檢測與技術傳感器第1頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月第一章電阻應變傳感器《檢測技術及儀表》唐山學院?信息工程系第2頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月《檢測技術及儀表》唐山學院?信息工程系教學目標：

1.通過對本章的學習，掌握金屬應變片傳感器構成原理及特點

2.通過對電阻應變片測量橋路的分析，掌握測量電橋的結構、形式、特點及相關的測量計算。第3頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月《檢測技術及儀表》唐山學院?信息工程系補充:彈性敏感元件1.軸向應變：εl=ΔL/L（微應變、毫應變）2.橫向應變：εr=Δd/d3.泊松系數(shù)：-μ=εl/εr（當應力未超過一定限度時，泊松系數(shù)為常數(shù)）4.應力：σ=F/A（柱式彈性元件在遠離端面的截面上應力的分布是均勻的）5.虎克定律：σ=Eε（E為彈性模量，在彈性范圍內，應變與應力有線性關系）第4頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月《檢測技術及儀表》唐山學院?信息工程系第一節(jié)基本知識1.理論推導：第5頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月《檢測技術及儀表》唐山學院?信息工程系式中K0為應變靈敏度系數(shù)，由兩部分組成：

式中第一項中μ=-εl/εr，取決于導體的幾何尺寸變化，對于給定材料是一常數(shù)。式中第二項取決于材料電阻率變化。對于金屬導體而言，機械應變所引起的電阻率變化很小，可以忽略不計。金屬絲電阻相對變化與軸向應變成正比。通常K0在1.8～3.6范圍內。半導體電阻的受應力變化主要由電阻率變化引起的（壓阻效應）。第6頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月《檢測技術及儀表》唐山學院?信息工程系壓阻效應：電阻率的變化率與應力成正比。由虎克定律：σ=Eε在應力作用下，半導體電阻的變化主要由壓阻效應引起的，遠大于第一項。第7頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月《檢測技術及儀表》唐山學院?信息工程系第二節(jié)金屬應變片一、基本類型及構成材料：1.基本類型：1）絲式：線徑0.012~0.05mm金屬電阻絲繞成敏感柵。2）箔式：采用光刻技術刻成很薄的金屬箔柵。3）薄膜式：厚度0.1μm以下。1—基底2—敏感柵3—蓋層4—引線第8頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月《檢測技術及儀表》唐山學院?信息工程系2.構成材料：1）敏感柵：由金屬細絲繞成柵形。應變片柵長大小關系到所測應變的準確度，應變片測得的應變大小是應變片柵長和柵寬所在面積內的平均軸向應變量。對敏感柵的材料的要求：①應變靈敏系數(shù)大，并在所測應變范圍內保持為常數(shù)；②電阻率高而穩(wěn)定，以便于制造小柵長的應變片；③電阻溫度系數(shù)要?。虎芸寡趸芰Ω撸透g性能強；⑤在工作溫度范圍內能保持足夠的抗拉強度；⑥加工性能良好,易于拉制成絲或軋壓成箔材；⑦易于焊接，對引線材料的熱電勢小。對應變片要求必須根據(jù)實際使用情況，合理選擇。第9頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月《檢測技術及儀表》唐山學院?信息工程系2）基底和蓋片：基底用于保持敏感柵、引線的幾何形狀和相對位置，蓋片既保持敏感柵和引線的形狀和相對位置，還可保護敏感柵?；椎娜L稱為基底長，其寬度稱為基底寬。資料：1）金屬絲式應變片分為圓角線柵和直角線柵。圓角線柵是最常見的形式，制造的設備和技術都簡單，但橫向效應較直角線柵和箔式應變片大。線柵采用圓斷面的康銅（或其他材料）制成，線材直徑0.012~0.05mm（0.025最常用），電阻一般在100歐以上。直角線柵是數(shù)條線材平行放置，焊上大面積銅條，形成橫向線和引線，減小橫向效應的影響。其缺點是耐疲勞性能差。由于箔式應變片的出現(xiàn)而沒有得到推廣。第10頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月《檢測技術及儀表》唐山學院?信息工程系箔式應變片是在電子工程中印刷板電路和集成制造技術上發(fā)展的，是由軋制成厚度在0001~0.01mm（最薄的可達0.00035mm）之間的金屬箔片經(jīng)光刻技術制成的，材料一般選用康銅、鎳鉻合金。制造時現(xiàn)在箔片的一面上涂上粘合劑并加熱，使之固化成薄膜做基底，然后在箔片的另一面涂上光致抗蝕劑，在光線照射下，分子會發(fā)生化學反應而產(chǎn)生抗腐蝕的性能，保護其下面的金屬材料。用光學投影的方法將預先繪制好的線柵圖象投影到光致抗蝕劑的表面，然后用強酸將沒有受到光線照射的金屬箔腐蝕掉，最后在柵面涂保護層。亦有使用沖壓的方法來制造箔式應變片的，適用于不能用光刻制造的材料。箔式應變片橫向較粗，減少橫向效應，焊接引線的位置較寬，避免截面積突然變化而折斷。箔式線柵與粘合層的接觸面積大，能更好隨同試件形變。第11頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月《檢測技術及儀表》唐山學院?信息工程系箔式優(yōu)點：1）批量生產(chǎn)時電阻離散度小，可制成任意形狀，縱向長度（基長）可以做的很?。ㄗ钚〉?.2mm），用于應變梯度大的場合。2）散熱好、電流大3）橫向效應小4）疲勞壽命長5）柔性好，可以貼在復雜的零件上。6）蠕變小7）在大批量生產(chǎn)的基礎上價格便宜基于這些優(yōu)點，逐漸取代絲式應變片。第12頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月《檢測技術及儀表》唐山學院?信息工程系二、主要特性參數(shù)：1.幾何尺寸：柵長、柵寬、基長、基寬注：柵長（基）通常情況下為2~30毫米，箔式最小為0.2毫米，最長的達100毫米或更長，基長相對于基寬較小時會增加橫向效應，應變傳遞性能差，粘貼困難，一般不用基長過小的應變片，除非是應變梯度大的場合。柵寬（基）以較小為佳，能使應變片的整體尺寸減少，但會使電阻值減小，散熱條件變壞，基寬一般在10毫米以下。bl柵長柵寬第13頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月《檢測技術及儀表》唐山學院?信息工程系2.應變片電阻值：在應力測量中，使用最多為120歐的。3.靈敏系數(shù)K04.橫向效應系數(shù)：在同一單向應變作用下，應變片的橫向靈敏度與縱向之比。(與K0的方向相反，降低了應變片的靈敏系數(shù))5.應變極限：6.最大工作電流：在靜態(tài)時允許電流值一般為25毫安，在動態(tài)測量時，允許電流可達到75~100毫安，箔式允許電流較大。7.極限工作溫度：指應變片在規(guī)定條件下，能保持其工作特性不變或在允許范圍內變化的最高工作溫度或最低工作溫度。第14頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月《檢測技術及儀表》唐山學院?信息工程系第三節(jié)應變式傳感器一、構成原理：彈性體，電阻應變片，測量電路，顯示記錄。彈性體：試件（彈性元件），例如懸臂梁二、測量橋路：

R2R3R1R4E電橋線路原理圖RgACDIgB第15頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月《檢測技術及儀表》唐山學院?信息工程系思考：后續(xù)電路搭建？第16頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月《檢測技術及儀表》唐山學院?信息工程系第17頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月《檢測技術及儀表》唐山學院?信息工程系三、技術特性：1.靜態(tài)特性：1）非線性：在規(guī)定條件下所得到的傳感器校準曲線與理論擬合直線之間的最大偏差。非線性誤差為：L=ΔθL/θn×100%

θn：傳感器的額定輸出，是指傳感器在額定輸入時的輸入信號與零輸入是的輸出信號之間的代數(shù)差。2）滯后誤差（回差）：上、下行程之間輸出最大差值H=|ΔθH|/θn×100%3）重復性誤差：輸入量按同一行程作全量程連續(xù)多次變動時所得特性曲線不一定程度R=|ΔθR|/θn×100%

第18頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月《檢測技術及儀表》唐山學院?信息工程系三、技術特性：1.靜態(tài)特性4）靈敏度允差：輸出靈敏度：單位激勵電壓時傳感器額定輸出S=θn/Ui，標準輸出靈敏度通常規(guī)定為1，1.5，2，2.5，3mV/V。允差：指允許的誤差值，通常用百分比表示。靈敏度允差：傳感器實際輸出靈敏度與標準靈敏度相對誤差。

δS=ΔS/S0×100%例：已知某應變片傳感器輸出靈敏度為1mV/V，電源電壓為10V，A/D轉換器的參考電壓為5V，放大器的倍數(shù)應如何選擇？第19頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月《檢測技術及儀表》唐山學院?信息工程系三、技術特性：2.蠕變特性：當被測量不變，所有環(huán)境條件和其它變量也保持恒定的情況下，傳感器輸出量隨時間變化的特性。蠕變原因是在溫度和載荷作用下，粘貼劑和基底內部結構變化而引起的。3.電氣特性：激勵電壓、輸入電阻、輸出電阻、絕緣電阻（敏感刪與基底）。4.動態(tài)特性：第20頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月《檢測技術及儀表》唐山學院?信息工程系三、技術特性：5.溫度特性：零點溫度漂移：通常用環(huán)境溫度每變化10度所引起的零點輸出變化與額定輸出的百分比來表示。額定輸出溫度漂移：通常用環(huán)境溫度每變化10度所引起的額定輸出變化與額定輸出的百分比來表示。6.穩(wěn)定性：傳感器在規(guī)定的校準期內，按實驗規(guī)范檢查其各項性能指標仍保持不超過允許誤差范圍的能力。對應變傳感器是指在一定時間內（不小于6個月）和相同條件下，傳感器輸出靈敏度最大相對變化量。第21頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月《檢測技術及儀表》唐山學院?信息工程系四、誤差補償1.蠕變誤差補償：2.溫度誤差補償：（1）零點溫度補償溫度影響也可以看作是由于應變片感受到某種“應變”，稱為“虛假應變”或稱“視應變”。1）由溫度引起的電阻率變化引起的視應變：

2）由溫度引起的試件長度變化：

3）由溫度引起的敏感柵受到附加應變：補償方法：在相應的橋臂上插入適當?shù)你~電阻作為補償（切割式調阻法P42、摩擦法調阻法P43）第22頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月《檢測技術及儀表》唐山學院?信息工程系例如：某試件為合金鋼，其線膨脹系數(shù)為βg=11*10-6/OC,其電阻應變片敏感柵材質是康銅，靈敏度系數(shù)K0=2.05，其電阻溫度系數(shù)為α=15*10-6/OC，線膨脹系數(shù)為βs=11*10-6/OC，當傳感器溫度從10度變化到50度時，引起的電阻相對變化率是多少？折合成附加應變?yōu)槎嗌?？?3頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月《檢測技術及儀表》唐山學院?信息工程系補充：1）單絲自補償法：選擇合理的參數(shù)α、β，讓視應變?yōu)?，局限性大。2）雙絲補償法：敏感柵由正負電阻溫度系數(shù)兩種合金串接而成。第24頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月《檢測技術及儀表》唐山學院?信息工程系（2）額定輸出溫度影響補償：額定輸出溫度影響是由于溫度對彈性模量E和應變片靈敏度K影響造成的。1）溫度升高，E減小，由虎克定律：σ=Eε得到對于相同的應力，應變增加。2）溫度升高，靈敏度系數(shù)K增加。補償辦法：電源輸入電路串聯(lián)一個具有正溫度系數(shù)的電阻。第25頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月《檢測技術及儀表》唐山學院?信息工程系五、電阻應變傳感器應用：1.用途：應變，力，壓力，扭矩，加速度2.特點：測試范圍寬，輸出特性好，測量精度高、工作可靠、能適應惡劣環(huán)境條件。3形式：柱式和梁式1）柱式應變片：

軸向應變：εl=F/SE

橫向應變：εr=-μεl第26頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月《檢測技術及儀表》唐山學院?信息工程系2）懸臂梁：對于等強度懸臂梁：第27頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月《檢測技術及儀表》唐山學院?信息工程系例：已知100歐姆應變片貼在柱壯彈性試件上，試件的橫截面積S=0.5*10-4m2，彈性模量E=2*1011N/m2，在F=5*104N拉力的情況下電阻變化為1歐姆，求該應變片的靈敏度系數(shù)。（K=2）例：一電子稱使用等強度梁作為彈性元件，在梁的上下各貼兩片電阻應變片（K=2），已知l=100mm，b=11mm，h=3mm，E=2*104N/mm2，電橋電壓為6V，物體重量為0.5kg時，電橋的輸出電壓是多少？（17.8mV）第28頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月《檢測技術及儀表》唐山學院?信息工程系補充：1.惠斯登電橋分類：根據(jù)電源：直流和交流根據(jù)臂電阻不同配置：等臂、臥式（輸出對稱，第一電橋）和立式橋根據(jù)工作應變片情況：單臂橋：R1為工作應變片，R2為補償應變片雙臂橋：R1R2為工作應變片，R3R4為固定電阻（半橋）全橋：

R2R3R1R4E電橋線路原理圖RgACDIgB第29頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月《檢測技術及儀表》唐山學院?信息工程系2.測量橋路分析：開路電壓：電橋平衡：R1R3=R2R4，輸出

為零，稱為電橋平衡。

1）單臂橋分析：

R2R3R1R4E電橋線路原理圖RgACDIgB忽略分母中ΔR1可得：第30頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月《檢測技術及儀表》唐山學院?信息工程系各種形式單臂橋輸出情況：等臂橋：第一對稱電橋：(同上）

第二對稱電橋：R1=R4=R，R2=R3=R