应变式传感器.ppt

2.1 电阻应变效应 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。传感器由在弹性元件上粘贴电阻应变敏感元件构成。 当被测物理量作用在弹性元件上时, 弹性元件的变形引起应变敏感元件的阻值变化, 通过转换电路将其转变成电量输出, 电量变化的大小反映了被测物理量的大小。应变式电阻传感器是目前测量力、力矩、 压力、加速度、重量等参数应用最广泛的传感器。 应变式传感器的核心元件是电阻应变计, 电阻应变计, 也称应变计或应变片, 是一种能将机械构件上的应变的变化转换为电阻变化的传感元件。 图2.1为其构造简图。 排列成网状的高阻金属丝、栅状金属箔或半导体片构成的敏感栅1, 用粘合剂贴在绝缘的基片2上。敏感栅上贴有盖片（即保护片）3。 电阻丝较细, 一般在0.015~0.06 mm, 其两端焊有较粗的低阻镀锡铜丝（0.1~0.2mm）4作为引线, 以便与测量电路连接。 图2.1中, L称为应变计的标距, 也称（基）栅长, a称为（基）栅宽,L×a称为应变计的使用面积。  箔式应变计的线栅是通过光刻、腐蚀等工艺制成很薄的金属薄栅（厚度一般在0.003～0.01mm）。与丝式应变计相比有如下优点:  (1) 工艺上能保证线栅的尺寸正确、 线条均匀, 大批量生产时, 阻值离散程度小。 (2) 可根据需要制成任意形状的箔式应变计和微型小基长（如基长为0.1 mm）的应变计。 制作应变计敏感元件的金属材料应有如下要求:  (1) k0大, 并在尽可能大的范围内保持常数。 (2) 电阻率ρ大。 这样, 在一定电阻值要求下, 同样线径, 所需电阻丝长度短。 (3) 电阻温度系数小。高温使用时, 还要求耐高温氧化性能好。 (4) 具有良好的加工焊接性能。  薄膜型半导体应变计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。  扩散型半导体应变计是将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。  外延型半导体应变计是在多晶硅或蓝宝石基片上外延一层单晶硅制成的。  半导体应变计有如下优点:  工作原理 应变计之所以成为重要的敏感元件, 主要由于具有如下优点:  (1) 测量应变的灵敏度和精确度高。能测1～2微应变（1×10-6 mm/mm）的应变。 误差一般可小于1%。精度可达 0.015%FS（普通精度可达 0.05%FS）。  (2) 测量范围大。 从弹性变形一直可测至塑性变形。 变形范围从1%～20%。 (5) 价格低廉、 品种多样, 便于选择和大量使用。 应变计有如下缺点: 在大应变下具有较大的非线性, 半导体应变计的非线性更为明显; 输出信号较微弱, 故抗干扰能力较差。 应变式传感器的性能在很大程度上取决于应变计的性能。下面就来讨论应变计的主要特性。 试件材料用泊松系数 μ=0.285的钢。用精密电阻电桥或其他仪器测出应变计相对电阻变化, 再用其他测应变的仪器测定试件的应变, 得出电阻应变计的电阻—应变特性。实验证明, 电阻应变计的电阻相对变化ΔR/R与应变Δl/l=ε之间在很大范围内是线性的, 即 2.应变计电阻值R 应变计在未安装也不受外力的情况下, 于室温时测得的电阻值。这是使用应变计时应知道的一个参数。国内应变计系列习惯上选用120、 175、 350、 500、 1000、 1500Ω。 2.4 电阻应变片的测量电路 2.5 温度误差及其补偿 2. 辅助测温元件微型计算机补偿法 该方法的基本思想是在传感器内靠近敏感测量元件处安装一个测温元件, 用以检测传感器所在环境的温度。常用的测温元件有半导体热敏电阻以及PN结二极管等等。测温元件的输出经放大及A/D转换送到计算机, 如图2.16所示。  4. 横向效应 实验表明, 应变计的灵敏度k恒小于金属线材的灵敏度系数k0。其原因除了粘合剂、基片传递变形失真外, 主要是由于存在横向效应。 敏感栅由许多直线及圆角组成, 如图2.5所示。 拉伸被测试件时, 粘贴在试件上的应变计