2019集成传感器 1应变式传感器 PPT课件.ppt
电阻式传感器,East China Normal University,简介应变式传感器原理应变式传感器结构应变式传感器的静态特性应变式传感器的补偿 应变式传感器的测量电路应变式传感器的应用,电阻式传感器的基本原理：将被测物理量的变化转换成电阻值的变化，再经相应的测量电路显示或记录被测量值的变化。其种类繁多，应用广泛。 按照其工作原理可分为：变阻器(电位器)式、电阻应变式、固态压阻式、热敏电阻式、气敏电阻式、磁敏电阻式等。 电阻应变式传感器是基于测量物体受力变形所产生应变的一种传感器，最常用的传感元件为电阻应变片。,电阻式传感器,电阻式传感器,两大常用类型,应变式传感器是基于测量导体或者半导体受力变形所产生应变而导致电阻变化的一类传感器，最常用的传感元件为电阻应变片。,其中半导体的应变效应又称为半导体的压阻效应。基于半导体压阻效应的电阻式传感器是现代固态压力，加速度等力学传感器的基础。,1敏感栅；2基底；3引线；4覆盖层；5黏合剂；6电极；,电阻应变片的基本结构,电阻应变片的基本结构,利用金属或半导体材料电阻丝（也称应变丝）的应变电阻效应，可以制成测量试件表面应变的敏感元件。为在较小的尺寸范围内敏感应变，并产生较大的电阻变化，通常把应变丝制成栅状的应变敏感元件，使用时将其黏贴在待测量物体上，即电阻应变计，简称应变计。,电阻应变片的材料,制作应变片敏感栅常用的金属材料有康铜、镍铬合金、铁铬铝合金、贵金属（铂、铂钨合金等）材料等，其中康铜是目前应用最广泛的应变丝材料。除敏感栅以外，对基底材料、粘结剂、引线的材料方面都有要求，可以根据应用对象的不同进行选择。,电阻应变片的选用,选用应变计时，首先应根据使用的目的、要求、对象及环境条件等，对应变计的类型进行选择；然后根据使用温度、时间、最大应变量及精度要求，选用合适的敏感栅、基底材料的应变计；接着根据测量线路或仪器选择合适应变计的标准阻值；最后还应根据试件表面可贴应变片的面积大小选择合适尺寸的应变计。,电阻应变片的粘贴,电阻应变片工作时，是用粘贴剂粘贴到被测试件或传感器的弹性元件上的。粘贴剂形成的胶层必须准确迅速地将被测应变传递到敏感栅上去，所以粘贴剂以及粘贴技术对于测量结果有着直接的影响。,电阻应变效应是指金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着所受机械变形(伸长或缩短)的变化而发生变化的现象。应变片压阻效应：半导体材料在受到外力作用时，其电阻率发生变化的现象。,电阻应变片的工作原理,电阻应变片的工作原理,电阻应变片的工作原理,对金属材料，电阻率几乎不变：,在塑性变形范围内S0通常取1.83.6。,对于半导体材料，以压阻效应为主。半导体材料压阻效应的大小和符号与材料、力的方向、载流子浓度等有关，根据半导体材料的压阻效应：,特点：比金属丝式灵敏度高，输出电流大，但非线性严重，温度稳定性较差。,电阻应变片的工作原理,电阻应变片的种类,电阻应变片的种类,电阻应变片的种类,箔式应变片优点:可制成多种复杂形状、尺寸准确的敏感栅，其栅长最小可做到0.2mm，以适应不同的测量要求；横向效应小；散热条件好，允许电流大，提高了输出灵敏度；蠕变和机械滞后小，疲劳寿命长；生产效率高，便于实现自动化生产。金属箔的材料常用康铜和镍铬合金等。目前使用的应变片大多是金属箔式应变片。,电阻应变片的种类,采用真空沉积或高频溅射等方法，在绝缘基片上形成厚度在0.1m以下的电阻材料薄膜的敏感栅厚度大约为箔式应变片的十分之一以下。优点：应变灵敏系数大，可靠性好，精度高，容易做成高阻抗的小型应变片，无迟滞和蠕变现象，具有良好的耐热性和冲击性能等。用化学气相淀积法制备薄膜，成膜温度低、可靠性好、系统简单等。,薄膜应变片：,电阻应变片的种类,在单晶硅上扩散p型杂质,电阻应变片的种类,固态压阻式传感器,半导体单晶硅材料在受到外力作用，产生肉眼根本察觉不到的极微小应变时，其原子结构内部的电子能级状态发生变化，从而导致其电阻率剧烈的变化，由其材料制成的电阻也就出现极大变化，这种物理效应叫压阻效应。利用压阻效应，采用三维集成电路工艺技术及一些专用特殊工艺，在单晶硅片上的特定晶向，制成应变电阻构成的惠斯登检测电桥，并同时利用硅的弹性力学特性，在同一硅片上进行特殊的机械加工，集应力敏感与力电转换检测于一体的力学量传感器，称为固态压阻传感器。以气、液体压强为检测对象的则称为固态压阻压力传感器。,固态压阻式传感器,主要特点：1. 灵敏度高 2. 精度高 3. 体积小、重量轻、动态频响高 4. 性能稳定、可靠性高 5. 温度系数小 6. 适应介质广 7. 安全防爆 在以大规模集成电路技术和计算机软件技术为特色的智能传感器技术中，由于它能做成单片式多功能复合敏感元件来构成智能传感器的基础，因此倍受瞩目。,电阻应变片的种类,电阻应变片的静态特性,静态特性是指应变计感受不随时间变化或变化缓慢的应变时的输出特性，表征静态特性的指标主要有：,灵敏度系数、 机械滞后、 蠕变、 应变极限等。,将具有初始电阻值R的应变计安装于试件表面，在其轴线方向的单向应力作用下，应变计阻值的相对变化与试件表面轴向应变之比即为灵敏度系数。应变计的电阻应变特性与单根电阻丝时不同，一般情况下，应变计的灵敏系数小于相应长度单根应变丝的灵敏系数。,电阻应变片的静态特性,横向效应,将直的金属丝绕成敏感栅后，虽然长度相同，但应变状态不同，应变片敏感栅的电阻变化较直的金属丝小，其灵敏系数降低了，这种现象称为应变片的横向效应。为了减小横向效应带来的测量误差，一般采用短接式或直角式横栅，现在更多的是采用箔式应变片，可有效克服横向效应的影响。,电阻应变片的静态特性,机械滞后,产生机械滞后的原因主要是敏感栅、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。为了减小机械滞后，除选用合适的粘合剂外，最好在正式使用之前预先加、卸载若干次再正式测量，以减小机械滞后的影响。,3. 机械滞后,电阻应变片的静态特性,蠕变和零漂,粘贴在试件上的应变计，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，称为应变计的零漂。如果在一定温度下，使其承受恒定的机械应变，应变计电阻值随时间而变化的特性，称为应变计的蠕变。一般蠕变的方向与原应变变化的方向相反。选用弹性模量较大的粘贴剂和基底材料，有利于蠕变性能的改善。,电阻应变片的静态特性,应变极限,应变计的线性（灵敏系数为常数）特性，只有在一定的应变限度范围内才能保持。当试件输入的真实应变超过某一极限值时，应变计的输出特性将呈现非线性。在恒温条件下，使非线性误差达到10%时的真实应变值，称为应变极限。,电阻应变片的静态特性,绝缘电阻和最大工作电流,应变片绝缘电阻是指已粘贴的应变片的引线与被测试件之间的电阻值。通常要求为50100M以上。不影响应变片工作特性的最大电流称为最大工作电流。工作电流大，输出信号就大，灵敏度也就高。但是电流过大时，会使应变片发热、变形，使零漂、蠕变增加，甚至烧坏。如果散热条件好，则电流可适当大一些。,6. 绝缘电阻和最大工作电流,电阻应变片的静态特性,温度效应及其补偿,一、温度效应,用应变计测量时，通常希望工作温度是恒定的，实际应用时工作温度可能偏离或超出常温范围，致使应变计的工作特性改变而影响输出。这种由温度变化引起应变计输出变化的现象，称为应变片的温度效应（也称温度误差）。,温度效应产生的原因:1. 温度变化引起应变片敏感栅电阻变化而产生附加应变;2. 试件材料与敏感材料的线膨胀系数不同，使应变片产生附加应变,温度效应及其补偿,电阻应变片将应变转换为电阻的变化量，测量电路将电阻的变化再转换为电压或电流信号，最终实现被测量的测量。电阻的变化一般采用电桥电路测量。,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、电感和电容的变化。,直流电桥,原理：利用一个或数个桥臂的阻值变化引起电桥输出电压的变化；桥臂可由电阻式敏感元件构成。,测量电路,测量电路,直流电桥常见连接形式,半桥单臂,半桥双臂,全桥,测量电路,半桥单臂：,假设：,半桥双臂：,全桥：,测量电路,半桥单臂：,半桥双臂：,全桥：,测量电路,当全桥四个桥臂阻值变化同号时，即：,有：,测量电路,测量电路,测量电路,敏感栅材料的电阻温度系数；S敏感栅灵敏度系数；1 、2分别为敏感栅和试件的线膨胀系数；,测量电路及温度补偿,温度引起的电阻变化总值：,测量电路及温度补偿,测量电路及温度补偿,温度升高引起应变片灵敏度下降，电桥输出电压下降；热敏电阻的阻值随温度升高而减小，使电桥的供电电压随温度升高而增加，适当选取分流电阻R0的值，可以补偿由于应变片灵敏度变化引起的输出电压的变化，达到温度补偿。,测量电路及温度补偿,热敏电阻补偿法原理,利用适当的布片和组桥方式消除温度变化和复合载荷作用的影响，获得最大的输出灵敏度。1）应变片应布置在弹性元件产生应变最大的位置，并沿主应力方向贴片；贴片处的应变尽量与外载荷呈线性关系（避开非线性区），同时应注意使该处不受非待测载荷的干扰影响。2）根据电桥的和差特性，选择适当的接桥方式，可以使输出的灵敏度最大，同时又能排除非待测载荷的影响并进行温度补偿。,应变片的布置与桥接方式,R1、R3串接，R2、R4串接并置于相对臂，减小弯矩影响；横向贴片作温度补偿。,应变片的布置与桥接方式,应变片的布置与桥接方式,电阻应变式传感器特点：精度高，测量范围广；使用寿命长，性能稳定可靠；结构简单，体积小，重量轻；频率响应较好，既可用于静态测量又可用于动态测量；价格低廉，品种多样，便于选择和大量使用。,应用范围：用于位移、加速度、力、压力、力矩等各种参数测量。,电阻应变式传感器的特点和应用,电阻应变片的应用,电阻应变片的应用,电阻应变片的应用,电阻应变片的应用,电阻应变片的应用,应用实例：冲床监测与次数,金属电阻应变片与半导体应变片在工作原理上有何区别？各有何优缺点？应如何针对具体情况选用？金属电阻应变片的灵敏度系数与金属丝的灵敏度系数有何不同？ 为什么？ 电阻应变片产生温度误差的原因有哪些？怎样消除误差？,作业,4. 图为一直流应变电桥，E = 4V，R1=R2=R3=R4=350，求： R1为应变片，其余为外接电阻，R1增量为 R1=3.5时输出U0=? R1、R2是应变片，感受应变极性大小相同，其余为电阻，电压输出U0=? R1、R2感受应变极性相反,输出U0=? R1、R2、R3、R4都是应变片，对臂同性，邻臂异性，电压输出U0=?,作业,
