第二章 电阻式传感器 《传感器(第5版)》课件

第一节 应变式传感器
★粘结剂和粘贴技术
1、粘合剂 合理选择粘合剂：
粘合剂必须适合应变片材料和被测试件材料及环境，例如工作温 度、湿度、化学腐蚀等。
对粘合剂要求： （1）有一定的粘结强度； （2）能准确传递应变，有足够的剪切弹性模量； （3）蠕变、机械滞后小； （4）有足够的稳定性能； （5）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。
桥电路实现这种转换。根据电源的不同，电桥分直流电桥和交流电桥。 （一）直流电桥 1、工作原理 四臂电桥如a图，应变片阻值变化较小，可假定电源为电压源，
内阻为零，流过负载RL的电流如下：
IL
RL (R1
R2 )( R3
R1R3 R2 R4 R4 ) R1R2 (R3 R4 ) R3 R4 (R1
图2-7 应变波的响应特性曲线
第一节 应变式传感器
（1）平均应变的最大值为：
p
x2 x1
0
sin(
2
x2 x1
x)dx
0 2l
(cos 2
x2
cos 2
x1 )
0 sin l l
（2）应变波幅测量的相对误差为：
p 0 sin l 1 0 l
第一节 应变式传感器
第一节 应变式传感器
绝缘电阻：是指应变片的引线与被测试件之间的电阻值。通常要求 50MΩ～100MΩ以上。
几点说明： ➢绝缘电阻过低，会造成应变片与试件之间漏电而产生测量误差； ➢如果应变片受潮，绝缘电阻大大降低； ➢应变片绝缘电阻取决于粘合剂及基底材料的种类以及它们的固化工 艺； ➢基底与胶层愈厚，绝缘电阻愈大，但会使应变片灵敏系数减小，蠕 变和滞后增加，因此基底与胶层不可太厚。
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3、金属薄膜应变片 制作工艺：采用真空蒸发或真空沉积等方法在薄的绝缘基片上形 成厚度在0.1μm以下的金属电阻材料薄膜敏感栅，最后再加上保护层， 易实现工业化批量生产。 特点：电阻值高于箔式，形状和尺寸更精确；散热性好，适于较 宽温度范围，应达－197～317℃；电阻值精度高，达0.01%；无胶结， 避免了分选和粘贴。
图2-4 横向效应
第一节 应变式传感器
结论： 1、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。这种现象称横向效应。 2、当实际使用应变片时，使用条件与标定灵敏系数k时的标定规则 不同时，实际k值要改变，由此可能产生较大测量误差。 3、为了减少横向效应产生的测量误差，一般多采用箔式应变片， 其圆弧部分尺寸较栅丝尺寸大得多，电阻值较小，因而电阻变化量也就 小得多。
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3、机械滞后 应变片安装在试件上以后， 在一定温度下，其（ΔR/R）–ε 的加载特性与卸载特性不重合， 在 同 一 机 械 应 变 值 εg 下 ， 其 对 应的ΔR/R值（相对应的指示应 变 εi ） 不 一 致 。 加 载 特 性 曲 线 与卸载特性曲线的最大差值 Δεm称应变片的滞后。
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2、金属箔式应变片 制作工艺：箔式应变片是在绝缘基底上，将厚度为0.003～0.01mm电 阻箔材，利用照相制板或光刻腐蚀的方法，制成适用于各种需要的形状。
图2-3 箔式应变片
第一节 应变式传感器
优点： 1.可制成多种复杂形状尺寸准确的敏感栅，栅长l最小可做到0.2mm， 以适应不同的测量要求。 2.与被测试件接触面积大，粘结性能好。散热条件好，允许电流大， 提高了输出灵敏度。 3.横向效应可以忽略。 4.蠕变、机械滞后小，疲劳寿命长。 缺点： 电阻值的分散性大，有的能相差几十欧坶，故需要作阻值调整。
表2－1给出了对于钢材v＝5000m/s，取不同基长λ/l＝20时，不同基 长应变片的最高工作频率。
表2-1某种钢材不同基长应变片的最高工作频率
应变片基长 l(mm)
1
最高工作频率 f(kHz)
250
2
3
5 10 15 20
125 83.3 50 25 16.6 12.5
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四、转换电路 电阻应变片把机械应变信号转换成电阻相对变化ΔR/R后，还要把 电阻的变化转换成电压或电流变化，便于电测仪表的测量。通常采用电
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2、横向效应 敏感栅是由多条直线和圆弧部分组成。 直 线 段 ： 金 属 丝 只 感 受 沿 轴 向 拉 应 变 εx ， 电阻值将增加； 圆弧段：沿各微段轴向（即微段圆弧的 切向）的应变却并非是εx，因此与直线段 上同样长度的微段所产生的电阻变化就不 相同，最明显的在θ=л/2处微圆弧段上， 按泊松关系，在垂直方向上产生负的压应 度εy，因此该段的电阻是减小的。而在圆 弧的其它各段上，其轴向感受的应变由 +εx 变化到-εy。
图2-1 电阻应变片基本结构
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二、应变片的类型和材料 ★三种类型：金属丝式，金属箔式和金属薄膜式。 1、金属丝式应变片
a)
b)
图2-2 应变片
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回线式： – 敏感栅丝直径在0.012～0.05mm，以0.025mm左右为最常用； – 回线的曲率半径r为0.1～0.3mm； – 基片用厚度为0.03mm左右的薄纸（称纸基），或用粘结剂和有机
当出现以下三种情况之一时，都认为是疲劳损坏： （1）应变片的敏感栅或引线发生断路； （2）应变片输出指示应变的幅值变化10％； （3）应变片输出信号波形上出现穗状尖峰。 疲劳寿命反映了应变片对动态应变测量的适应性。
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6、最大工作电流和绝缘电阻 最大工作电流：是指允许通过应变片而不影响其工作的最大电流值。 选择时要考虑的因素： —工作电流大，应变片输出信号大，灵敏度高； —但过大的工作电流会使应变片本身过热，使灵敏系数变化，零漂、 蠕变增加，甚至把应变片烧毁。 选择依据： 要根据散热条件而定，主要取决于敏感栅的几何形状和尺寸、截面 的形状和大小、基底的尺寸和材料、粘合剂的材料和厚度以及试件的散 热性能等。 实际选择情况： 通常允许电流值在静态测量时约取25mA左右，动态时可高一些，箔 式应变片可取更大一些。对于导热性能差的试件，例如塑料、陶瓷、玻 璃等，工作电流要取小些。
第二章 电阻式传感器 《传感器（第5版）》课件
普通高等教育“十一五”国家级规划教材
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第二章 电阻式传感器
基本原理：将被测的非电量转换成电阻值的变化，再经转换电路变成 电量输出。
电阻材料：导体、半导体、电解质溶液等。 物理学原理：导体、半导体的长度或内应力变化、温度变化导致电阻
式中
dr dl
r
l
泊松比
dl
l
表示电阻丝轴向的相对变化，也就是应变。
第一节 应变式传感器
dR d dl dS R lS
dR d (1 2) dl d (1 2)
R
l百度文库
dR 令 RK
d 则 K (1 2)
K——金属电阻丝的相对灵敏度系数。
金属电阻丝的相对灵敏度系数受两个因素影响：
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5、应变极限和疲劳寿命 应变极限：是指在一定温度下，应变片的指示应变εi对测试值的真 实应变εg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εj。
图2-6 应变极限
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疲劳寿命：对于已安装好的应变片，在恒定幅值的交变力作用下， 可以连续工作而不产生疲劳损坏的循环次数N称为应变片的疲劳寿命。
Δl
l
F
F
Δr r
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设一根长为l，截面积为S，电阻系数为ρ的电阻丝，其电阻值R为：
R l
S
导线两端受到力F作用时
l dl S dS
d
将上式取对数再微分，则引起电阻值变化dR：
dR d dl dS R lS
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因 S r2
dS ，S
2 dr r
由材料力学可知（径向变化）：
树脂基膜制成（称胶基），粘贴性能好，能保证有效地传递变形。 – 引线多用0.15～0.30mm直径的镀锡铜线与敏感栅相接。 回线式主要特点：因制作简单，性能稳定，成本低，易粘贴，所以 最为常用。但因弯曲部的变形使其横向效应较大。
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短接式： —两端用直径比栅丝直径粗5～10倍的镀银丝短接而成，有效克服 了横向效应。 —由于焊点多，易在焊点处出现疲劳损坏，制造工艺要求高，使用 较少。 金属丝常用的材料有康铜、镍铬合金、镍铬铝合金、铁镍铬合金 以及贵金属（铂、铂钨合金）等。
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三、金属应变片的主要特性 1、灵敏系数 定义：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与试件表面上安装应变片区域的轴向应变之比。 公式：
k R / R
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说明： ➢应变片的电阻—应变特性与金属单丝时不同，因此须用实验方法对 应变片的灵敏系数k进行测定。 ➢测定时必须按规定的标准，例如受轴向单向力（拉或压），试件材 料为泊松系数μ=0.285的钢等。 ➢一批产品中只能抽样5％的产品来测定，取平均值及允许公差值作 为该批产品的灵敏系数，又称“标称灵敏系数”。 ➢实验表明，电阻应变片的灵敏系数k恒小于电阻丝的灵敏系数k0， 其原因除了粘结层传递变形失真外，还存在有横向效应。
变化。 被测参数：力、压力、应变、加速度等。 主要优点：结构简单，性能稳定，灵敏度较高，有的可用于动态测量。 本章主要研究的内容：应变式传感器和压阻式传感器。
第二章 电阻式传感器
第一节 应变式传感器
应变式式传感器是基于金属电阻的应变效应制成。 （一）金属的电阻应变效应 金属导体的电阻随着机械变形（伸长或缩短）的大小发生变化的现 象称为金属的电阻应变效应。
（1）受力后材料的几何尺寸变化所引起的；即(1 2) 项。
（2）受力后材料的电阻率发生变化引起的；即d p 项。
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（二）应变片的基本结构及测量原理 合金电阻丝（φ0.025mm左右）绕成敏感栅； 敏感栅粘贴在绝缘的基底1 ； 电阻丝的两端焊接引出线4； 敏感栅上面粘贴有保护用的覆盖层3。
图2-5 机械滞后
第一节 应变式传感器
机械滞后产生的原因： 敏感栅、基底和粘合剂在承受机械应变后所留下的残余变形所造成的。 减小措施： 选用合适的粘合剂；在新安装应变片后，做三次以上的加卸载循环 后再正式测量。
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4、零漂和蠕变 零漂： 粘贴在试件上的应变片，在温度保持恒定、不承受机械应变时，其电阻 值随时间而变化的特性，称为应变片的零漂。 蠕变： 如果在一定温度下，使其承受恒定的机械应变，其电阻值随时间而变化的 特性，称为应变片的蠕变。一般蠕变的方向与原应变量变化的方向相反。 说明： 这两项指标都是用来衡量应变片特性对时间的稳定性，在长时间测量中 其意义更为突出。实际上，蠕变中即包含零漂，因为零漂是不加载的情况， 它是加载情况的特例。 应变片在制造过程中所产生的内应力、丝材、粘合剂、基底等的变化是 造成应变片零漂和蠕变的因素。
U R2 )
第一节 应变式传感器
图2-8 直流电桥
电桥平衡条件：
R1R4 R2R3 或 R1 / R2 R3 / R4
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应变片阻值变化的获取方法： 偏转法—用检流计转换为电流IL的大小表示； 零读法—用改变相邻桥臂阻值的方法，使IL恢复到零，然后根据相 邻桥臂阻值的变化来确定应变片的阻值变化。
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2、粘贴工艺 （1）应变片的检查和阻值检查； （2）试件表面处理，为了使应变片牢固地粘贴在试件表面上，必须将 要贴片处的表面部分打磨，使之平整光洁。清洗使之无油污、氧化层、 锈斑等； （3）定位划线； （4）粘贴应变片，并压合，使粘合剂的厚度尽量减薄； （5）粘合剂固化处理； （6）引线的焊接处固定以及防护与屏蔽处理等。
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7、应变片的电阻值R 概念：应变片在未经安装也不受外力情况下，于室温下测得的电
阻值，是使用应变片时需知道的一个特性参数。 目前常用的电阻系列，习惯上为60、120、200、350、500、1000Ω，
其中以120Ω最常用。
第一节 应变式传感器
8、动态响应特性 ➢研究动态响应特性时应变片的测量对象：变化频率较高的动态应 变 ，即应变波。传播速度与声波相同，对于钢材v≈5000m/s 。 ➢应变片反映的是应变片敏感栅长度各相应点应变量的平均值。