《现代检测技术》 第4章 电阻式传感器.ppt

4.1电位器式传感器电位器式传感器 4.2电阻应变式传感器电阻应变式传感器4.3 压阻式传感器压阻式传感器 电阻式传感器的基本原理是将被测的非电量转换成电阻值，通过测量此电阻值达到测量非电量的目的。这类传感器的种类很多，例如电位器式传感器、电阻应变式传感器、压阻式传感器、气敏电阻和湿敏电阻等。利用电阻式传感器可以测量形变、压力、力、位移、加速度和温度等非电量参数。4.1.1基本工作原理基本工作原理4.1.2输入输入输出特性输出特性n按输入输出特性，电位器式传感器可分为线性电位器和非线性电位器两类。1.线性特性线性特性线性电位器线性电位器 空载时其输出电压（电阻）与电刷位移之间具有线性关系的电位器称为线性电位器，其输出电压（电阻）与电刷位移成正比2.2.非线性特性非线性特性非线性电位器非线性电位器 空载时其输出电压（电阻）与电刷位移之间具有非线性关系的电位器称为非线性电位器，也称为函数电位器。（4-5）（4-6）用非线性电位器可使传感器获得各种特殊要求的非线性函数（如指数函数、三角函数、对数函数及其他任意函数）输出，同时也可以通过它的非线性来修正仪表对于传感器或带有负载的电位器的非线性，从而最终获得线性输出特性。4.1.3结构形式结构形式 线绕电位器的优点是精度高、性能稳定，易于达到较高的线性度和实现各种非线性特性。但也存在许多缺点，如阶梯误差、分辨力低、耐磨性差、寿命较低等。因此发展了在某些性能方面优于线绕电位器的非线绕电位器。非线绕电位器目前常见有合成膜、金属膜、导电玻璃釉电位器等。它们在结构上的共同特点是在绝缘基座上制成各种电阻薄膜元件，因此比线绕电位器具有高得多的分辨力，并且耐磨性好，寿命长，如导电塑料电位器使用寿命可达上千万次。它们的缺点是特性对温度、湿度变化比较敏感，且要求接触压力大，只能用于推动力大的敏感元件。电阻应变式传感器由电阻应变片和测量线路两部分组成。目前应用最广的电阻应变片有两种：金属应变片和半导体应变片。应用金属应变片的传感器就称为电阻应变式传感器，基于金属的电阻应变效应原理。应用半导体应变片的传感器称为压阻式传感器，基于压阻效应原理。电阻应变传感器是将被测量的力(压力、荷重、扭力等)通过它所产生的金属弹性变形转换成电阻变化的敏感元件。优点优点精度高，测量范围广；使用寿命长，性能稳定可靠；结构简单，尺寸小，重量轻，因此在测试 时，对工件工作状态及应力分析影响小；频率响应特性好，应变片响应时间约为；可在高低温、高速、高压、强烈振动、强磁 场、核辐射和化学腐蚀等恶劣环境条件下工 作;应变片种类繁多、价格便宜。缺点缺点 在大应变状态下具有较大非线性；输出信号微弱；不适用于高温环境中（以上）；应变片实际测出的只是某一面积上的平均应变，不能完全显示应力场中应力梯度的情况。4.2.1电阻应变片电阻应变片一、金属丝的电阻应变效应 电阻应变片的工作原理是基于金属的电阻应电阻应变片的工作原理是基于金属的电阻应变效应，即当金属丝在外力下作用发生机械变形变效应，即当金属丝在外力下作用发生机械变形时，其电阻值将发生变化。时，其电阻值将发生变化。设有一根长度为，截面积为，电阻率为的金设有一根长度为，截面积为，电阻率为的金属丝。在未受力时，原始电阻为属丝。在未受力时，原始电阻为图4-3 金属丝伸长后的几何尺寸 当金属丝受到轴向拉力作用时，将伸长，横截面积相应减少。电阻率因晶格变化等因素的影响而改变，故引起电阻值变化。对两边取对数，等式两边微分，则得 （4-7）也可用 则相对变化量来表示，有 称为金属丝长度方向的应变或轴向应变；为金属丝半径的相对变化，即径向应变 。轴向应变 与径向应变 存在下列关系：式中，金属丝的泊松比。由（4-8）式可知，受两个因素影响，前一部分仅由电阻丝材料受力后其几何尺寸变化引起的；另一个是由电阻丝的电阻率随应变引起的的变化。金属材料的应变电阻效应以结构尺寸变化为主。二、应变片的基本结构及测量原理二、应变片的基本结构及测量原理1、应变片的基本结构、应变片的基本结构 根据应变片原材料形状和制造工艺的不同，它的结构 形式有丝绕式、箔式和薄膜式三种。电阻应变片的结构形式各异，但其结构大体相同，一般由敏感栅、引出线、基底、覆盖层、粘合剂等组成。图4-4 电阻丝应变片结构示意图2、粘合剂和粘贴技术、粘合剂和粘贴技术 应变片的种类很多，选择何种应变片是测试前应确定的问题。一般根据试验环境、应变性质、试件状况及测试精度选择合适的应变片。应变片在试件上的安装质量是决定测试精度及可靠性的关键之一，必须予以高度重视。安装方法有三种，粘贴法是最常用的，焊接法适用于金属基底的应变片，喷涂法主要用于高温应变测量。应变片是用粘合剂粘贴到被测件上去，粘合剂形成的胶层必须可靠地将试件或弹性元件产生的应变传递到应变片的敏感栅上去，所以粘合剂与粘贴技术对测量结果有直接影响。对粘合剂要求为：有一定的粘结强度；能准确传递应变、有足够的剪切弹性模量；蠕变、机械滞后小；有足够的稳定性能；耐湿、耐油、耐老化、耐疲劳等。常用的粘合剂类型有硝化纤维素粘合剂、氰基丙烯酸脂粘合剂、有机硅粘合剂等。粘贴工艺包括：应变片在安装之前，应对其外观和电阻值进行检查；为了使应变片粘贴牢固，须事先对试件粘贴表面进行机械、化学处理，处理面积约为应变片面积的3倍试件表面处理，清洁使之无油污、氧化层、锈斑等；定位划线；粘贴应变片，并压合，使粘合剂的厚度尽量减薄；按规范对粘接剂进行加温固化或者加压；引线的焊接处固定以及防护与屏蔽处理等。3、测量原理测量原理 用应变片测量受力应变时，将应变片粘贴于被测对象表面上。在外力作用下，被测对象表面产生微小机械变形时，应变片的敏感栅也随之变形，其电阻值发生相应变化，通过转换电路转换为相应的电压或电流的变化，可以得到被测对象的应变值，而根据引力应变关系：优点优点 测量应变的灵敏度和精确度高，性能稳定、可靠，测量应变的灵敏度和精确度高，性能稳定、可靠，可测，误差小于。可测，误差小于。应变片尺寸小、重量轻、结构简单、使用方便、应变片尺寸小、重量轻、结构简单、使用方便、响应速度快。测量时对被测件的工作状态和应力响应速度快。测量时对被测件的工作状态和应力分布影响较小。既可用于静态测量，又可用于动分布影响较小。既可用于静态测量，又可用于动态测量。态测量。测量范围大。既可测量弹性变形，也可测量塑性测量范围大。既可测量弹性变形，也可测量塑性变形。变形范围可从。变形。变形范围可从。适应性强。可在高温、超低温、高压、水下、强适应性强。可在高温、超低温、高压、水下、强磁场以及核辐射等恶劣环境下使用。磁场以及核辐射等恶劣环境下使用。便于多点测量、远距离测量和遥测。便于多点测量、远距离测量和遥测。三、主要特性三、主要特性1、灵敏系数、灵敏系数 应变片的应变灵敏系数是指应变片安装于试件表面，在应变片的应变灵敏系数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与试件表面上安装应变片区域的轴向应变之比,又称又称“标标称灵敏系数称灵敏系数”。2、横向效应、横向效应 将直的电阻丝绕成敏感栅之后，虽然长度相同，但应变状态不同，其灵敏系数降低了。它对测量带来误差，在实际测量时，弯曲半径越大，横向效应也越大。将丝绕式应变片置于平面应变场中，沿其轴线方向的应变为，垂直于轴线方向的应变为，则电阻的相对变化量为 轴向灵敏系数 横向灵敏系数横向灵敏系数与轴向灵敏系数的比值称为横向效应系数 ，可用它来衡量应变片横向效应的大小。横向效应系数 则可得3、机械滞后，零漂及蠕变、机械滞后，零漂及蠕变应变片安装在试件上以后，在一定的温度下，在零和某一指定应变之间，做出应变片电阻相对变化 (即指示应变)与试件机械应变 之间加载和卸载的 特性油线，如图所示。实验发现这两条曲线并不重合，在同一机械应变下，卸载时 高于加载时的 ，这种现象称为应变片的机械滞后，加载和卸载特性曲线之间的最大差值 称为应变片的滞后值。图4-5 机械滞后4、应变极限、疲劳寿命、应变极限、疲劳寿命 应变片的应变极限是指在一定温度下，应变片的指示应变与试件的真实应变的相对误差达规定值(一般为)时的真实应变值。图4-6 应变极限四、温度效应及其补偿四、温度效应及其补偿1、温度效应、温度效应 粘贴在试件上的电阻应变片，除感受机械应变而产生电阻相对变化外，在环境温度变化时，也会引起电阻的相对变化，产生虚假应变，这种现象称为温度效应。由于环境温度改变引起电阻值变化的原因主要有二：一是由电阻丝温度系数引起的。二是由电阻丝与被测件材料的线膨胀系数的不同引起的。当环境温度变化时，应变片电阻的增量可用下式表达：令则：2、温度补偿、温度补偿 为确保精度，即使在常温条件下使用也需要采取温度补偿措施。温度补偿方法通常有两种，应变片温度自补偿法和电路补偿法（或称补偿片法）。（1）应变片温度自补偿法）应变片温度自补偿法单丝自补偿应变片单丝自补偿应变片 应变片最简单地自补偿，是无应力状态时，仅仅考虑材料线膨胀差，采用选择合适温度系数的电阻材料，达到消除温度变化所引起的电阻变化。因此，要实现温度自补偿的条件是使应变片在温度变化时的热输出值为零，使 即 双丝组合式自补偿应变片双丝组合式自补偿应变片 这种温度自补偿应变片是由两种不同电阻温度系数（一种为正值，一种为负值）的材料串联组成敏感栅，以达到一定的温度范围内在一定材料的试件上实现温度补偿的。图4-7 双丝组合式自补偿应变片电桥补偿法最常用和最好的补偿方法是电桥补偿法，图4-8 电桥补偿法 工作应变片安装在被测试件上，另选一个其特性与相同的补偿片，安装在材料与试件相同的某补偿块上，温度与试件相同，但不承受应变。和接入电桥相邻臂上，造成和相同，根据电桥理论所知，其输出电压与温度变化无关。当工作应变片感受应变时电桥将产生相应输出电压。图 4-9 补偿片粘贴示意图若达到完全的补偿，需满足下列三个条件 和 是属于同一批号制造的，即它们的电阻温度系数 、线膨胀系数 、应变灵敏系 数都相同，两片的初始电阻值也要求一样。粘贴补偿片的构件材料和粘贴工作片的材料必须一样，即要求两者的线膨胀系数一样。两应变片处于同一温度场。差动电桥补偿法图4-10 差动电桥补偿法4.2.2测量电路测量电路图4-11 桥式测量电路 惠斯顿电桥惠斯顿电桥惠斯顿电桥是英国科学家惠斯通于1843年发明的，如图所示。它是由被连接成四边形的4个阻抗、跨接在其中一条对角线上的激励源（电压源或电流源）和跨接在另一个对角线上的电压检测器构成。检测器测量跨接在激励源上的两个分压器输出之间的电位差。图中4个桥臂按顺时针方向为序，A、C为电源端，B、D为输出端。交流桥式测量电路采用交变电源供电，其四个桥臂，可接入电阻、电感或者电容。直流桥式测量电路采用直流电源供电，其四个桥臂，只能接入电阻。在桥式电路中其中任何一个桥臂都可以是电阻应变片。四个桥臂阻抗达到某一关系时，电桥输出为零，否则就有电压输出，可利用灵敏检流计来测量，故电桥能够精确地测量微小的电阻变化。将阻抗参数值随被测非电量变化的阻抗式传感器接入电桥，初始状态即被测非当电量为0时，让电桥平衡，即输出电压为0；当被测非电量变化而不为0时，引起阻抗参数值变化，使电桥不平衡，即输出电压不为0。被测非电量越大，电桥输出电压也越大。这样就把被测非电量变化转换成电桥电压的变化。只要测得电桥电压，就可求得非电量。电桥输出电压为：（4-13）设在直流电桥中 为应变片的电阻值，工作时 有一增量 ，当为拉伸应变时，为正；压缩应变时，为负。在上式中 以代替 ，则 （4-14）设电桥各臂均有相应的电阻增量 、时，（4-15）大多数情况下，我们都选择，初始平衡时4臂阻值都相等的等臂电桥，即。因为等臂电桥的电桥灵敏度最大。此时，（4-16）一般情况下，很小，即 略去上式中的高阶微量。将四个电阻应变片接入直流电桥中构成应变电桥。设这四个应变片的型号相同，粘贴处的应变分别为 因应变电阻的变化 ，故应变电桥的输出电压近似为，得到 （4-17）将 代入上式得 （4-18）当 时，输出电压与应变呈线性关系；由于温度引起的电阻变化是相同的，因此，如果电阻传感器接在电桥的相邻两臂，温度引起的电阻变化将相互抵消，其影响将减小或消除；被测非电量若使两电阻传感器的电阻变化符号相同，则应将这两电阻传感器接在电桥的相对两臂，但是这只能提高电桥输出电压，并不能减小温度变化的影响和非线性误差。被测非电量若使两电阻传感器的电阻变化符号相反，则应将这两电阻传感器接在电桥的相邻两臂，即构成差动电桥，这既能提高电桥输出电压，又能减小温度变化的影响和非线性误差。当仅桥臂AB单臂工作时，输出电压为 （4-19）当假定 不成立时，按线性关系刻度的仪表用来测量此种情况下的应变，必然带来非线性误差在测量应变的电桥中，也可将应变片串联或并联起来接入测量桥臂。4.2.3电阻应变式传感器电阻应变式传感器一、应变式传感器的基本组成应变式传感器的组成有二种：一种是直接将应变片粘贴在被测量的受力构件上；另一种是将应变片粘贴在弹性元件上，由弹性元件将被测物理量（如力、压力、加速度等）转换为应变。所以，应变式传感器的基本组成部件包括：应变片、测量电桥、弹性元件以及一些附件（如壳体、联接装置等）。二、电阻应变式力传感器二、电阻应变式力传感器1、圆柱式力传感器图4-12 柱式力传感器2、梁式力传感器、梁式力传感器等强度梁弹性元件图4-13 等强度悬臂梁等截面梁弹性元件图4-14 等截面悬臂梁图 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”。半导体材料的电阻相对变化为压阻式传感器的优点 灵敏度非常高，有时传感器的输出不需放大可直接用于测量；分辨力高，例如，测量压力时可测出的微压；测量元件的有效面积可做得很小，故频率响应高；可测量低频加速度与直线加速度。无须粘贴，便于传感器的集成化压阻式传感器的最大缺点是易受温度影响，温度误差较大，故需温度补偿或在恒温条件下使用。