PPT《第2章 电阻式传感器》

二、电阻应变片的工作原理 外力→变形→应力→应变→电阻值变化→电压变化

三、金属电阻应变片的结构 基本结构 金属电阻应变片种类繁多,但其基本结构大体相似,现以金属丝绕式应变片结构为例加以说明. 将金属电阻丝粘贴在基片上,上面覆一层薄膜,使它们变成一个整体,这就是电阻丝应变片的基本结构. 1-基底 2-敏感栅 3-覆盖层 4-引线,用以和外接导线连接 L-敏感栅长度 b-敏感栅的宽度 敏感栅是应变片最重要的组成部分根据敏感栅形状和制造工艺的不同,金属应变片主要分为丝式、箔式和膜式三种类型.它们根据需要可以制作成各种形状.(1)丝式应变片:丝式应变片有回线式和短接式两种. 回线式应变片因圆弧部分参与变形,横向效应较大;

短接式应变片敏感栅平行排列,两端用直径比栅线直径大 5~10倍的镀银丝短接而成,其优点是克服了横向效应.缺点是焊点多,在冲击或振动条件下,易在焊点处出现疲劳,制造工艺要求高. a) 回线式丝式应变片 b) 短接式丝式应变片 1. 敏感栅 丝式应变片制作简单、性能稳定、成本低、易粘贴. 箔式应变片是利用照相制版或光刻腐蚀等技术将厚度为 0.003 ~ 0.01 mm的金属箔片制成所需的各种图形的敏感栅.有时称为应变花. (2)箔式应变片: 优点: 制造技术能保证敏感栅尺寸准确,线条均匀和适应各种不同测量要求的形状,其栅长可做到0.2mm;

敏感栅薄而宽,与被测试件粘贴面积大,黏结牢靠,传递试件应变性能好;

散热条件好,允许通过较大的工作电流,从而提高了输出灵敏度;

横向效应小;

蠕变和机械滞后小,疲劳寿命长.由于上述优点,有逐渐取代丝式应变片的趋势. (3)金属薄膜应变片 金属薄膜应变片采用真空蒸发或真空淀积等方法,在薄的绝缘基片上形成厚度在 0.1 mm 以下各种形状的金属材料薄膜敏感栅.它的优点是应变灵敏系数大,允许工作电流密度大,工作温度范围宽,可达-197~317℃. 2. 基底和盖片 基底和盖片的作用是保持敏感栅和引线的几何形状和相对位置,并且有绝缘作用.一般为厚度0.02~0.05mm的环氧树脂,酚醛树脂等胶基材料.对基底和盖片材料的性能要求:机械强度好,挠性好;

粘贴性能好;

电绝缘性好;

热稳定性和高温性好;

无滞后和蠕变.3. 引线 作用:连接敏感栅和外接导线.一般采用? = 0.05~0.1 mm 的银铜线、铬镍线、卡马线、铁铬铅丝等,与敏感栅点焊相接.4. 黏结剂 作用:将敏感栅固定于基片上,并将盖片与基底粘结在一起;

使用金属电阻应变片时,也需用黏结剂将应变片粘贴在试件表面某一方向和位置上,以便感受试件的应变.黏结剂材料:有机和无机两大类.

四、测量电路 由于机械应变一般都很小,要把微小应变引起的微小电阻值的变化测量出来,同时要把电阻相对变化转换为电压或电流的变化,因此需要设计专用的测量电路. 用于测量电阻变化最常用的测量电路是电桥电路. 电桥电路通常有直流电桥和交流电桥两种.电桥电路的主要指标是桥路灵敏度、非线性和负载特性. 1. 直流电桥 2. 交流电桥 1. 直流电桥 (1)平衡条件 直流电桥的基本形式如图所示.R

1、R

2、R

3、R4称为电桥的桥臂,RL 为其负载(可以是测量仪表内阻、放大器输入阻抗或其它负载).当RL→∞ 时,电桥的输出电压 Uo 应为 当电桥平衡时,Uo = 0, Io = 0由上式可得到 或 称为电桥平衡条件.平衡电桥就是桥路中相邻两臂阻值之比应相等,(对臂阻值之积相等、邻臂阻值之比相等),此时流过负载电阻的电流为0. (2)电压灵敏度 A.?单臂电桥:如果在实际测量中,使第一桥臂 R1 由应变片来替代,微小应变引起微小电阻的变化,电桥则输出不平衡电压的微小变化.一般需要加入放大器放大.由于放大器的输入阻抗可以比桥路输出电阻高得多,所以此时仍视电桥为开路情况.当受应变时,若应变片电阻变化为ΔR1 ,其它桥臂固定不变,则电桥输出电压 Uo≠0. 设桥臂比 电桥电压灵敏度定义为 ① 电桥电压灵敏度正比于电桥供电电压,供桥电压愈高,电桥电压灵敏度愈高.但是供桥电压的提高,受到应变片允许功耗的限制,所以一般供桥电压应适当选择(3~6V). E(供桥电压) ?? ② 电桥电压灵敏度是桥臂电阻比值 n 的函数,因此必须恰当地选择桥臂比 n 的值,保证电桥具有较高的电压灵敏度.当n=1,(R1 = R2 ,R3 = R4),电桥电压灵敏度最大.此时电桥电压灵敏度 当电源电压 E 和电阻相对变化率 一定时,电桥的输出电压及其灵敏度也是定值,且与各桥臂阻值大小无关.此时非线性误差较大,减小或消除非线性误差的方法有如下几种: 采用差动电桥 提高桥臂比 采用高内阻的恒流源电桥 B.半桥差动: 根据被测试件的受力情况,若使一个应变片受拉,一个受压,则应变符号相反;