传感器与检测技术第五章电阻应变式传感器.ppt

对半导体材料，以压阻效应为主： 定义：电阻丝的灵敏度系数KS——表示单位应变所引起的电阻相对变化。 金属材料 半导体材料 5.3.1 工作原理 π为压阻系数易受温度影响 5.3.1 工作原理 （1）几何尺寸 （2）电阻值R0 （3）应变片的灵敏系数K （4）横向效应 （5）最大工作电流Im （6）应变极限εlim （7）机械滞后、零点漂移和蠕变 （8）动态响应特性 电阻应变片的主要技术性能参数 敏感栅在灵敏轴线方向上的长度，称为应变片的栅长，也称标距，常以l表示。 敏感栅在与灵敏轴线垂直方向上的宽度，称为应变片的栅宽，常以b表示。 栅长与栅宽的乘积l×b，称为应变片的工作面积。 电阻值R0又称为初始电阻值，是指应变片在未粘贴及未受外力作用发生变形前，在室温（20℃）下所测得的电阻值。 应变片的电阻值有一定的系列值：60、120、350、600、700和1000Ω等。 5.3.1 工作原理 电阻应变片灵敏度系数K称为“标称灵敏度系数”，由实验测定。应变片的灵敏系数K主要取决于金属电阻丝的应变灵敏系数Ks。 栅状结构敏感栅的电阻变化一定小于纯直线敏感栅的电阻变化的现象。 5.3.1 工作原理 其主要原因有二个：其一是胶层和基片传递变形产生失真；其二是横向效应。 敏感栅形状 横向效应主要是由于敏感栅两端金属电阻丝弯曲部分的横向变形而引起的。 敏感栅的半圆弧形横栅部分受轴向应变εx和横向应变εy共同作用将使其电阻值也发生变化。 电阻应变片的横向效应 5.3.1 工作原理 考虑横向效应，应变片的电阻相对变化为 Ky称为横向灵敏系数 横向灵敏系数与纵向灵敏系数的比值，称为横向效应系数H，即 通常产品手册中标注的应变片灵敏系数K是指纵向灵敏系数Kx。 5.3.1 工作原理 5.3.1 工作原理 应变片的最大工作电流Im是指允许通过敏感栅而不影响其工作特性的最大电流值。 在一定的温度下，应变片的指示应变值与真实应变的相对差值不超过规定值（一般规定相对差值为±10%）时，所对应的真实应变称为应变极限εlim。 应变片的最大工作电流和应变极限 应变片的机械滞后 应变片在增加和减小所承受的应变时，对应于同一应变的指示应变值往往不一致。这种现象称为机械滞后。 产生机械滞后的主要原因：应变片在承受应变后，其内部会产生残余变形，使其电阻值产生少量的不可逆变化。 5.3.1 工作原理 当温度恒定时，即使测试件未承受应力，应变片的指示应变也会随时间增加而变化，这一现象称为零点漂移。 产生零点漂移的主要原因是：敏感栅通以工作电流后温度逐渐升高，使其电阻值逐渐增大。 对于一定栅长l的应变片，根据对测量误差的要求，有一允许的最高工作频率f： ν为应变波的传播速度，n＝λ／l， λ为应变波的波长 半导体应变片的动态性能远高于金属电阻应变片 5.3.2、温度误差及补偿 温度误差——附加应变 3)其他：基底材料、粘合剂等受温度影响 1)电阻温度效应 2)敏感栅与被测试件材料线膨胀系数不同（产生附加应变）而产生的电阻变化 5.3电阻应变式传感器工作原理 温度补偿方法： 1）自补偿法 －选择自补偿法——敏感栅材料与试件材料 －组合式自补偿 5.3.2温度误差及补偿 5.3.2温度误差及补偿 2)桥路补偿法——电桥的和差特性 全桥自动补偿；半桥邻臂 将两个特性相同的应变片，用同样方法将其中一片（R1）粘贴在测试件上，另一片（R2）粘贴在同样材质的补偿块上，再将它们置于相同的环境温度中。 5.3.2温度误差及补偿 将应变片接入半桥或全桥。通过适当选择贴片位置，可实现温度补偿，还可提高灵敏度和减小非线性误差。 如图示的梁型金属电阻应变式力传感器。 桥路补偿法方法简单，在常温下效果好，能在较大的温度范围内进行补偿。 如补偿片和工作片所处温度不能保证完全一致时，则影响补偿效果。 3)热敏电阻补偿法——热敏电阻适当分压 热敏电阻Rt采用负温度系数热敏电阻，与应变片处于同一温度环境 若电桥的灵敏度由于温度升高而下降时，电桥的输出减小。由于热敏电阻阻值也下降，从而使电桥供桥电压上升，补偿电桥由于温度上升而引起的输出减小。 5.3.2温度误差及补偿 5.4 测量电路及温度补偿 当弹性元件受到力、位移、压力、加速度作用时， 电阻应变片将应变转换为电阻的变化量，再通过直流电桥等测量电路将电阻的变化再转换为电压或电流信号，最终用显示仪表实现被测量的测量。 第五章 电阻式传感器 将应变片贴于弹性元件上，与弹性元件一起构成应变式传感器。 5.4测量电路及温度补偿 5.4.1、直流电桥 电桥按其电源性质的不同可以分为直流电桥和交流电桥。直流电桥只能测量电阻，而交流电桥可用于测量电阻、电感