電阻應(yīng)變式傳感器

1、第二講 電阻應(yīng)變式傳感器教學(xué)目的要求：1.掌握應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)、分類(lèi)及基本應(yīng)變特性； 2.熟練掌握應(yīng)變式傳感器的粘貼方法和接線方法，并能做相應(yīng)的計(jì)算應(yīng)用； 3.掌握應(yīng)變式傳感器的基本應(yīng)用。教學(xué)重點(diǎn)：應(yīng)變式傳感器的粘貼方法和接線方法，并能做相應(yīng)的計(jì)算應(yīng)用教學(xué)難點(diǎn)：應(yīng)變式傳感器的粘貼方法及應(yīng)變式傳感器的基本應(yīng)用教學(xué)學(xué)時(shí)：共4學(xué)時(shí)（其中作業(yè)習(xí)題講解1學(xué)時(shí)）教學(xué)內(nèi)容：本講內(nèi)容介紹：電阻應(yīng)變式傳感器具有悠久的歷史，是應(yīng)用最廣泛的傳感器之一，本節(jié)著重介紹作為應(yīng)變式傳感器核心元件的電阻應(yīng)變片的工作原理、種類(lèi)、材料和參數(shù)；討論其溫度誤差及其補(bǔ)償。并討論電阻應(yīng)變式傳感器的測(cè)量電路。要求掌握應(yīng)變式傳感器的原理及應(yīng)用。

2、一、 應(yīng)變式傳感器的工作原理本節(jié)要求：掌握應(yīng)變式傳感器的工作原理。電阻應(yīng)變片的工作原理是應(yīng)變效應(yīng)機(jī)械變形時(shí)，應(yīng)變片電阻變化。圖26 金屬絲應(yīng)變效應(yīng)電阻絲的電阻： ，求的全微分得：式中是長(zhǎng)度相對(duì)變化，即應(yīng)變。金屬絲的變形有： 式中：泊松比，對(duì)于鋼故應(yīng)變效應(yīng)數(shù)學(xué)表達(dá)式：靈敏度系數(shù)： 因此應(yīng)變的應(yīng)變效應(yīng)原理：式中K電阻應(yīng)變片的靈敏系數(shù)二、 電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)、分類(lèi)及特性本節(jié)要求：1) 一般了解應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)和分類(lèi)。 2) 掌握電阻應(yīng)變片產(chǎn)生溫度誤差的主要原因及線路補(bǔ)償方法。1.電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)和分類(lèi)結(jié)構(gòu)：電阻應(yīng)變片由敏感柵、基片、覆蓋層和引線等部分組成。其中，敏感柵是應(yīng)變片的核心部分，它是用直徑約為0.

3、025mm的具有高電阻率的電阻絲制成的，為了獲得高的電阻值，電阻絲排列成柵網(wǎng)狀，故稱(chēng)為敏感柵。2. 應(yīng)變片的分類(lèi)金屬應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片金屬應(yīng)變片分：絲式、箔式3.應(yīng)變片的橫向效應(yīng)應(yīng)變片的靈敏系數(shù)K恒小于同一材料金屬絲的靈敏系數(shù)Ks，其原因是由于橫向效應(yīng)的影響。所謂橫向效應(yīng)是指將直的金屬絲繞成敏感柵之后，在圓弧的各微段上，其軸向感受的應(yīng)變?cè)?x和y=x之間變化，從而造成了圓弧段電阻變化將小于沿縱軸方向安放的同樣長(zhǎng)度電阻絲電阻變化的現(xiàn)象。結(jié)果：應(yīng)變片的靈敏度比電阻絲的靈敏度要小4. 應(yīng)變片的溫度誤差及補(bǔ)償1）. 應(yīng)變片的溫度誤差的產(chǎn)生電阻溫度系數(shù) 當(dāng)溫度變化時(shí)， 電阻絲和試件線膨脹系數(shù)不同設(shè)：電

4、阻絲和試件溫度0時(shí)的長(zhǎng)度為，溫度變化后的長(zhǎng)度分別為：粘在一起的附加應(yīng)變：溫度引起的總附加應(yīng)變電阻相對(duì)變化：式中：對(duì)應(yīng)應(yīng)變：2）. 溫度補(bǔ)償線路補(bǔ)償應(yīng)變片一般用電橋作為轉(zhuǎn)換電路：?jiǎn)伪垭姌虻难a(bǔ)償，通過(guò)不受力的試件上貼的應(yīng)變片接入另一橋臂；半橋、全橋的自補(bǔ)償；熱敏電阻的補(bǔ)償，增加或減小輸入電壓。自補(bǔ)償原理：應(yīng)變片的電阻溫度系數(shù)與應(yīng)變柵材料、退火溫度等有關(guān)，適當(dāng)控制材料和工藝使： 則永恒自補(bǔ)。一、 應(yīng)變片的測(cè)量電路本節(jié)要求：掌握應(yīng)變片測(cè)量電路的種類(lèi)，電橋的工作特性。圖27 直流電橋轉(zhuǎn)換電路1. 直流電橋當(dāng)時(shí)：1）電橋平衡條件：2）電壓靈敏度 單臂電橋： 半橋 若 ， ， 全橋 ， 二、交流電橋供橋電壓

5、：交流。優(yōu)點(diǎn)：消除零漂。圖28 交流電橋（a）半臂電橋 （b）等效電路，平衡條件： 和 當(dāng)應(yīng)力變化引起Z1= Z0+Z，Z2=Z0-Z，電橋輸出為： 四、彈性敏感元件的種類(lèi)及應(yīng)變片的粘貼本節(jié)要求：掌握常用彈性敏感元件的應(yīng)變特性及應(yīng)變片的粘貼方法1.常用敏感元件柱式（實(shí)心和空心），梁式（等截面和等強(qiáng)度），板式等2.應(yīng)變片的粘貼柱式（實(shí)心和空心）的應(yīng)變片粘貼；梁式（等截面和等強(qiáng)度）應(yīng)變片粘貼：3.應(yīng)變片測(cè)試原理用應(yīng)變片測(cè)量應(yīng)變或應(yīng)力時(shí)，得到應(yīng)力值 式中試件的應(yīng)力；試件的應(yīng)變；E試件的彈性模量（Pa）。由此可知，應(yīng)力值正比于應(yīng)變，而試件應(yīng)變又正比于電阻值的變化量R，所以應(yīng)力正比于電阻值的變化。這就是

6、利用應(yīng)變片測(cè)量應(yīng)變的基本原理。4. 計(jì)算應(yīng)用例：如圖4-14在等截面懸臂梁上粘貼兩個(gè)應(yīng)變片進(jìn)行溫度補(bǔ)償，接電路為；其中R1和R2為應(yīng)變片，R1=R2=R3=R4，為配置電阻式中受到壓應(yīng)力，受到拉應(yīng)力， 代入有 五、 應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用本節(jié)要求：了解應(yīng)變片傳感器的應(yīng)用。1. 柱（筒）式力傳感器 2. 膜片式壓力傳感器 本講小結(jié)：電阻應(yīng)變式傳感器是基于電阻應(yīng)變效應(yīng)制造的一種測(cè)量微小機(jī)械變化量的傳感器。目前應(yīng)用最廣的電阻應(yīng)變片有電阻絲應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片兩種。電阻應(yīng)變式傳感器的測(cè)量線路大都采用交流電橋，通過(guò)測(cè)量電橋把應(yīng)變片電阻的變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流變化。產(chǎn)生應(yīng)變片溫度誤差的主要因素有二：一是由于電阻

7、絲溫度系數(shù)的存在；二是電阻絲與試件材料的線膨脹系數(shù)不同。電阻應(yīng)變片溫度補(bǔ)償?shù)姆椒ㄍǔＳ袘?yīng)變片自補(bǔ)償法和電路補(bǔ)償法兩種。作業(yè)1說(shuō)明電阻應(yīng)變片的組成、規(guī)格及分類(lèi)。2什么叫應(yīng)變效應(yīng)？利用應(yīng)變效應(yīng)解釋金屬電阻應(yīng)變片工作原理。3電阻絲的應(yīng)變靈敏系數(shù)Ks與應(yīng)變片的靈敏系數(shù)K有何異同？4什么叫橫向效應(yīng)？應(yīng)變片敏感柵的結(jié)構(gòu)形式與橫向效應(yīng)有何關(guān)系？5試述應(yīng)變片溫度誤差的原因和補(bǔ)償方法。6擬在等截面的懸臂梁上粘貼四個(gè)完全相同的電阻應(yīng)變片組成差動(dòng)全橋電路。試問(wèn)：（1）四個(gè)應(yīng)變片應(yīng)怎么粘貼在懸臂梁上？（2）畫(huà)出相應(yīng)的電橋電路圖。7電阻應(yīng)變片的靈敏度K=2.0，沿縱向粘貼于直徑為0.05m的圓形鋼柱表面，鋼材的E=2.

8、0×1011N/m2，=0.3。求鋼柱受10噸拉力作用時(shí)，應(yīng)變片電阻的相對(duì)變化量。又若應(yīng)變片沿鋼柱圓周方向粘貼，受同樣拉力作用時(shí)，應(yīng)變片電阻的相對(duì)變化量為多少？8采用阻值為120，靈敏度系數(shù)K=2.0的金屬電阻應(yīng)變片與阻值R=120的固定電阻組成電橋，橋路電壓為4V，并假定負(fù)載電阻無(wú)窮大。當(dāng)應(yīng)變片上的應(yīng)變分別為1和1000時(shí)，試求單臂工作電橋、雙臂工作電橋以及全橋工作時(shí)的輸出電壓。并比較三種情況下的靈敏度。9采用阻值為120，靈敏度系數(shù)K=2.0的金屬電阻應(yīng)變片與阻值R=120的固定電阻組成電橋，橋路電壓為10V。當(dāng)應(yīng)變片應(yīng)變?yōu)?000時(shí)，若要使輸出電壓大于10mV，則可采用何種接橋方式（設(shè)輸出阻抗為無(wú)窮大）？10有一測(cè)量吊車(chē)起吊物質(zhì)量的拉力傳感器如圖2-35（a）所示。電阻應(yīng)變片R1，R2，R3，R4貼在等截面軸上。已知等截面軸的截面積為0.00196m2，彈性模量E為2.0×1011N