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：應(yīng)變式傳感器的粘貼方法和接線方法，并能做相應(yīng)的計算應(yīng)用教學(xué)難點：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：共4學(xué)時（其中作業(yè)習(xí)題講解1學(xué)時）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、材料和參數(shù)；討論其溫度誤差及其補償。并討論電阻應(yīng)變式傳感器的測量電路。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)機械變形時，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：式中是長度相對變化，即應(yīng)變。金屬絲的變形有： 式中：泊松比，對于鋼故應(yīng)變效應(yīng)數(shù)學(xué)表達式：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。 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償方法。1.電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)和分類結(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，故稱為敏感柵。2. 應(yīng)變片的分類金屬應(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)變在+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， 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時的長度為，溫度變化后的長度分別為：粘在一起的附加應(yīng)變：溫度引起的總附加應(yīng)變電阻相對變化：式中：對應(yīng)應(yīng)變：2）. 溫度補償線路補償應(yīng)變片一般用電橋作為轉(zhuǎn)換電路：單臂電橋的補償，通過不受力的試件上貼的應(yīng)變片接入另一橋臂；半橋、全橋的自補償；熱敏電阻的補償，增加或減小輸入電壓。自補償原理：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。一、 應(yīng)變片的測量電路本節(jié)要求：掌握應(yīng)變片測量電路的種類，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：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：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（實心和空心），梁式（等截面和等強度），板式等2.應(yīng)變片的粘貼柱式（實心和空心）的應(yīng)變片粘貼；梁式（等截面和等強度）應(yīng)變片粘貼：3.應(yīng)變片測試原理用應(yīng)變片測量應(yīng)變或應(yīng)力時，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)變片測量應(yīng)變的基本原理。4. 計算應(yīng)用例：如圖4-14在等截面懸臂梁上粘貼兩個應(yīng)變片進行溫度補償，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)制造的一種測量微小機械變化量的傳感器。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)變式傳感器的測量線路大都采用交流電橋，通過測量電橋把應(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)變片溫度補償?shù)姆椒ㄍǔＳ袘?yīng)變片自補償法和電路補償法兩種。作業(yè)1說明電阻應(yīng)變片的組成、規(guī)格及分類。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償方法。6擬在等截面的懸臂梁上粘貼四個完全相同的電阻應(yīng)變片組成差動全橋電路。試問：（1）四個應(yīng)變片應(yīng)怎么粘貼在懸臂梁上？（2）畫出相應(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，應(yīng)變片電阻的相對變化量。又若應(yīng)變片沿鋼柱圓周方向粘貼，受同樣拉力作用時，應(yīng)變片電阻的相對變化量為多少？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，并假定負載電阻無窮大。當(dāng)應(yīng)變片上的應(yīng)變分別為1和1000時，試求單臂工作電橋、雙臂工作電橋以及全橋工作時的輸出電壓。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，若要使輸出電壓大于10mV，則可采用何種接橋方式（設(shè)輸出阻抗為無窮大）？10有一測量吊車起吊物質(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