电阻应变片传感器课件.ppt

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55信号的获取与调理信号的获取与调理对于一个传感器而言，它的输出一般很微弱，这就对于一个传感器而言，它的输出一般很微弱，这就需要对其进行某些调整和处理，并把信号转换成易于处需要对其进行某些调整和处理，并把信号转换成易于处理、接收和显示的形式。

理、接收和显示的形式。

本章主要介绍一些基于机电转换或光电转换原理的本章主要介绍一些基于机电转换或光电转换原理的传感器与信号调理电路。

传感器与信号调理电路。

5.15.1传感器传感器5.1.15.1.1基本概念基本概念传感器是把被测物理量按一定规律转换成便于处理和传输传感器是把被测物理量按一定规律转换成便于处理和传输的另一种物理量的装置。

的另一种物理量的装置。

它广泛的应用于我们的生产生活中的各个方面，是基础环它广泛的应用于我们的生产生活中的各个方面，是基础环节，工程实际中俗称测量头、检测器等，也称为一次仪表。

节，工程实际中俗称测量头、检测器等，也称为一次仪表。

5.1.25.1.2传感器的基本组成传感器的基本组成传感器一般是由敏感元件和转换元件两部分组成。

传感器一般是由敏感元件和转换元件两部分组成。

11）敏感元件（预变换器）直接感受被测量（一般为非电量）敏感元件（预变换器）直接感受被测量（一般为非电量）并将其转换为与被测量有确定关系的易变成电量的其他量并将其转换为与被测量有确定关系的易变成电量的其他量（包括电量）的元件。

如：

弹性元件。

（包括电量）的元件。

如：

弹性元件。

22）转换原件（变换器）能将某些物理量直接转换为与之有）转换原件（变换器）能将某些物理量直接转换为与之有确定关系的电量的元件。

如：

压电晶体。

确定关系的电量的元件。

如：

压电晶体。

注意：

有些传感器的敏感元件和转换元件是合二为一的，还注意：

有些传感器的敏感元件和转换元件是合二为一的，还有一些传感器内部集成了一些测量电路。

有一些传感器内部集成了一些测量电路。

基本特性：

静态特性和动态特性。

基本特性：

静态特性和动态特性。

特性标定：

用实验的方法求出传感器特性曲线的过程。

特性标定：

用实验的方法求出传感器特性曲线的过程。

（1）静态标定：

求出传感器静态特性曲线的过程；）静态标定：

求出传感器静态特性曲线的过程；

（2）动态标定：

求出传感器动态特性曲线的过程。

）动态标定：

求出传感器动态特性曲线的过程。

注意：

现场标定；系统标定。

注意：

现场标定；系统标定。

5.1.35.1.3传感器的基本特性及标定传感器的基本特性及标定分类方法很多，按输入输出功能分：

按输入量分类：

分为温度、压力、位移、速度、湿度等；按输出量分类：

参数式：

将输入的工程参数变化转变为电参数变化的传感器，如电阻式、电感式和电容式，工作时本身没有内在的能量转换，也称为无源传感器。

发电式：

将输入的工程参数信号直接转换成电信号输出的传感器，如压电式、磁电式、光电式等，工作时其本身有内在的能量转换，又称为有源式传感器。

5.1.45.1.4传感器的分类传感器的分类l电阻式传感器电阻式传感器是一种把被测参量转换为电阻变化的传感器。

是一种把被测参量转换为电阻变化的传感器。

常用的电阻式传感器有电阻应变式、电位器式等类型。

我们常用的电阻式传感器有电阻应变式、电位器式等类型。

我们主要学习的是主要学习的是电阻应变式（应变片）。

电阻应变式（应变片）。

l应变式传感器结构简单，尺寸小，重量轻，使用方便，应变式传感器结构简单，尺寸小，重量轻，使用方便，性能稳定可靠，分辨率高，灵敏度高，价格又便宜，工艺性能稳定可靠，分辨率高，灵敏度高，价格又便宜，工艺较成熟。

因此在航空航天、机械、化工、建筑、医学、汽较成熟。

因此在航空航天、机械、化工、建筑、医学、汽车工业等领域有很广的应用。

车工业等领域有很广的应用。

5.25.2参数式传感器的信号获取与调理参数式传感器的信号获取与调理参数式传感器的工作原理是将输入的工程参数变化转变为参数式传感器的工作原理是将输入的工程参数变化转变为电参数的变化，主要包括电阻式、电感式和电容式。

电参数的变化，主要包括电阻式、电感式和电容式。

5.2.15.2.1电阻式传感器及调理电路电阻式传感器及调理电路5.2.1.15.2.1.1信号获取原理信号获取原理各种电子秤各种电子秤高高精精度度电电子子汽汽车车衡衡动态电子秤动态电子秤电子天平电子天平俗称俗称地磅地磅机械秤包装机机械秤包装机吊秤吊秤1.1.电阻应变式传感器的分类及基本工作原理电阻应变式传感器的分类及基本工作原理典型结构：

典型结构：

基基片片敏感栅敏感栅覆盖层覆盖层引引线线提问：

这提问：

这44个部分的作用？

个部分的作用？

根据敏感栅材料的不同，应变片可分为：

金属丝式、金属箔根据敏感栅材料的不同，应变片可分为：

金属丝式、金属箔式和半导体式。

式和半导体式。

回回线式最式最为常用，制作常用，制作简单，性能，性能稳定，成本低，易粘定，成本低，易粘贴，但其但其应变横向效横向效应较大。

大。

短接式短接式应变片两端用直径比片两端用直径比栅线直径大直径大551010倍的倍的镀银丝短接。

短接。

优点是克服了横向效点是克服了横向效应，但制造工，但制造工艺复复杂。

常用材料：

康铜、镍铬铝合金、铁铬铝合金以及铂、铂乌合金等。

常用材料：

康铜、镍铬铝合金、铁铬铝合金以及铂、铂乌合金等。

金属丝式金属丝式a、c回线式回线式b、d短接式短接式它是利用照相制版或光刻技术将厚约它是利用照相制版或光刻技术将厚约0.0030.01mm的金属箔的金属箔片制成所需图形的敏感栅，也称为应变花。

片制成所需图形的敏感栅，也称为应变花。

优点：

优点：

可制成多种复杂形状尺寸准确的敏感栅，其栅长可制成多种复杂形状尺寸准确的敏感栅，其栅长l可可做到做到0.2mm，以适应不同的测量要求；，以适应不同的测量要求；与被测件粘贴结面积与被测件粘贴结面积大；大；散热条件好，允许电流大，提高了输出灵敏度；散热条件好，允许电流大，提高了输出灵敏度；.横向横向效应小；效应小；.蠕变和机械滞后小，疲劳寿命长。

蠕变和机械滞后小，疲劳寿命长。

缺点：

电阻值的分散性比金属丝的大，有的相差几十欧姆，需缺点：

电阻值的分散性比金属丝的大，有的相差几十欧姆，需做阻值调整。

做阻值调整。

在常温下，金属箔式应变片已逐步取代了金属丝式应变片。

在常温下，金属箔式应变片已逐步取代了金属丝式应变片。

金属箔式金属箔式半导体式半导体式（11）金属丝式应变片）金属丝式应变片金属丝式应变片的基本工作原理是利用金属材料的电阻金属丝式应变片的基本工作原理是利用金属材料的电阻定律。

当应变片在外力作用下其结构尺寸发生变化时，其电定律。

当应变片在外力作用下其结构尺寸发生变化时，其电阻值也会发生相应的变化。

阻值也会发生相应的变化。

下面推导应变片电阻变化与应变的关系。

下面推导应变片电阻变化与应变的关系。

金属丝电阻金属丝电阻一个长度为一个长度为l，截面积为，截面积为A，电阻率为，电阻率为的导体的导体当当电电阻阻丝丝受受到到拉拉力力F作作用用时时，将将伸伸长长l，横横截截面面积积相相应应减减小小A，电电阻阻率率因因材材料料晶晶格格发发生生变变形形等等因因素素影影响响而而改变了改变了d，从而引起电阻值相对变化量为，从而引起电阻值相对变化量为n轴向应变轴向应变n径向应变径向应变式中式中,为电阻丝材料的泊松比，为电阻丝材料的泊松比，负号表示应变与轴向方向相反。

负号表示应变与轴向方向相反。

根据材料的根据材料的泊松比定律泊松比定律得得:

通通常常把把单单位位应应变变引引起起的的电电阻阻值值变变化化称称为为电电阻阻丝的灵敏系数丝的灵敏系数。

其其物物理理意意义义是是单单位位应应变变所所引引起起的的电电阻阻相相对对变变化量。

化量。

灵敏系数灵敏系数K的的影响影响因素：

因素：

n一个是应变片受力后材料几何尺寸的变化，一个是应变片受力后材料几何尺寸的变化，即即1+2；n另另一一个个是是应应变变片片受受力力后后材材料料的的电电阻阻率率发发生生的的变变化化，即即（d/）/。

n对对金金属属材材料料来来说说，电电阻阻丝丝灵灵敏敏度度系系数数表表达达式式中中1+2的的值要比值要比（d/）/大得多，大得多，n半导体材料的半导体材料的（d/）/项的值比项的值比1+2大得多。

大得多。

n大大量量实实验验证证明明，在在电电阻阻丝丝拉拉伸伸极极限限内内，电电阻阻的的相相对对变变化与应变成正比，即化与应变成正比，即K为常数为常数。

所以，金属丝式应变片的灵敏度为所以，金属丝式应变片的灵敏度为当半导体应变片受轴向力作用时，当半导体应变片受轴向力作用时，其电阻相对变化为其电阻相对变化为式式中中d/为为半半导导体体应应变变片片的的电电阻阻率率相相对对变变化化量量，其其值值与与半半导导体敏感元件在轴向所受的应变力有关，其关系为体敏感元件在轴向所受的应变力有关，其关系为半导体应变片是用半导体材料制成的，其工作原理是基于半导半导体应变片是用半导体材料制成的，其工作原理是基于半导体材料的体材料的压阻效应压阻效应。

压阻效应是指半导体材料，当某一轴向受。

压阻效应是指半导体材料，当某一轴向受外力作用时，外力作用时，半导体材料产生应变，其电阻率半导体材料产生应变，其电阻率发生变化的现发生变化的现象。

象。

（22）半导体应变片）半导体应变片实实验验证证明明，E比比1+2大大上上百百倍倍，所所以以1+2可可以以忽忽略略，因因而而半半导导体应变片的灵敏系数为体应变片的灵敏系数为半导体应变片的灵敏系数比金属丝式高半导体应变片的灵敏系数比金属丝式高5080倍，倍，但半导但半导体材料的温度系数大，应变时非线性比较严重，体材料的温度系数大，应变时非线性比较严重，使它的应使它的应用范围受到一定的限制。

用范围受到一定的限制。

（4）金属电阻应变片的材料）金属电阻应变片的材料对电阻丝对电阻丝（敏感栅敏感栅）材料应有如下要求：

材料应有如下要求：

灵敏系数大，灵敏系数大，且在相当大的应变范围内保持常数；且在相当大的应变范围内保持常数；值值大大，即即在在同同样样长长度度、同同样样横横截截面面积积的的电电阻阻丝丝中中具具有有较较大的电阻值；大的电阻值；电阻温度系数小，否则因环境温度变化也会改变其阻值；电阻温度系数小，否则因环境温度变化也会改变其阻值；与铜线的焊接性能好，与铜线的焊接性能好，与其它金属的接触电势小；与其它金属的接触电势小；机械强度高，机械强度高，具有优良的机械加工性能。

具有优良的机械加工性能。

常常用用材材料料：

康康铜铜、镍镍铬铬合合金金、铁铁铬铬铝铝合合金金、铁铁镍镍铬铬合合金金、贵金属（铂、铂钨合金等）材料贵金属（铂、铂钨合金等）材料2.电阻应变式传感器的使用电阻应变式传感器的使用

（1）粘粘贴贴要要求求：

应应变变片片是是用用粘粘结结剂剂粘粘贴贴到到被被测测件件上上的的。

粘粘结结剂剂形形成成的的胶胶层层必必须须准准确确迅迅速速地地将将被被测测件件应应变变传传递递到到敏敏感感栅栅上上。

选选择择粘粘结结剂剂时时必必须须考考虑虑应应变变片片材材料料和和被被测测件件材材料料性性能能，不不仅仅要要求求粘粘接接力力强强，粘粘结结后后机机械械性性能能可可靠靠，而而且且粘粘合合层层要要有有足足够够大大的的剪剪切切弹弹性性模模量量，良良好好的的电电绝绝缘缘性性，蠕蠕变变和和滞滞后后小小，耐耐湿湿，耐耐油油，耐耐老老化化，动动态态应应力力测测量量时时耐耐疲疲劳劳等等。

还还要要考考虑虑到到应应变变片片的的工工作作条条件件，如如温温度度、相相对对湿湿度度、稳稳定定性性要要求求以以及及贴贴片片固固化化时时加加热热加加压的可能性等。

压的可能性等。

（22）贴片方向）贴片方向一般应变片灵敏度是在应变片一般应变片灵敏度是在应变片纵向纵向受力情受力情况下标定的，因此使用应变片传感器时，况下标定的，因此使用应变片传感器时，应变片输出值反映了被测对象在应变片应变片输出值反映了被测对象在应变片纵纵向的变形。

向的变形。

（3）应变片粘贴步骤）应变片粘贴步骤:

检查：

外观、电阻值、修整检查：

外观、电阻值、修整试件表面处理：

光洁度要求、划定位线试件表面处理：

光洁度要求、划定位线粘贴：

厚度、方法粘贴：

厚度、方法固化处理固化处理粘贴质量的检查：

电阻值和