时，电桥的输出电压与两应变之和有关。,相对桥臂：,若应变极性相同时，电桥的输出电压与两应变之和有关；若应变极性相反时，电桥的输出电压与两应变之差有关。,利用“和”的特性可以提高测量输出的灵敏度；,利用“差”的特性可以进行温度补偿。,不同组桥方式的比较,由上节各式可以看出，电桥的输出电压,U,o,与应变值,i,成正比。应当指出的是，上面介绍的各式都是在式,(3-4),基础上求得的，而式,(3-4),只是一个近似式。对于单臂电桥，实际输出,U,o,与电阻变化值及应变之间存在一定的非线性。当应变值较小时，非线性可忽略。而对半导体应变片尤其是测大应变时，非线性则不可忽略。对于双臂电桥,(,相邻臂,),，两应变片处于差动工作状态，即一片感受正应变，另一片感受负应变；而双臂电桥,(,相对臂,),两应变片处于相同工作状态，即同时感受正应变或同时感受负应变。经推导可证明理论上不存在非线性问题，全桥电路也是如此。此时，应尽量采用后两种方法。,四、温度误差及其补偿：,在实际应用中，除了应变会导致应变片电阻变化外，温度变化也会导致应变片电阻变化。后者会给测量带来误差。因此有必要进行温度补偿以消除误差。,1,、温度变化引起的误差,电阻温度效应：电阻丝的电阻值随温度的变化而变化。温度变化所引起的电阻变化：,式中：,-,电阻丝的初始电阻；,-,材料的电阻温度系数；,-,温度变化量。,线胀系数不同而产生的电阻变化,电阻丝材料与被测试材料的线胀系数不同时的电阻变化：,式中：,-,试件材料的线胀系数；,-,电阻的线胀系数；,-,应变片的灵敏度。,所以，温度变化 后，电阻丝的电阻变化为：,可见，由温度变化引起的附加电阻 除了与 有关外，还与应变片本身的性能参数 ， ， 以及被测试件的线胀系数 有关。,2,、桥路补偿法,补偿片法：,补偿片：,桥路中与工作片处于同一温度场，但不受被测载荷作用的应变片称为温度补偿片。,作用：,是抵消由于温度变化而在工作片上产生的电阻。,补偿原理：,温度变化对工作片和补偿片所产生的应变相同，利用电桥的“差” 特性，将补偿片接在与工作片相邻的桥臂上，即可抵消工作片上的温度误差。,例：半桥测量时进行温度补偿。测量下图中的试件时，采用两片型号、初始电阻值和灵敏度都相同的应变片,R,l,和,R,2,。,R,l,贴在试件的测试点上，,R,2,贴在试件的应变为零处，或贴在与试件材质相同的不受力的补偿块上。,R,l,和,R,2,处于相同的温度场中，并接成双臂电桥,(,相邻臂,),形式。当试件受力并有温度变化时，应变片,R,l,的电阻变化率为：,R,1,/R,1,=R,1e,/R,1e,+R,1,t/R,1,式中：,R,1e,/R,1e,R,1,由应变引起的电阻变化率；,R,1t,/R,1,R,l,由温度引起的电阻变化率。,应变片,R,2,(,温度补偿片,),的电阻变化率为：,R,2,/R,2,=R,2e,/R,2e,注意：,R,2,上,由应变引起的电阻变化率为零。,由于,R,1,、,R,2,各项参数相同，所处的温度也相同，所以,结果消除了温度的影响，减小了测量误差。这种方法在测量中经常采用。,补偿片的工作条件：,补偿片不受载荷作用；,与工作片处于同一温度场；,接在相邻桥臂上。,热敏电阻法：,由于应变片的灵敏度系数随温度的升高而减小，引起输出电压的减小。为了补偿温度引起的影响，在供桥电路中接入热敏电阻,R,t,，与应变片处于相同温度环境下。当温度升高时,R,t,的阻值减小，使得供桥电压随着温度上升而增大，从而使电桥的输出电压增大。合理选择分流电阻,R,0,值，可使供桥电压随温度升高的速率与应变片灵敏度系数下降的速率相同，达到温度补偿的目的。,2,、自补偿法,选择式自补偿应变片：,组合式自补偿应变片：,3-3,半导体应变式传感器,一、压阻效应：,半导体材料受到应力作用时，其电阻率会发生变化，这种现象称为,压阻效应,。实际上，任何材料都不同程度地呈现压阻效应，但半导体材料的这种效应特别强。,金属材料的 比较小，但对于半导体材料， ，即因机械变形引起的电阻变化可以忽略，电阻的变化率主要是由 引起的，即,由半导体理论可知：,式中,L,沿某晶向,L,的压阻系数；,E,半导体材料的弹性模量；,沿某晶向,L,的应力。,则半导体材料的灵敏系数,K,0,为：,如半导体硅，,L,=(40,80)10-11m2/N,，,E,=1.671011N/m2,，则,k,0,=,L,E,50,100,。显然半导体电阻材料的灵敏系数比金属丝的要高,50,70,倍。,二、结构特点,1,、体形半导体应变片,条状半导体单晶硅或锗。,2,、扩散性半导体应变片,最常用的半导体电阻材料有硅和锗，掺入杂质可形成,P,型或,N,型半导体。,注意事项：,由于半导体,(,如单晶硅,),是各向异性材料，因此它的压阻效应不仅与掺杂浓度、温度和材料类型有关，还与晶向有关,(,即对晶体的不同方向上施加力时，其电阻的变化方式不同,),。,3-4,电阻应变式传感器的应用：,利用电阻应变原理制成的传感器可以用来测量诸如力、压力、位移、加速度等参数。下图是电阻应变式力传感器原理图，图中只画出传感器的弹性元件和粘贴在弹性元件上的应变片，以表明传感器的工作原理。,弹性元件把被测力的变化转变为应变量的变化，粘贴在上面的应变片也感受到同样大小的应变，因而应变片把应变量的变化变换成电阻的变化。只要把所贴的应变片接入电桥线路中，则电桥的输出变化就正比于被测力的变化。,上图给出四种不同形式的弹性元件：,图,(a),是柱形，可以是圆柱，也可以是方柱。根据载荷量的大小，可以是实心柱，也可以是空心柱。对中等量程的传感器，一般都做成空心圆柱状，对相同的截面积来说，空心柱比实心柱抗弯强度大。,图,(b),是弹性环，应变片贴在弯矩较大处的内外表面。当圆环受压时，贴片处的外表面是正应变,(,拉伸应变,),，内表面是负应变,(,压缩应变,),，四个应变片可连接成差动全桥。环状弹性元件可做成拉压力传感器，既可测拉伸力，又可测压缩力，而且量程可很小。,图,(c),是两端固定支梁，应变片贴在应变最大的中心部位，在上下表面各贴两片。当梁受力作用时，上表面的应变片为压应变，下表面的应变片为拉应变，四个应变片组成全桥差动结构。,图,(d),是等强度悬臂梁，在梁的上下表面各贴两片应变片，上表面的应变片为拉应变，下表面的应变片为压应变，四个应变片组成全桥差动结构。这种弹性元件结构简单，贴片容易，尤其适用于测量小量程载荷。,在弹性元件上合理布片与组桥的基本原则：,根据弹性元件受力后应变极性和大小的分析，遵循以下原则：,1,、应变片布置在弹性元件上具有正、负极性的应变区；,2,、应变片布置在弹性元件上应力最大的位置，同时注意该处不受非待测力的干扰和影响；,3,、根据测量目的和要求，利用电桥和差特性选择适当的接桥方式，使电桥输出最大或具有温度补偿能力，还能排除非待测力的干扰和影响，而且输出是与应变成正比的单值函数。,不同载荷下的布片和接桥方式,不同载荷下的布片和接桥方式,设计电阻应变式传感器的步骤,:,1,、根据需要测试的载荷的类型和量级选择弹性元件的结构形式；,2,、分析弹性元件在载荷作用下的受力和应力、应变状态；,3,、合理布片和组桥；,4,、计算输出电压与输入信号的数值关系。,