電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)及工作原理Word版

1、電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)及工作原理12345圖4-1-3 電阻應(yīng)變片1-敏感柵；2-引線；3-粘結(jié)劑；4-覆蓋層；5-基底電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)如圖4-1-3所示，其中，敏感柵是應(yīng)變片中把應(yīng)變量轉(zhuǎn)換成電阻變化量的敏感部分，它是用金屬絲或半導(dǎo)體材料制成的單絲或柵狀體。引線是從敏感柵引出電信號(hào)的絲狀或帶狀導(dǎo)線。(1)粘結(jié)劑：是具有一定電絕緣性能的粘結(jié)材料，用它將敏感柵固定在基底上。 (2)覆蓋層：用來保護(hù)敏感柵而覆蓋在上面的絕緣層。 (3)基底：用以保護(hù)敏感柵，并固定引線的幾何形狀和相對(duì)位置。 電阻應(yīng)變片能將力學(xué)量轉(zhuǎn)變?yōu)殡妼W(xué)量是利用了金屬導(dǎo)線的應(yīng)變電阻效應(yīng)。我們知道，金屬導(dǎo)線的電阻R與其長(zhǎng)度L成正比，與其截面積

2、A成反比，即 (4-1-3)式中是導(dǎo)線的電阻率。如果導(dǎo)線沿其軸線方向受力產(chǎn)生形變，則其電阻值也隨之發(fā)生變化，這一物理現(xiàn)象被稱為金屬導(dǎo)線的應(yīng)變電阻效應(yīng)。為了說明產(chǎn)生這一效應(yīng)的原因，可將式（4-1-3）取對(duì)數(shù)后進(jìn)行微分得 (4-1-4)式中，為金屬導(dǎo)線長(zhǎng)度的相對(duì)變化，用軸向應(yīng)變e來表示，即；是截面積的相對(duì)變化。（r為金屬導(dǎo)線的半徑），是金屬導(dǎo)線半徑的相對(duì)變化，即徑向應(yīng)變er。導(dǎo)線軸向伸長(zhǎng)的同時(shí)徑向縮小，所以軸向應(yīng)變e與徑向應(yīng)變er有下列關(guān)系： (4-1-5) m為金屬材料的泊松比。根據(jù)實(shí)驗(yàn)，金屬材料電阻率相對(duì)變化與其體積的相對(duì)變化之間的關(guān)系為，C為金屬材料的一個(gè)常數(shù)，如銅絲C=1 。由 我們可導(dǎo)出

3、與e、er之間的關(guān)系。由此得出代入式（4-1-4）得 (4-1-6)Ks稱為金屬絲靈敏系數(shù)，其物理意義是單位應(yīng)變引起的電阻相對(duì)變化。由式（4-1-6）可見Ks由兩部分組成，前一部分由金屬絲的幾何尺寸變化引起，一般金屬的m在0.3左右，因此，后一部分為電阻率隨應(yīng)變而引起變化的部分，它除與金屬絲幾何尺寸有關(guān)外還與金屬本身的特性有關(guān)。Ks對(duì)于一種金屬材料在一定應(yīng)變范圍內(nèi)是一常數(shù)，于是得出 (4-1-7) 為表示應(yīng)變片的電阻變化與試件應(yīng)變的關(guān)系，引入應(yīng)變片的靈敏系數(shù)K，定義為：試件受到一維應(yīng)力的作用時(shí)，如應(yīng)變片的主軸線與應(yīng)力方向一致，則應(yīng)變片的電阻變化率和試件主應(yīng)力方向的應(yīng)變 之比稱為應(yīng)變片的靈敏系數(shù)

4、，即 (4-1-8)由于粘結(jié)劑傳遞形變的失真與應(yīng)變片的橫向變形等因素的影響，應(yīng)變片的靈敏系數(shù)K總是小于金屬絲的靈敏系數(shù)Ks。K值由生產(chǎn)廠家給出。 由式（4-1-8）看出，應(yīng)變片的敏感柵受力后使其電阻發(fā)生變化。將其粘貼在試件上，利用應(yīng)變電阻效應(yīng)便能把試件表面的應(yīng)變量直接變換為電阻的相對(duì)變化量，電阻應(yīng)變片就是利用這一原理制成的傳感元件。非平衡電橋測(cè)量質(zhì)量與電流、電壓的關(guān)系將電阻應(yīng)變片粘貼在試件的表面，應(yīng)變片的兩端接入測(cè)量電路（電橋）。隨著試件受力變形，應(yīng)變片的電阻絲也獲得相應(yīng)的形變使電阻值發(fā)生變化。由應(yīng)變片的工作原理可知，當(dāng)應(yīng)變沿應(yīng)變片的主軸方向時(shí)，應(yīng)變片的電阻變化率和試件（本實(shí)驗(yàn)為懸臂梁）的主應(yīng)

5、變成正比，即 或 (4-1-1)式中K為應(yīng)變片的靈敏系數(shù)（此值由應(yīng)變片廠家給出）；R是未加力時(shí)應(yīng)變片阻值的初始值；DR是加力變形后應(yīng)變片的電阻變化。所以只要測(cè)出應(yīng)變片阻值的相對(duì)變化，便可得出被測(cè)試件的應(yīng)變。本實(shí)驗(yàn)用平衡電橋測(cè)量應(yīng)變片電阻的相對(duì)變化。實(shí)驗(yàn)裝置及測(cè)量線路如圖4-1-1和圖4-1-2所示，將被測(cè)試件一端夾持在穩(wěn)固的基座上，其主體懸空，構(gòu)成一懸臂梁。在懸臂梁固定端A處貼一應(yīng)變片，在懸臂梁變形端B處貼一同型號(hào)同規(guī)格的應(yīng)變片，在C端掛一砝碼托盤以備加載。將A處的應(yīng)變片作為溫度補(bǔ)償片R1，B處的應(yīng)變片Rx作為傳感元件測(cè)量應(yīng)變，用電阻箱R2、Ra和微調(diào)電阻箱Rb以及R1、Rx組成一電橋，作為微

6、小形變測(cè)量電路。當(dāng)C處加載時(shí)，懸臂梁將向下彎曲，B處產(chǎn)生變形，貼在B處的應(yīng)變片亦發(fā)生變形，其電阻值發(fā)生變化，此電阻值的變化可通過電橋測(cè)量出來，從而可測(cè)定懸臂梁B處的形變。°°°接應(yīng)變片° 圖4-1-2 微小形變測(cè)量電路K1RR1R2RxRaRbK2mAGER¢°°°°AC 圖4-1-1 懸臂梁示意圖 應(yīng)變片由金屬電阻絲制成，當(dāng)其內(nèi)部通電流或環(huán)境溫度變化時(shí)，均能引起電阻絲的阻值變化。溫度引起的阻值變化與應(yīng)變引起的阻值變化同時(shí)存在，從而導(dǎo)致測(cè)量誤差。測(cè)量中怎樣才能使溫度引起的阻值變化對(duì)測(cè)量系統(tǒng)無影響？A處的應(yīng)

7、變片R1是作為溫度補(bǔ)償用的，稱為補(bǔ)償片。它與應(yīng)變片Rx的結(jié)構(gòu)和參數(shù)相同，而且貼在同一懸臂梁上，保證了兩個(gè)應(yīng)變片的內(nèi)部條件和外部環(huán)境一致。不同的是應(yīng)變片Rx隨懸臂梁的變形而變形，而補(bǔ)償片R1則不受懸臂梁形變的影響，只是當(dāng)溫度變化引起應(yīng)變片Rx的阻值變化時(shí)，補(bǔ)償片R1亦有同樣變化。而R1與Rx又分別處于電橋的兩個(gè)相鄰臂上（電橋平衡后，R1與Rx流過的電流相同），如圖4-1-2，當(dāng)電橋平衡時(shí)有 ，在同一溫度變化條件下，Rx有一增量DR，則R1亦有一相同增量DR，則= ，電橋仍然是平衡的，即測(cè)量過程中因溫度變化而引起應(yīng)變片的阻值變化對(duì)測(cè)量（電橋的平衡狀態(tài)）沒有影響，此時(shí)電阻箱（Ra+ Rb）的讀數(shù)反映的只是應(yīng)變引起的阻值變化，所以達(dá)到了溫度補(bǔ)償?shù)哪康?。在用電橋測(cè)電阻時(shí)，電橋系統(tǒng)的靈敏程度反映了測(cè)量的精確程度，所以引入電橋靈敏度的概念，其定義為 (格) (4-1-2)它表示電橋平衡后，DRx所引起的Dd越大，電橋靈敏度S越高，所得平衡點(diǎn)越精確，測(cè)量誤差越小。電橋靈敏度不僅與檢流計(jì)有關(guān)，還與所加電壓及各橋臂電阻值的大小和配置有關(guān)，檢流計(jì)的靈敏度越高，電源電壓越大，