应变片及应用-第2章

电阻式传感器第2章应变式传感器电阻式传感器的类别与特性电阻元件非电量电阻变化应变式电阻传感器：基本原理、工作特性和主要应用。应变式电阻传感器第2章应变式传感器应变式电阻传感器作为测力的主要传感器，测力范围小到肌肉纤维，大到登月火箭，精确度可到0.01-0.1%。有拉压式（柱、筒、环元件）、弯曲式、剪切式。应变式传感器特征：材料类型：金属应变片、半导体应变片应用范围：应变力、压力、转矩、位移、加速度主要优点：使用简单、精度高、范围大、体积小电阻应变片的发展历史第2章应变式传感器1856年，W.Thomoson发现金属丝的应变效应，并用惠斯通电桥精确测量电阻的变化。1938年，E.Simmons和A.Ruge制成纸基丝绕式应变片。1953年，P.Jackson用光刻技术制成箔式应变片。1954年，C.Smith发现半导体材料的压阻效应。1957年，W.Mason研制出半导体应变片。第2章应变式传感器2.1电阻应变片的工作原理2.2电阻应变片的种类2.3电阻应变片的主要特性2.4电阻应变片的测量电路2.5应变式传感器的应用第2章应变式传感器2.1电阻应变片的工作原理2.2电阻应变片的种类2.3电阻应变片的主要特性2.4电阻应变片的测量电路2.5应变式传感器的应用应变式传感器的核心元件：电阻应变片，试件上的应力变化转换成电阻变化。应变效应:导体或半导体在受到外界力的作用时，产生机械变形，机械变形导致其阻值变化，这种因形变而使阻值发生变化的现象称为应变效应。应变效应§2.1电阻应变片的工作原理一、金属的应变效应对于一长为L、横截面积为A、电阻率为ρ的金属丝，其电阻值R为如果对电阻丝长度作用均匀应力，则ρ、L、A的变化(dρ、dL、dA)将引起电阻R变化dR。通过对上式的全微分可得dR为金属丝的应变效应ll+dl2r2(r-dr)FF若电阻丝是圆形的，则A=πr²,对r微分得dA=2πrdr，则§2.1电阻应变片的工作原理在弹性范围内金属丝受拉力时，沿轴向伸长，沿径向缩短，则轴向应变和径向应变的关系为εy=-μεxμ为金属材料的泊松系数。定义：KS为金属丝的灵敏系数，表示单位应变所引起的电阻的相对变化，则有金属丝的应变效应ll+dl2r2(r-dr)FF一、金属的应变效应§2.1电阻应变片的工作原理根据应力σ和应变ε的关系:应力σ=εE，σ∝ε，应变ε∝dR，σ∝dR。金属丝的应变效应ll+dl2r2(r-dr)FF一、金属的应变效应确定的金属材料，(1+2μ)项是常数，其数值约在1~2之间，实验证明dρ/ρ╱εx也是常数。金属的电阻相对变化与应变成正比关系。通过弹性元件，可将应力转换为应变，这是应变式传感器测量应力的基本原理。§2.1电阻应变片的工作原理应变是量纲为1的数。通常应变很小，常用10-6来表示。例如，当应变为0.000001时，在工程中常表示为1×10-6或μm/m。在应变测量中，也常称为微应变。金属丝的应变效应ll+dl2r2(r-dr)FF一、金属的应变效应金属材料：灵敏度系数表达式中1+2μ的值要比(dρ/ρ)/εx大得多。灵敏系数KS受两个因素影响：（1）应变片受力后材料几何尺寸的变化，即1+2μ；（2）应变片受力后材料的电阻率的变化，即（dρ/ρ）/εx。§2.1电阻应变片的工作原理一、金属的应变效应半导体应变片又称为压阻式传感器。基于半导体材料的压阻效应而制成的一种纯电阻性元件。§2.1电阻应变片的工作原理压阻效应：半导体材料的电阻率随作用应力的变化而发生变化的现象。半导体材料敏感条电阻率的相对变化值与其在轴向所受的应力之比为一常数。即二、半导体的压阻效应当半导体材料受轴向力作用时，电阻相对变化为πl半导体材料的压阻系数。式中1+2μ项随几何形状而变化，πlE项为压阻效应，随电阻率而变化。几何形状压阻效应实验证明πlE比1+2μ大近百倍，所以1+2μ可以忽略，因而半导体应变片的灵敏系数：§2.1电阻应变片的工作原理半导体应变片的灵敏系数比金属丝式的高50～80倍，但半导体材料的温度系数大，应变时非线性比较严重，使应用范围受到一定的限制。半导体应变片的优点：体积小，灵敏度高，频率响应范围宽，输出幅值大，不需要放大器，可直接与记录仪连接，使测量系统简单。二、半导体的压阻效应第三章应变式传感器2.1电阻应变片的工作原理2.2电阻应变片的种类2.3电阻应变片的主要特性2.4电阻应变片的测量电路2.5应变式传感器的应用金属应变片：丝式箔式薄膜式基片覆盖层金属丝引线金属丝应变片结构1、金属丝式应变片金属电阻丝（合金，电阻率高，直径约0.02mm）粘贴在绝缘基片上，上面覆盖一层薄膜，变成一个整体。§2.2电阻应变片的种类金属电阻应变片半导体电阻应变片电阻应变片一、金属电阻应变片按材料分类：按结构分类：单片、双片、特殊形状按使用环境分类：高温、低温、高压、磁场、水下利用光刻、腐蚀等工艺制成一种很薄的金属箔栅，厚度一般在0.003~0.010mm，粘贴在基片上，上面再覆盖一层薄膜而制成。优点：表面积和截面积之比大，散热条件好，允许通过的电流较大，可制成各种需要的形状，便于批量生产。金属箔式应变片§2.2电阻应变片的种类一、金属应变片2、金属箔式应变片金属薄膜应变片是采用真空蒸镀或溅射式阴极扩散等方法，在薄的基底材料上制成一层金属电阻材料薄膜以形成应变片。特点：这种应变片有较高的灵敏度系数，允许电流密度大，工作温度范围较广。常用金属薄膜应变片§2.2电阻应变片的种类一、金属应变片3、金属薄膜应变片§2.2电阻应变片的种类金属应变片的基本结构1、体型半导体应变片半导体材料硅或锗晶体按一定方向切割成片状小条，经腐蚀压焊粘贴在基片上制成。体型半导体应变片的结构§2.2电阻应变片的种类二、半导体应变片半导体应变片的类型：体型、薄膜型和扩散型等。通过薄膜制备技术，在带有绝缘层的试件上沉积半导体材料薄膜而制成。§2.2电阻应变片的种类二、半导体应变片2、薄膜型半导体应变片引线绝缘层金属箔基底半导体薄膜薄膜型半导体应变片的结构P型杂质扩散到N型硅单晶基底上，形成一层极薄的P型导电层，再通过超声波和热压焊法接上引出线就形成了扩散型半导体应变片。§2.2电阻应变片的种类二、半导体应变片3、扩散型半导体应变片扩散型半导体应变片的结构引线SiO2绝缘层N型硅吕电极P型硅扩散层第三章应变式传感器2.1电阻应变片的工作原理2.2电阻应变片的种类2.3电阻应变片的主要特性2.4电阻应变片的测量电路2.5应变式传感器的应用一、弹性敏感元件的基本特性二、电阻应变片的灵敏系数三、电阻应变片的横向效应四、电阻应变片的机械滞后、零漂及蠕变五、电阻应变片的应变极限六、电阻应变片的电阻值、绝缘电阻和最大工作电流七、电阻应变片的动态特性八、电阻应变片的温度误差§2.3电阻应变片的主要特性变形：物体在外力作用下而改变原来尺寸或形状的现象。弹性变形：当外力去掉后物体又能完全恢复其原来的尺寸和形状。弹性元件：具有弹性变形特性的物体。§2.3电阻应变片的主要特性一、弹性敏感元件的基本特性弹性元件在应变片测量技术中有极其重要地位。传递给粘贴在弹性元件上的应变片力、力矩或压力变换成相应的应变或位移力、力矩或压力通过应变片转换成相应的电阻值定义：弹性元件单位变形下所需要的力，用C表示。刚度是弹性元件受外力作用下变形大小的量度，数学表达式为§2.3电阻应变片的主要特性一、弹性敏感元件的基本特性1、刚度F—作用在弹性元件上的外力，单位为牛顿（N）；x—弹性元件所产生的变形，单位为毫米（mm）。弹性特性曲线从弹性特性曲线上可求刚度。曲线1上A点的刚度，过A点作切线，与水平夹角的正切就为A点处的刚度，即tanθ=dF/dx。曲线性是线性的，则刚度是一个常数，即tanθ=F/x=常数。定义：通常用刚度的倒数来表示弹性元件的特性，称为弹性元件的灵敏度，一般用S表示，数学表达式为§2.3电阻应变片的主要特性一、弹性敏感元件的基本特性2、灵敏度灵敏度：单位力作用下弹性元件产生变形的大小。灵敏度大，表明弹性元件软，变形大。弹性特性曲线与刚度相似，如果弹性特性是线性的，则灵敏度为一常数，若弹性特性是非线性的，则灵敏度为一变数，即表示此弹性元件在弹性变形范围内，各处由单位力产生的变形大小是不同的。一、弹性敏感元件的基本特性二、电阻应变片的灵敏系数三、电阻应变片的横向效应四、电阻应变片的机械滞后、零漂及蠕变五、电阻应变片的应变极限六、电阻应变片的电阻值、绝缘电阻和最大工作电流七、电阻应变片的动态特性八、电阻应变片的温度误差§2.3电阻应变片的主要特性应变片敏感材料—金属或半导体的电阻相对变化与应变之间具有线性关系，用灵敏度系数KS表示：定义：K应变片的灵敏系数。§2.3电阻应变片的主要特性二、电阻应变片的灵敏系数但材料做成应变片后的电阻—应变特性与敏感材料本身的不同。实验表明，应变片的电阻相对变化与应变ε在很宽的范围内均为线性关系：灵敏系数K表示安装在被测试件上的应变片在其轴向受到单向应力时，引起的电阻相对变化与其单向应力引起的试件表面轴向应变之比。测量结果表明，应变片的灵敏系数一般小于敏感材料的灵敏度系数。§2.3电阻应变片的主要特性二、电阻应变片的灵敏系数主要影响因素：敏感栅结构形状、成型工艺、粘结剂和基底性能，特别是横向效应。被测体应变片ＦＦ标称灵敏系数：灵敏系数值通常采用从批量生产中每批抽样，在规定条件下，通过实测来确定，应变片的灵敏系数称为标称灵敏系数。应变片的灵敏系数直接关系到应变测量的精度。一、弹性敏感元件的基本特性二、电阻应变片的灵敏系数三、电阻应变片的横向效应四、电阻应变片的机械滞后、零漂及蠕变五、电阻应变片的应变极限六、电阻应变片的电阻值、绝缘电阻和最大工作电流七、电阻应变片的动态特性八、电阻应变片的温度误差§2.3电阻应变片的主要特性应变片敏感栅的两端为半圆弧形的横栅，测量应变时，构件的轴向应变使敏感栅电阻发生变化，而其横向应变也使敏感栅半圆弧部分的电阻发生变化。应变片的这种既受轴向应变影响，又受横向应变影响而引起电阻变化的现象称为横向效应。§2.3电阻应变片的主要特性三、电阻应变片的横向效应一、弹性敏感元件的基本特性二、电阻应变片的灵敏系数三、电阻应变片的横向效应四、电阻应变片的机械滞后、零漂及蠕变五、电阻应变片的应变极限六、电阻应变片的电阻值、绝缘电阻和最大工作电流七、电阻应变片的动态特性八、电阻应变片的温度误差§2.3电阻应变片的主要特性机械滞后产生原因：（1）应变片在承受机械应变后的残余变形，使敏感栅电阻发生少量不可逆变化；（2）在制造或粘贴应变片时，敏感栅受到的不适当的变形或粘结剂固化不充分等。1、机械滞后应变片粘贴在被测试件上，当温度恒定时，其加载特性与卸载特性不重合，即为机械滞后。§2.3电阻应变片的主要特性四、电阻应变片的机械滞后、零漂及蠕变应变片的机械滞后ΔεΔε1机械应变εR卸载加载指示应变εi还与应变片所承受的应变量有关，加载时的应变愈大，卸载时的滞后也愈大。通常在实验之前预先加、卸载若干次，以减少因机械滞后误差。2、零点漂移对于粘贴好的应变片，当温度恒定时，不承受应变时，其电阻值随时间增加而变化的特性，称为应变片的零点漂移。零点漂移产生的原因：敏感栅通电后的温度效应；应变片的内应力逐渐变化；粘结剂固化不充分等。3、蠕变在一定温度下应变片承受恒定的机械应变时，电阻值随时间增加而变化的特性称为蠕变。一般蠕变的方向与原应变量的方向相反。蠕变产生的原因：胶层之间发生“滑动”，使力传到敏感栅的应变量逐渐减少。§2.3电阻应变片的主要特性四、电阻应变片的机械滞后、零漂及蠕变一、弹性敏感元件的基本特性二、电阻应变片的灵敏系数三、电阻应变片的横向效应四、电阻应变片的机械滞后、零漂及蠕变五、电阻应变片的应变极限六、电阻应变片的电阻值、绝缘电阻和最大工作电流七、电阻应变片的动态特性八、电阻应变片的温度误差§2.3电阻应变片的主要特性应变极限：在一定温度下，应变片的指示应变对测试值的真实应变的相对误差不超过规定范围（一般为10%）时的最大真实应变值。应变片的应变极限真实应变εj指示应变εi100%90%§2.3电阻应变片的主要特性五、电阻应变片的应变极限真实应变：因工作温度变化或承受机械载荷，在被测试件内产生应力时所引起的表面应变。一、弹性敏感元件的基本特性二、电阻应变片的灵敏系数三、电阻应变片的横向效应四、电阻应变片的机械滞后、零漂及蠕变五、电阻应变片的应变极限六、电阻应变片的电阻值、绝缘电阻和最大工作电流七、电阻应变片的动态特性八、电阻应变片的温度误差§2.3电阻应变片的主要特性1、电阻值应变片的电阻值是指应变片没有粘贴且未受应变时，在室温下测定的电阻值，即初始电阻值。金属电阻应变片的电阻值已标准化，有一定的系列，如60Ω、120Ω、250Ω、350Ω和1000Ω，其中以120Ω最为常用。§2.3电阻应变片的主要特性六、电阻应变片的电阻值、绝缘电阻和最大工作电流2、绝缘电阻应变片绝缘电阻是指已粘贴的应变片的引线与被测件之间的电阻值Rm。通常要求Rm在50~100MΩ以上。§2.3电阻应变片的主要特性六、电阻应变片的电阻值、绝缘电阻和最大工作电流2、绝缘电阻绝缘电阻下降使测量系统的灵敏度降低。Rm取决于粘结剂及基底材料的种类及固化工艺。在常温使用条件下要采取必要的防潮措施；在中温或高温条件下要选取绝缘性好的粘结剂和基底材料。3、最大工作电流应变片允许通过敏感栅而不影响其工作特性的最大电流Imax。工作电流大，输出信号大，灵敏度高。但工作电流过大会使应变片过热，灵敏系数产生变化，零漂及蠕变增加，甚至烧毁应变片。工作电流的选取要根据试件的导热性能及敏感栅形状和尺寸来决定。通常静态测量时取25mA左右；动态测量时可取75～100mA。测量材料散热好，可取大一些；导热性差，可取小一些。一、弹性敏感元件的基本特性二、电阻应变片的灵敏系数三、电阻应变片的横向效应四、电阻应变片的机械滞后、零漂及蠕变五、电阻应变片的应变极限六、电阻应变片的电阻值、绝缘电阻和最大工作电流七、电阻应变片的动态特性八、电阻应变片的温度误差§2.3电阻应变片的主要特性七、电阻应变片的动态特性1、正弦应变信号的响应特性被测应变值随时间变化的频率很高时，需考虑应变片动态特性。应变片基底和粘贴胶层很薄，构件的应变波传到应变片的时间很短，故只需考虑应变沿应变片轴向传播时的动态响应。设一频率为f的正弦应变波在构件中以速度v沿应变片栅长l0方向传播，应变片中点、两端点的坐标是xt、x1和x2。在某一瞬时t，应变量沿构件分布为§2.3电阻应变片的主要特性xt正弦应变波的动态响应ε0l0x1λεxx2εt应变片中点的应变为七、电阻应变片的动态特性1、正弦应变信号的响应特性应变片测得的应变为栅长l0范围内的平均应变εm，而不是xt点的应变。εm数值等于l0范围内应变波曲线下的面积除以l0，即§2.3电阻应变片的主要特性xt正弦应变波的动态响应ε0l0x1λεxx2εt平均应变εm与中点应变εt相对误差δ为相对误差δ的大小只决定于l0/λ的比值，l0/λ为1/10和1/20时δ的数值为应变片栅长与正弦应变波的波长之比愈小，相对误差δ愈小。δ（%）1.620.52误差δ的计算结果1/201/10l0/λ给定δ级数展开计算出应变片可测动态应变的最高频率。七、电阻应变片的动态特性1、正弦应变信号的响应特性§2.3电阻应变片的主要特性最高频率：最大栅长：七、电阻应变片的动态特性2、阶跃应变信号的响应特性应变片在测量频率较高的动态应变时，应变波在材料中传播速度与声波相同。当应变波在纵栅长度方向上传播时，只有在应变波通过敏感栅全部长度后，应变片所反映的波形经过一定时间的延迟，才能达到最大值。§2.3电阻应变片的主要特性上升时间tk（应变输出从10%上升到90%的最大值所需时间）可表示为 阶跃应变：理论响应：实际响应：若取l0=20mm，v=5000m/s，则tk=2.2×10-6s。 一、弹性敏感元件的基本特性二、电阻应变片的灵敏系数三、电阻应变片的横向效应四、电阻应变片的机械滞后、零漂及蠕变五、电阻应变片的应变极限六、电阻应变片的电阻值、绝缘电阻和最大工作电流七、电阻应变片的动态特性八、电阻应变片的温度误差§2.3电阻应变片的主要特性用作测量的应变片，希望阻值仅随应变变化，而不受其它因素的影响。实际上应变片的阻值受环境温度(包括被测试件的温度)影响很大。环境温度变化引起的电阻变化与试件应变所造成的电阻变化几乎有相同的数量级，产生很大的测量误差，称为应变片的温度误差，又称热输出。因环境温度改变而引起电阻变化的两个主要因素：（1）应变片的敏感栅具有一定温度系数；（2）应变片材料与测试材料的线膨胀系数不同。设环境温度变化为Δt（℃）时，应变片敏感栅材料的电阻温度系数为αt，则应变片产生的电阻相对变化为八、电阻应变片的温度误差§2.3电阻应变片的主要特性敏感栅材料和被测构件材料两者线膨胀系数不同，当Δt存在时引起应变片的附加应变，相应的电阻相对变化为K应变片灵敏系数;βe试件材料线膨胀系数；βg敏感栅材料线膨胀系数。八、电阻应变片的温度误差§2.3电阻应变片的主要特性温度变化Δt形成的总电阻相对变化相应的虚假应变为因此，应变片热输出的大小不仅与应变片敏感栅材料的性能参数(K、αt,、βg)有关，而且与被测试件材料的线膨胀系数(βe)有关。一、弹性敏感元件的基本特性二、电阻应变片的灵敏系数三、电阻应变片的横向效应四、电阻应变片的机械滞后、零漂及蠕变五、电阻应变片的应变极限六、电阻应变片的电阻值、绝缘电阻和最大工作电流七、电阻应变片的动态特性八、电阻应变片的温度误差§2.3电阻应变片的主要特性英国曼彻斯特大学的两位物理学家在石墨烯材料方面的卓越研究。海姆现年51岁，拥有荷兰国籍，诺沃肖洛夫则年仅36岁，拥有英国和俄罗斯双重国籍，两人都出生和长大在俄罗斯。评审委员会认为，“研究二维材料石墨烯的开创性实验”，“有望帮助物理学家在量子物理学研究领域取得新突破”。安德烈海姆康斯坦丁诺沃肖洛夫Graphene（石墨烯）Buckyballs（巴基球）TheNobelPrizeinPhysics2010第三章应变式传感器2.1电阻应变片的工作原理2.2电阻应变片的种类2.3电阻应变片的主要特性2.4电阻应变片的测量电路2.5应变式传感器的应用应变电桥双臂应变电桥单臂应变电桥全臂应变电桥直流电桥：R交流电桥:R、L、C不平衡桥式：偏差测量法（动态）平衡桥式：零位测量法（静态）半等臂电桥全等臂电桥工作方式桥臂关系电源负载工作臂电压输出桥：功率输出桥：U、I电源端对称输出端对称§2.4电阻应变片的测量电路一、直流电桥1、平衡条件当RL→∞时，电桥输出电压当电桥平衡时，U0=0，R1R4=R2R3或R1/R2=R3/R4U0ERLR2R4R1R3直流测量电桥§2.4电阻应变片的测量电路若R1由应变片替代，当电桥开路时，不平衡电桥输出的电压为一、直流电桥2、电压灵敏度设桥臂比n=R2/R1，ΔR1<