項(xiàng)目二電阻式傳感器

1、項(xiàng)目二 電阻式傳感器p任務(wù)一任務(wù)一 電位器式傳感器電位器式傳感器p任務(wù)二任務(wù)二 應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器p任務(wù)三任務(wù)三 固態(tài)壓阻式傳感器固態(tài)壓阻式傳感器任務(wù)一任務(wù)一 電位器式傳感器電位器式傳感器p 電位器是一種人們熟知的機(jī)電元件，廣泛用于各電位器是一種人們熟知的機(jī)電元件，廣泛用于各種電氣和電子設(shè)備中。在儀表與傳感器中，它主種電氣和電子設(shè)備中。在儀表與傳感器中，它主要是作為一種把機(jī)械位移輸入轉(zhuǎn)換為與它成一定要是作為一種把機(jī)械位移輸入轉(zhuǎn)換為與它成一定函數(shù)關(guān)系的電阻或電壓輸出的傳感元件來使用的。函數(shù)關(guān)系的電阻或電壓輸出的傳感元件來使用的。利用電位器作為傳感元件可制成各種電位器式傳利用電位器作為傳感元

2、件可制成各種電位器式傳感器，用以測定線位移或角位移，以及一切可能感器，用以測定線位移或角位移，以及一切可能轉(zhuǎn)換為位移的其他被測物理量參數(shù)，如壓力、加轉(zhuǎn)換為位移的其他被測物理量參數(shù)，如壓力、加速度等。此外，在伺服式儀表中，它還可用做反速度等。此外，在伺服式儀表中，它還可用做反饋元件及解算元件，制成各種伺服式儀表。饋元件及解算元件，制成各種伺服式儀表。 電電位器的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、尺寸小、質(zhì)量小、輸出位器的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、尺寸小、質(zhì)量小、輸出特性精度高特性精度高( (可達(dá)可達(dá)0 01 1或更高或更高) )且穩(wěn)定且穩(wěn)定任務(wù)一任務(wù)一 電位器式傳感器電位器式傳感器圖圖2-1電位器式傳感器電位器式傳感器(a

3、)直線位移型；直線位移型；(b)角位移型；角位移型；(c)非線性型非線性型任務(wù)一任務(wù)一 電位器式傳感器電位器式傳感器圖2-2電位器式位移傳感器原理圖1電阻絲2骨架3滑臂電位器式傳感器電位器式傳感器p一、繞線式線性電位器一、繞線式線性電位器p 圖圖2-22-2所示為電位器式位移傳感器。如果把它作所示為電位器式位移傳感器。如果把它作為變阻器使用，且假設(shè)全長為為變阻器使用，且假設(shè)全長為xmaxxmax的電位器其總的電位器其總電阻為電阻為RmaxRmax，電阻沿長度的分布是均勻的，則當(dāng)，電阻沿長度的分布是均勻的，則當(dāng)滑臂由滑臂由O O向向B B移動移動x x后，后，O O到滑臂間的電阻值為：到滑臂間的

4、電阻值為：maxmaxRxxRxp若把它作為分壓器使用，且假設(shè)加在電位器若把它作為分壓器使用，且假設(shè)加在電位器O、B之間之間的電壓為的電壓為Umax,則輸出電壓為：則輸出電壓為：maxmaxUxxUx圖電位器式角度傳感器原理圖1電阻絲2滑臂3骨架電阻式傳感器電阻式傳感器 如圖如圖2-32-3所示為電位器式角度傳感器。若作為變所示為電位器式角度傳感器。若作為變阻器使用，則電阻值與角度的關(guān)系為：阻器使用，則電阻值與角度的關(guān)系為：maxmaxRaaRap若作為分壓器使用，則有若作為分壓器使用，則有maxmaxUaaUa繞線式非線性電位器繞線式非線性電位器p二、繞線式非線性電位器二、繞線式非線性電位器

5、p 非線性電位器是指在空載時(shí)其輸出電壓非線性電位器是指在空載時(shí)其輸出電壓( (或電阻或電阻) )與電刷與電刷行程之間具有非線性函數(shù)關(guān)的一種電位器，也稱函數(shù)電位行程之間具有非線性函數(shù)關(guān)的一種電位器，也稱函數(shù)電位器。它可以實(shí)現(xiàn)指數(shù)函數(shù)、對數(shù)函數(shù)、三角函數(shù)及其他任器。它可以實(shí)現(xiàn)指數(shù)函數(shù)、對數(shù)函數(shù)、三角函數(shù)及其他任意函數(shù)。意函數(shù)。p非線性電位器的主要功用如下：非線性電位器的主要功用如下：非線性電位器非線性電位器p1)1)用非線性電位器使傳感器獲得非線性輸出，以滿足控制用非線性電位器使傳感器獲得非線性輸出，以滿足控制系統(tǒng)的各種特殊要求。系統(tǒng)的各種特殊要求。p2)2)使傳感器獲得線性輸出特性。當(dāng)傳感器中有

6、些環(huán)節(jié)出現(xiàn)使傳感器獲得線性輸出特性。當(dāng)傳感器中有些環(huán)節(jié)出現(xiàn)非線性時(shí)，可把電位器設(shè)計(jì)成非線性的，而使傳感器最后非線性時(shí)，可把電位器設(shè)計(jì)成非線性的，而使傳感器最后獲得線性輸出。獲得線性輸出。p3)3)在解算式傳感器中，如導(dǎo)航儀、大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)中，可采在解算式傳感器中，如導(dǎo)航儀、大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)中，可采用非線性電位器來實(shí)現(xiàn)各種特定的函數(shù)運(yùn)算。用非線性電位器來實(shí)現(xiàn)各種特定的函數(shù)運(yùn)算。p4)4)用非線性電位器消除電位器的負(fù)載誤差，即在負(fù)載情況用非線性電位器消除電位器的負(fù)載誤差，即在負(fù)載情況下，用非線性電位器來實(shí)現(xiàn)線性特性。下，用非線性電位器來實(shí)現(xiàn)線性特性。 按照實(shí)現(xiàn)非線性按照實(shí)現(xiàn)非線性的原理不同，常用的非線性

7、線繞電位器可分為變骨架式、的原理不同，常用的非線性線繞電位器可分為變骨架式、變節(jié)距式、分路電阻式及電位給定式四種。變節(jié)距式、分路電阻式及電位給定式四種。2-4空載特性空載特性p 現(xiàn)以變骨架式為例說明其空載特性。變骨架式非線性電現(xiàn)以變骨架式為例說明其空載特性。變骨架式非線性電位器如圖位器如圖2-42-4所示。其骨架高所示。其骨架高p度度h h呈曲線變化。輸出電阻呈曲線變化。輸出電阻Rx=f(x)Rx=f(x)。求取骨架高度。求取骨架高度h h的變的變化規(guī)律。當(dāng)電刷移動微小位移化規(guī)律。當(dāng)電刷移動微小位移pdxdx時(shí)，引起電阻變化時(shí)，引起電阻變化dRxdRx，則，則qthbdxdRX)(2式中：式中

8、：b，h為骨架的寬度和高度；為骨架的寬度和高度；q為導(dǎo)為導(dǎo)線的導(dǎo)電截面積；線的導(dǎo)電截面積；t為導(dǎo)線節(jié)距，即相鄰兩為導(dǎo)線節(jié)距，即相鄰兩導(dǎo)線間的距離；導(dǎo)線間的距離；p為導(dǎo)線電阻率。為導(dǎo)線電阻率。圖圖2-4變骨架式非線性電位器變骨架式非線性電位器p (a)(a)骨架形狀；骨架形狀；(b)(b)結(jié)構(gòu)尺寸；結(jié)構(gòu)尺寸；(c)(c)特性曲線特性曲線p由式由式(2-1)(2-1)可求得可求得)(2bdxdRqthx由于由于q、t,p、b均為常數(shù)，而均為常數(shù)，而dRx/Rx是是x的的函數(shù)，所以，函數(shù)，所以，h是電刷位移是電刷位移x的函數(shù)，且與特性的函數(shù)，且與特性曲線曲線的導(dǎo)數(shù)的導(dǎo)數(shù)dRx/Rx有關(guān)。有關(guān)。dRx

9、/Rx越大，則骨架越大，則骨架高度越高，但高度太高了，繞線容易打滑。但高度越高，但高度太高了，繞線容易打滑。但dRx/Rx也不能太小，更不能為零。因此，為也不能太小，更不能為零。因此，為了保證足夠的強(qiáng)度及工藝性，必須使了保證足夠的強(qiáng)度及工藝性，必須使hmin=3mm4mm。p 設(shè)非線性電位器輸出空載電壓為設(shè)非線性電位器輸出空載電壓為UxUx，流過電位器的電流，流過電位器的電流為為I=U/RI=U/R，U U為電源電壓，為電源電壓，R R為電位器總電阻。則式為電位器總電阻。則式(2-2)(2-2)還還可表示為可表示為h h與輸出電壓與輸出電壓UxUx之間的關(guān)系。即：之間的關(guān)系。即：非線性電位器輸

10、出電阻非線性電位器輸出電阻(或電壓或電壓)與電刷行程之間是與電刷行程之間是非線性函數(shù)關(guān)系，因此空載特性是一條曲線，其靈敏非線性函數(shù)關(guān)系，因此空載特性是一條曲線，其靈敏度與電刷位置有關(guān)，是變量。電阻靈敏度為：度與電刷位置有關(guān)，是變量。電阻靈敏度為：bdxdUIqthx)(2電壓靈敏度為：電壓靈敏度為：dxdRKxRdxdUKU非繞線式電位器非繞線式電位器p三、非繞線式電位器三、非繞線式電位器p 繞線式電位器具有精度高、性能穩(wěn)定、易于實(shí)現(xiàn)線性變繞線式電位器具有精度高、性能穩(wěn)定、易于實(shí)現(xiàn)線性變化等優(yōu)點(diǎn)，但也存在很多不足：如分辨率低、耐磨性差、化等優(yōu)點(diǎn)，但也存在很多不足：如分辨率低、耐磨性差、壽命較短

11、等。因此，人們研制了一些性能優(yōu)良的非繞線式壽命較短等。因此，人們研制了一些性能優(yōu)良的非繞線式電位器。電位器。p 1 1薄膜電位器薄膜電位器p 薄膜電位器通常有兩種：一種是碳膜電位器；另一種為薄膜電位器通常有兩種：一種是碳膜電位器；另一種為金屬膜電位器。金屬膜電位器。p1)1)碳膜電位器。在絕緣骨架表面上噴涂一層均勻的電阻液，碳膜電位器。在絕緣骨架表面上噴涂一層均勻的電阻液，經(jīng)烘干聚合后而制成電阻。電阻液由石墨、碳墨、樹脂材經(jīng)烘干聚合后而制成電阻。電阻液由石墨、碳墨、樹脂材料配制而成。這種電位器的優(yōu)點(diǎn)是分辨率高、耐磨性較好、料配制而成。這種電位器的優(yōu)點(diǎn)是分辨率高、耐磨性較好、工藝簡單、成本較低、

12、線性度較好，但有接觸電阻大、噪工藝簡單、成本較低、線性度較好，但有接觸電阻大、噪聲大等缺點(diǎn)。聲大等缺點(diǎn)。2)金屬膜電位器。p在玻璃或膠木基體上，用高溫蒸鍍或電鍍方法，涂覆一層在玻璃或膠木基體上，用高溫蒸鍍或電鍍方法，涂覆一層金屬膜而制成。用于制作金屬膜的合金為鍺銠、鉑銅、鉑金屬膜而制成。用于制作金屬膜的合金為鍺銠、鉑銅、鉑銠、鉑銠錳等。這種電位器的溫度系數(shù)小，可在高溫環(huán)境銠、鉑銠錳等。這種電位器的溫度系數(shù)小，可在高溫環(huán)境下工作，但仍然存在耐磨性差、功率小、電阻值不高下工作，但仍然存在耐磨性差、功率小、電阻值不高(1k2k)(1k2k)等缺點(diǎn)。薄膜電位器的電刷通常采用多指電等缺點(diǎn)。薄膜電位器的電

13、刷通常采用多指電刷，以減小接觸電阻，提高工作的穩(wěn)定性。刷，以減小接觸電阻，提高工作的穩(wěn)定性。 2.導(dǎo)電塑料電位器p這種電位器由塑料粉及導(dǎo)電材料粉這種電位器由塑料粉及導(dǎo)電材料粉( (合金、石墨、合金、石墨、炭黑等炭黑等) )壓制而成，它又稱實(shí)心電位器。其優(yōu)點(diǎn)是壓制而成，它又稱實(shí)心電位器。其優(yōu)點(diǎn)是耐磨性較好、壽命較長、電刷允許的接觸壓力較耐磨性較好、壽命較長、電刷允許的接觸壓力較大，適用于振動、沖擊等惡劣條件下工作，且電大，適用于振動、沖擊等惡劣條件下工作，且電阻值范圍大，能承受較大的功率。其缺點(diǎn)是溫度阻值范圍大，能承受較大的功率。其缺點(diǎn)是溫度影響較大、接觸電阻大、精度不高。影響較大、接觸電阻大、

14、精度不高。 圖圖2-5光電電位器結(jié)構(gòu)光電電位器結(jié)構(gòu)1光電導(dǎo)層；光電導(dǎo)層；2基體；基體；3薄膜電阻帶；薄膜電阻帶；4電刷的窄光束；電刷的窄光束；5導(dǎo)電電極導(dǎo)電電極 3光電電位器 3光電電位器p 光電電位器的結(jié)構(gòu)如圖光電電位器的結(jié)構(gòu)如圖2-52-5所示。其結(jié)構(gòu)原理是所示。其結(jié)構(gòu)原理是在基體在基體2(2(常用材料為氧化鋁常用材料為氧化鋁) )上沉積一層硫化鎘上沉積一層硫化鎘(CdS)(CdS)或硒化鎘或硒化鎘(CdSe)(CdSe)光電導(dǎo)層光電導(dǎo)層1 1，然后在它的上，然后在它的上面沉積一條金屬面沉積一條金屬( (金或銀金或銀) )導(dǎo)電條作為導(dǎo)電電極，導(dǎo)電條作為導(dǎo)電電極，在它的下面沉積一條薄膜電阻帶

15、在它的下面沉積一條薄膜電阻帶3 3，在電阻帶和導(dǎo)，在電阻帶和導(dǎo)電電極電電極5 5之間形成一很窄的間隙。在無光束照射時(shí)，之間形成一很窄的間隙。在無光束照射時(shí)，因光電導(dǎo)材料的暗電阻極大因光電導(dǎo)材料的暗電阻極大( (暗電阻與亮電阻之比暗電阻與亮電阻之比可達(dá)可達(dá)105105108)108)，可視為電阻帶與導(dǎo)電電極之間為，可視為電阻帶與導(dǎo)電電極之間為斷路。而當(dāng)電刷的窄光束斷路。而當(dāng)電刷的窄光束4 4照射在此窄間隙上時(shí)，照射在此窄間隙上時(shí)，就相當(dāng)于把電阻帶和導(dǎo)電電極接通，這樣在外電就相當(dāng)于把電阻帶和導(dǎo)電電極接通，這樣在外電源源E E的作用下，負(fù)載電阻的作用下，負(fù)載電阻RLRL上便有電壓輸出，且隨上便有電壓

16、輸出，且隨著光束位置的移動而變化，如同電刷移動一樣。著光束位置的移動而變化，如同電刷移動一樣。 光電電位器優(yōu)點(diǎn)光電電位器優(yōu)點(diǎn)p光電電位器優(yōu)點(diǎn)很多，耐磨性好，精度、分辨率高，壽命光電電位器優(yōu)點(diǎn)很多，耐磨性好，精度、分辨率高，壽命長長( (可達(dá)億萬次循環(huán)可達(dá)億萬次循環(huán)) )、可靠性好，電阻值范圍寬、可靠性好，電阻值范圍寬(50015M)(50015M)等。但也存在不足之處：光電導(dǎo)層雖經(jīng)窄等。但也存在不足之處：光電導(dǎo)層雖經(jīng)窄光束照射而導(dǎo)通，但照射處的電阻還是相當(dāng)高，因此，光光束照射而導(dǎo)通，但照射處的電阻還是相當(dāng)高，因此，光電電位器輸出電流較小，需配備高輸入阻抗放大器工作，電電位器輸出電流較小，需配備

17、高輸入阻抗放大器工作，工作溫度的范圍比較窄工作溫度的范圍比較窄( (目前最高達(dá)目前最高達(dá)150)150)，線性度也不，線性度也不高。此外，光電電位器需要照明光源和光學(xué)系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)高。此外，光電電位器需要照明光源和光學(xué)系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，體積和質(zhì)量較大。但隨著集成光路器件的發(fā)展，較復(fù)雜，體積和質(zhì)量較大。但隨著集成光路器件的發(fā)展，可以將有源和無源的光學(xué)器件集成在一個(gè)光路芯片上，制可以將有源和無源的光學(xué)器件集成在一個(gè)光路芯片上，制成集成光路芯片，使光學(xué)系統(tǒng)的體積和質(zhì)量大大減小，這成集成光路芯片，使光學(xué)系統(tǒng)的體積和質(zhì)量大大減小，這四、四、電位器式壓力傳感器電位器式壓力傳感器p 電位器式壓力傳感器電位器

18、式壓力傳感器是利用彈性元件是利用彈性元件( (如彈簧如彈簧管、膜片或膜盒管、膜片或膜盒) )把被測把被測的壓力變換為彈性元件的的壓力變換為彈性元件的位移，并使此位移變?yōu)殡娢灰?，并使此位移變?yōu)殡娝⒂|點(diǎn)的移動，從而引起刷觸點(diǎn)的移動，從而引起輸出電壓或電流相應(yīng)的變輸出電壓或電流相應(yīng)的變化。常用來測量位移、壓化。常用來測量位移、壓力、加速度等參量。力、加速度等參量。圖2-6 壓力傳感器原理1-電位器 2- 電刷 3-輸出端子2-7 膜盒電位器式壓力傳感器原理1-膜盒 2-連桿 3-電位器2.膜盒電位器式壓力傳感器如圖所示，彈性敏感元件膜盒的內(nèi)腔通入被測流體，在流體壓力的作用下，膜盒中心產(chǎn)生位移，推動連

19、桿上移，使曲柄軸帶動電刷在電位器電阻絲上滑動，從而輸出一個(gè)與被測壓力成正比的電壓信號。膜盒壓力變化膜盒壓力變化p圖圖2-72-7所示為膜盒當(dāng)被測壓力變化時(shí)，彈簧管的自由端位所示為膜盒當(dāng)被測壓力變化時(shí)，彈簧管的自由端位移，通過傳動機(jī)構(gòu)，一面帶動壓力表指針轉(zhuǎn)動，一面帶動移，通過傳動機(jī)構(gòu)，一面帶動壓力表指針轉(zhuǎn)動，一面帶動電刷在繞線電位器上滑動，從而將被測壓力值轉(zhuǎn)換為電阻電刷在繞線電位器上滑動，從而將被測壓力值轉(zhuǎn)換為電阻變化，因此，輸出一個(gè)與被測壓力成正比的電壓信號。電變化，因此，輸出一個(gè)與被測壓力成正比的電壓信號。電位器式壓力傳感器。彈性敏感元件膜盒的內(nèi)腔，通入被測位器式壓力傳感器。彈性敏感元件膜盒

20、的內(nèi)腔，通入被測流體壓力，在此壓力作用下，膜盒中心產(chǎn)生位移，推動連流體壓力，在此壓力作用下，膜盒中心產(chǎn)生位移，推動連桿上移，使曲柄軸帶動電刷在電位器電阻絲上滑動，同樣桿上移，使曲柄軸帶動電刷在電位器電阻絲上滑動，同樣輸出一個(gè)與被測壓力成正比的電壓信號。輸出一個(gè)與被測壓力成正比的電壓信號?；€電阻式位移傳感器滑線電阻式位移傳感器p圖圖2-82-8所示為用電位器式傳感器制作的滑線電阻式所示為用電位器式傳感器制作的滑線電阻式位移傳感器。被測位移使測量軸沿導(dǎo)軌軸向移動位移傳感器。被測位移使測量軸沿導(dǎo)軌軸向移動時(shí)，帶動電刷在滑線電阻上產(chǎn)生相同的位移，從時(shí)，帶動電刷在滑線電阻上產(chǎn)生相同的位移，從而改變電位

21、器的輸出電阻。而改變電位器的輸出電阻。p圖圖2-82-8滑線電阻式位移傳感器滑線電阻式位移傳感器 11測量測量軸；軸；22滑線電阻；滑線電阻；33觸頭；觸頭；44彈簧；彈簧；55滑塊；滑塊；66導(dǎo)軌；導(dǎo)軌；77外殼；外殼；88無無感電阻感電阻滑線電阻式位移傳感器滑線電阻式位移傳感器 任務(wù)二 應(yīng)變式傳感器p應(yīng)變式傳感器是利用電阻應(yīng)變片應(yīng)變式傳感器是利用電阻應(yīng)變片( (簡稱應(yīng)變片簡稱應(yīng)變片) )將應(yīng)變轉(zhuǎn)換將應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻變化的傳感器，傳感器的構(gòu)造由在彈性元件上粘貼為電阻變化的傳感器，傳感器的構(gòu)造由在彈性元件上粘貼電阻應(yīng)變敏感元件構(gòu)成。當(dāng)被測物理量作用在彈性元件上電阻應(yīng)變敏感元件構(gòu)成。當(dāng)被測物理量作

22、用在彈性元件上時(shí)，彈性元件的變形引起應(yīng)變敏感元件的電阻值變化，通時(shí)，彈性元件的變形引起應(yīng)變敏感元件的電阻值變化，通過轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)變成電量輸出，電量變化的大小反映了被測過轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)變成電量輸出，電量變化的大小反映了被測物理量的大小。其主要缺點(diǎn)是輸出信號小、線性范圍窄，物理量的大小。其主要缺點(diǎn)是輸出信號小、線性范圍窄，而且動態(tài)響應(yīng)較差。但由于應(yīng)變片的體積小，商品化的應(yīng)而且動態(tài)響應(yīng)較差。但由于應(yīng)變片的體積小，商品化的應(yīng)變片有多種規(guī)格可供選擇，而且可以靈活設(shè)計(jì)彈性敏感元變片有多種規(guī)格可供選擇，而且可以靈活設(shè)計(jì)彈性敏感元件的形式以適應(yīng)各種應(yīng)用場合，所以，用應(yīng)變片制造的應(yīng)件的形式以適應(yīng)各種應(yīng)用場合，所以，用

23、應(yīng)變片制造的應(yīng)變式傳感器在測量力、力矩、壓力、加速度、質(zhì)量等參數(shù)變式傳感器在測量力、力矩、壓力、加速度、質(zhì)量等參數(shù)中仍有廣泛的應(yīng)用。中仍有廣泛的應(yīng)用。一、應(yīng)力和應(yīng)變p截面積為截面積為A A的物體受到外的物體受到外力力F F的作用并處于平衡狀的作用并處于平衡狀態(tài)時(shí)，物體在單位面積上態(tài)時(shí)，物體在單位面積上引起的內(nèi)力稱為應(yīng)力引起的內(nèi)力稱為應(yīng)力。p 應(yīng)變是物體受外力作應(yīng)變是物體受外力作用時(shí)產(chǎn)生的相對變形，是用時(shí)產(chǎn)生的相對變形，是一個(gè)無量綱的物理量。設(shè)一個(gè)無量綱的物理量。設(shè)物體原長度為物體原長度為l l，受力后，受力后產(chǎn)生產(chǎn)生ll的變形，其軸向的變形，其軸向應(yīng)變?yōu)閼?yīng)變?yōu)锳Fll一、應(yīng)變效應(yīng)一、應(yīng)變效應(yīng)

24、金屬電阻應(yīng)變片的工作原理是基于金屬電阻應(yīng)變片的工作原理是基于金屬導(dǎo)體的金屬導(dǎo)體的應(yīng)變效應(yīng)應(yīng)變效應(yīng)，即，即金屬導(dǎo)體在金屬導(dǎo)體在外力作用下發(fā)生機(jī)械變形時(shí)，其電阻外力作用下發(fā)生機(jī)械變形時(shí)，其電阻值隨著它所受機(jī)械變形值隨著它所受機(jī)械變形( (伸長或縮短伸長或縮短) )的變化而發(fā)生變化的現(xiàn)象的變化而發(fā)生變化的現(xiàn)象。 二二、 應(yīng)變效應(yīng)應(yīng)變效應(yīng)圖2-9 金屬電阻絲應(yīng)變效應(yīng)FlrrlF 當(dāng)電阻絲受到拉力F作用時(shí)， 將伸長l，橫截面積相應(yīng)減小A，電阻率因材料晶格發(fā)生變形等因素影響而改變了d，從而引起電阻值相對變化量為 dAdAldlRdR式中：dl/l長度相對變化量，用應(yīng)變表示為 ldl dA/A圓形電阻絲的截

25、面積相對變化量，設(shè)r為電阻絲的半徑，微分后可得dA=2r dr，則 rdrAdA2 由材料力學(xué)可知，在彈性范圍內(nèi)，金屬絲受拉力時(shí)，沿軸向伸長， 沿徑向縮短， 令dl/l=為金屬電阻絲的軸向應(yīng)變，那么軸向應(yīng)變和徑向應(yīng)變的關(guān)系可表示為 ldlrdr 式中, 為電阻絲材料的泊松比， 負(fù)號表示應(yīng)變方向相反。 或 通常把單位應(yīng)變能引起的電阻值變化稱為電阻絲的靈敏系數(shù)。 其物理意義是單位應(yīng)變所引起的電阻相對變化量，其表達(dá)式為 dRdRK21dRdR)21 ( 靈敏系數(shù)靈敏系數(shù)K受兩個(gè)因素影響：一個(gè)是應(yīng)變片受力后材料幾何受兩個(gè)因素影響：一個(gè)是應(yīng)變片受力后材料幾何尺寸的變化，尺寸的變化， 即即1+2；另一個(gè)是

26、應(yīng)變片受力后材料的電阻率發(fā)；另一個(gè)是應(yīng)變片受力后材料的電阻率發(fā)生的變化，生的變化， 即（即（d/）/。對金屬材料來說，電阻絲靈敏度系。對金屬材料來說，電阻絲靈敏度系數(shù)表達(dá)式中數(shù)表達(dá)式中1+2的值要比的值要比(d/)/大得多，而半導(dǎo)體材料的大得多，而半導(dǎo)體材料的(d/)/項(xiàng)的值比項(xiàng)的值比1+2大得多。大量實(shí)驗(yàn)證明，在電阻絲拉伸大得多。大量實(shí)驗(yàn)證明，在電阻絲拉伸極限內(nèi)，極限內(nèi)， 電阻的相對變化與應(yīng)變成正比，即電阻的相對變化與應(yīng)變成正比，即K為常數(shù)。為常數(shù)。 半導(dǎo)體應(yīng)變片是用半導(dǎo)體材料制成的，其工作原理是基于半半導(dǎo)體應(yīng)變片是用半導(dǎo)體材料制成的，其工作原理是基于半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)。壓阻效應(yīng)是指半導(dǎo)體

27、材料，當(dāng)某一軸向?qū)w材料的壓阻效應(yīng)。壓阻效應(yīng)是指半導(dǎo)體材料，當(dāng)某一軸向受外力作用時(shí)，受外力作用時(shí)， 其電阻率其電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象。發(fā)生變化的現(xiàn)象。 電阻絲相對變形范圍電阻絲相對變形范圍p對于每一種電阻絲，在一定的相對變形范圍內(nèi)，對于每一種電阻絲，在一定的相對變形范圍內(nèi)，無論受拉或受壓，金屬材料的靈敏系數(shù)將保持不無論受拉或受壓，金屬材料的靈敏系數(shù)將保持不變，即變，即K K值是恒定的。當(dāng)超出某一范圍時(shí)，值是恒定的。當(dāng)超出某一范圍時(shí)，K K值將值將發(fā)生變化。通常電阻絲的發(fā)生變化。通常電阻絲的K=17K=173636。由此可知，。由此可知，應(yīng)力值應(yīng)力值正比于應(yīng)變正比于應(yīng)變，而應(yīng)變，而應(yīng)變正比于電阻值

28、正比于電阻值的變化，所以，應(yīng)力的變化，所以，應(yīng)力正比于電阻值的變化，這正比于電阻值的變化，這就是利用金屬應(yīng)變片測量應(yīng)變的基本原理。就是利用金屬應(yīng)變片測量應(yīng)變的基本原理。圖圖2-10 金屬絲式應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)金屬絲式應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)金屬絲式應(yīng)變片金屬絲式應(yīng)變片應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)三、應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)、類型、材料和粘貼三、應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)、類型、材料和粘貼 1.1.應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)應(yīng)變片的結(jié)構(gòu) 金屬絲式應(yīng)變片由敏感柵、基片、覆蓋層和引線金屬絲式應(yīng)變片由敏感柵、基片、覆蓋層和引線等部分組成，為保持敏感柵固定的形狀、尺寸和等部分組成，為保持敏感柵固定的形狀、尺寸和位置，通常用黏結(jié)劑將敏感柵固結(jié)在紙質(zhì)或膠質(zhì)位置，通常用

29、黏結(jié)劑將敏感柵固結(jié)在紙質(zhì)或膠質(zhì)的基片上。應(yīng)變片工作時(shí)，基片起著把被測體應(yīng)的基片上。應(yīng)變片工作時(shí)，基片起著把被測體應(yīng)變準(zhǔn)確地傳遞給敏感柵的作用。為此，基片必須變準(zhǔn)確地傳遞給敏感柵的作用。為此，基片必須很薄，一般在很薄，一般在0.03mm0.06mm0.03mm0.06mm。覆蓋層與基片將電。覆蓋層與基片將電阻絲敏感柵緊密地粘貼在中間，對敏感柵起幾何阻絲敏感柵緊密地粘貼在中間，對敏感柵起幾何形狀固定和絕緣、防蝕、防損等保護(hù)作用，使電形狀固定和絕緣、防蝕、防損等保護(hù)作用，使電阻絲不受環(huán)境的損害。基底材料分為兩類，紙基阻絲不受環(huán)境的損害?；撞牧戏譃閮深?，紙基與塑基。紙基片由特殊用紙制成，與塑基。紙基

30、片由特殊用紙制成，試件黏結(jié)容易試件黏結(jié)容易p與試件黏結(jié)容易，使用溫度與試件黏結(jié)容易，使用溫度-5070-5070，缺點(diǎn)是易濕，一，缺點(diǎn)是易濕，一般多作為短期性測量之用。塑基片由酚醛、環(huán)氧聚酯等固般多作為短期性測量之用。塑基片由酚醛、環(huán)氧聚酯等固化制成，耐濕性、絕緣性、彈性系數(shù)均較好，溫度為化制成，耐濕性、絕緣性、彈性系數(shù)均較好，溫度為- -50175017，多用于長期使用儀表。其中聚酰亞胺材料性，多用于長期使用儀表。其中聚酰亞胺材料性能較好，溫度范圍為能較好，溫度范圍為-269400-269400，絕緣電阻，絕緣電阻23000M23000M以以上，可制成很薄的基片，如上，可制成很薄的基片，如0

31、.025mm0.025mm，各種性能優(yōu)良，伸，各種性能優(yōu)良，伸長率達(dá)長率達(dá)2020。敏感柵敏感柵p2)2)敏感柵。金屬絲式電阻應(yīng)變片的敏感柵由直敏感柵。金屬絲式電阻應(yīng)變片的敏感柵由直0. 01mm0. 01mm0.05mm0.05mm的金屬的金屬( (康銅、鎳鉻合金、貴金屬康銅、鎳鉻合金、貴金屬) )電阻絲平行排列電阻絲平行排列而成。而成。p3)3)引線。通常取直徑約引線。通常取直徑約0.1mm0.1mm0.15mm0.15mm的低阻鍍錫銅線，的低阻鍍錫銅線，連接敏感柵與測量電路。連接敏感柵與測量電路。p4)4)黏結(jié)劑。在制造應(yīng)變片時(shí)，用它分別把覆蓋層和敏感柵黏結(jié)劑。在制造應(yīng)變片時(shí)，用它分別把

32、覆蓋層和敏感柵固結(jié)于基片上；在使用應(yīng)變片時(shí)，用它把應(yīng)變片的基片再固結(jié)于基片上；在使用應(yīng)變片時(shí)，用它把應(yīng)變片的基片再粘貼在彈性體表面的被測部位。因此，它也起著傳遞應(yīng)變粘貼在彈性體表面的被測部位。因此，它也起著傳遞應(yīng)變的作用。的作用。p 2. 2.應(yīng)變片的類型應(yīng)變片的類型p 對金屬應(yīng)變片來說，可分為金屬絲式、金屬箔式和金屬對金屬應(yīng)變片來說，可分為金屬絲式、金屬箔式和金屬薄膜式三種。金屬絲式應(yīng)變片如前所述。金屬箔式應(yīng)變片薄膜式三種。金屬絲式應(yīng)變片如前所述。金屬箔式應(yīng)變片是利用光刻、腐蝕等工藝制成的一種厚度為是利用光刻、腐蝕等工藝制成的一種厚度為0.003mm0.003mm0.01mm0.01mm的金

33、屬箔柵，的金屬箔柵， 各種形狀的敏感柵各種形狀的敏感柵p可制成各種形狀的敏感柵。金屬箔式應(yīng)變片的橫向部分特可制成各種形狀的敏感柵。金屬箔式應(yīng)變片的橫向部分特別粗，可大大減少橫向效應(yīng)，且敏感柵的粘貼面積大，能別粗，可大大減少橫向效應(yīng)，且敏感柵的粘貼面積大，能更好地隨同試件變形。此外與金屬絲式應(yīng)變片相比，金屬更好地隨同試件變形。此外與金屬絲式應(yīng)變片相比，金屬箔式應(yīng)變片還具有散熱性能好，允許電流大，靈敏度高，箔式應(yīng)變片還具有散熱性能好，允許電流大，靈敏度高，壽命長，可制成任意形狀，易加工，生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn)，壽命長，可制成任意形狀，易加工，生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn)，所以，其使用范圍日益擴(kuò)大，已逐漸取代絲式應(yīng)變

34、片而占所以，其使用范圍日益擴(kuò)大，已逐漸取代絲式應(yīng)變片而占主要的地位。但需要注意，制造箔式應(yīng)變片的電阻值的分主要的地位。但需要注意，制造箔式應(yīng)變片的電阻值的分散性要比絲式的大，有的能相差幾十歐，故需要進(jìn)行電阻散性要比絲式的大，有的能相差幾十歐，故需要進(jìn)行電阻值的調(diào)整。為適應(yīng)不同形狀的應(yīng)變，敏感柵需與應(yīng)力分布值的調(diào)整。為適應(yīng)不同形狀的應(yīng)變，敏感柵需與應(yīng)力分布相適應(yīng)，應(yīng)變片常呈不同形狀，俗稱應(yīng)變花。相適應(yīng)，應(yīng)變片常呈不同形狀，俗稱應(yīng)變花。常用應(yīng)變片的形式常用應(yīng)變片的形式p圖圖2-112-11所示為常用應(yīng)變片的形式。圖所示為常用應(yīng)變片的形式。圖2-122-12所示為常用應(yīng)變所示為常用應(yīng)變片的實(shí)物圖。片

35、的實(shí)物圖。p圖圖2-112-11常用應(yīng)變片的形式常用應(yīng)變片的形式p圖圖2-122-12常用應(yīng)變片的實(shí)物圖常用應(yīng)變片的實(shí)物圖2-112-12應(yīng)變片的材料應(yīng)變片的材料p應(yīng)變片的材料應(yīng)變片的材料p 對電阻絲材料應(yīng)有如下要求：對電阻絲材料應(yīng)有如下要求：p1)1)應(yīng)有較大的應(yīng)變靈敏系數(shù)，并在所測應(yīng)變范圍內(nèi)保持為應(yīng)有較大的應(yīng)變靈敏系數(shù)，并在所測應(yīng)變范圍內(nèi)保持為常數(shù)；常數(shù)；p2)2)具有高而穩(wěn)定的電阻率，即在同樣長度、同樣橫截面積具有高而穩(wěn)定的電阻率，即在同樣長度、同樣橫截面積的電阻絲中具有較大的電阻的電阻絲中具有較大的電阻p值，以便制造小柵長的應(yīng)變片；值，以便制造小柵長的應(yīng)變片；p3)3)電阻溫度系數(shù)小，

36、否則因環(huán)境溫度變化也會改變其電阻電阻溫度系數(shù)小，否則因環(huán)境溫度變化也會改變其電阻值；值；p4)4)抗氧化能力高，耐腐蝕性能強(qiáng)；抗氧化能力高，耐腐蝕性能強(qiáng)；銅線的焊接性能銅線的焊接性能p5)5)與銅線的焊接性能好，與其他金屬的接觸電勢與銅線的焊接性能好，與其他金屬的接觸電勢??；??；p6)6)機(jī)械強(qiáng)度高，具有優(yōu)良的機(jī)械加工性能。機(jī)械強(qiáng)度高，具有優(yōu)良的機(jī)械加工性能。p 目前，康銅是應(yīng)用最廣泛的應(yīng)變絲材料，這是目前，康銅是應(yīng)用最廣泛的應(yīng)變絲材料，這是由于它有很多優(yōu)點(diǎn)：靈敏系數(shù)穩(wěn)定性好，不但在由于它有很多優(yōu)點(diǎn)：靈敏系數(shù)穩(wěn)定性好，不但在彈性變形范圍內(nèi)能保持為常數(shù)，進(jìn)入塑性變形范彈性變形范圍內(nèi)能保持為常數(shù)，

37、進(jìn)入塑性變形范圍內(nèi)也基本上能保持為常數(shù)；康銅的電阻溫度系圍內(nèi)也基本上能保持為常數(shù)；康銅的電阻溫度系數(shù)較小且穩(wěn)定，當(dāng)采用合適的熱處理工藝時(shí)，可數(shù)較小且穩(wěn)定，當(dāng)采用合適的熱處理工藝時(shí)，可使電阻溫度系數(shù)在使電阻溫度系數(shù)在505010-610-6的范圍內(nèi)；康的范圍內(nèi)；康銅的加工性能好，易于焊接，因此，國內(nèi)外多以銅的加工性能好，易于焊接，因此，國內(nèi)外多以康銅作為應(yīng)變絲材料?？点~作為應(yīng)變絲材料。康銅康銅NiNip(0100)(0100)p 最高使用最高使用p溫度溫度p 對銅的熱電對銅的熱電p勢勢(V(V)p線膨脹系數(shù)線膨脹系數(shù)p( (10-610-6)p 康銅康銅NiNipCu45Cu45p5515519

38、2921010450450252520300(20300(靜態(tài)靜態(tài)) )p 400( 400(動態(tài)動態(tài))4315)43154應(yīng)變片的粘貼p從應(yīng)變片測量應(yīng)變的基本原理中可以看出，首先要保證應(yīng)從應(yīng)變片測量應(yīng)變的基本原理中可以看出，首先要保證應(yīng)變片與被測物體共同產(chǎn)生變形，其次，要保證應(yīng)變片本身變片與被測物體共同產(chǎn)生變形，其次，要保證應(yīng)變片本身的電阻值的穩(wěn)定，才能得到準(zhǔn)確的應(yīng)變測量結(jié)果，這是應(yīng)的電阻值的穩(wěn)定，才能得到準(zhǔn)確的應(yīng)變測量結(jié)果，這是應(yīng)變片粘貼的基本原則。因此，應(yīng)變片本身的質(zhì)量和粘貼質(zhì)變片粘貼的基本原則。因此，應(yīng)變片本身的質(zhì)量和粘貼質(zhì)量的好壞對測量結(jié)果影響很大，應(yīng)變片必須牢固地粘貼在量的好壞對測

39、量結(jié)果影響很大，應(yīng)變片必須牢固地粘貼在試件的被測測點(diǎn)上，因此，對粘貼的技術(shù)要求十分嚴(yán)格。試件的被測測點(diǎn)上，因此，對粘貼的技術(shù)要求十分嚴(yán)格。下面具體說明粘貼應(yīng)變片的方法和技巧。下面具體說明粘貼應(yīng)變片的方法和技巧。(1)應(yīng)變片的選擇p在應(yīng)變片的靈敏系數(shù)在應(yīng)變片的靈敏系數(shù)K K相同的一批應(yīng)變片中，剔除相同的一批應(yīng)變片中，剔除電阻絲柵有形狀缺陷、片內(nèi)有氣泡、霉斑、銹點(diǎn)電阻絲柵有形狀缺陷、片內(nèi)有氣泡、霉斑、銹點(diǎn)等缺陷的應(yīng)變片。用數(shù)字萬用表的電阻擋測量應(yīng)等缺陷的應(yīng)變片。用數(shù)字萬用表的電阻擋測量應(yīng)變片的電阻值變片的電阻值R R，將電阻值差別在，將電阻值差別在22范圍內(nèi)的范圍內(nèi)的應(yīng)變片選出待用。應(yīng)變片選出待用

40、。p(2)(2)試件表面的處理試件表面的處理p 用銼刀和粗砂紙等工具將試件在鋼板上的貼用銼刀和粗砂紙等工具將試件在鋼板上的貼片位置的油污、漆層、銹跡、電鍍層除去，再用片位置的油污、漆層、銹跡、電鍍層除去，再用細(xì)砂紙打磨成細(xì)砂紙打磨成4545交叉紋，之后用鑷子夾起丙酮交叉紋，之后用鑷子夾起丙酮棉球?qū)①N片處擦洗干凈，至棉球潔白為止，如圖棉球?qū)①N片處擦洗干凈，至棉球潔白為止，如圖2-132-13所示。所示。試件圖圖2-13鋼試件應(yīng)變片粘貼處表面處理示意圖鋼試件應(yīng)變片粘貼處表面處理示意圖(3)測點(diǎn)定位p 應(yīng)變片粘貼的位置及方向?qū)?yīng)變測量的影響非應(yīng)變片粘貼的位置及方向?qū)?yīng)變測量的影響非常大，應(yīng)變片必須準(zhǔn)

41、確地粘貼在結(jié)構(gòu)或試件的應(yīng)常大，應(yīng)變片必須準(zhǔn)確地粘貼在結(jié)構(gòu)或試件的應(yīng)變測點(diǎn)上，而且粘貼方向必須是要測量的應(yīng)變方變測點(diǎn)上，而且粘貼方向必須是要測量的應(yīng)變方向。假設(shè)要測定試件的中心點(diǎn)的軸向應(yīng)變，為達(dá)向。假設(shè)要測定試件的中心點(diǎn)的軸向應(yīng)變，為達(dá)到上述要求，對于鋼構(gòu)件，要在試件上用鋼板尺到上述要求，對于鋼構(gòu)件，要在試件上用鋼板尺和劃針畫一個(gè)十字線和劃針畫一個(gè)十字線( (一根長，一根短一根長，一根短) )，十字線，十字線的交叉點(diǎn)對準(zhǔn)測點(diǎn)位置，較長的一根線要與應(yīng)變的交叉點(diǎn)對準(zhǔn)測點(diǎn)位置，較長的一根線要與應(yīng)變測量方向一致，如圖測量方向一致，如圖2-142-14所示。所示。p(4)(4)應(yīng)變片粘貼應(yīng)變片粘貼 注意分

42、清應(yīng)變片的正、反面注意分清應(yīng)變片的正、反面( (有有引出線引出的一面為正面引出線引出的一面為正面) )，用左手捏住應(yīng)變片的，用左手捏住應(yīng)變片的引起線，右引起線，右試件圖圖2-14鋼試件應(yīng)變片定位示意鋼試件應(yīng)變片定位示意圖圖導(dǎo)線固定導(dǎo)線固定p(5)(5)導(dǎo)線固定導(dǎo)線固定p 由于應(yīng)變片的引出線很細(xì)，特別是引出線與應(yīng)變片電由于應(yīng)變片的引出線很細(xì)，特別是引出線與應(yīng)變片電阻絲的連接強(qiáng)度很低，極易被拉斷，因此需要進(jìn)行過渡。阻絲的連接強(qiáng)度很低，極易被拉斷，因此需要進(jìn)行過渡。導(dǎo)線是將應(yīng)變片的感受信息傳遞給測試儀器的過渡線，其導(dǎo)線是將應(yīng)變片的感受信息傳遞給測試儀器的過渡線，其一端與應(yīng)變片的引出線相連，另一端與測

43、試儀器一端與應(yīng)變片的引出線相連，另一端與測試儀器( (通常為通常為應(yīng)變儀應(yīng)變儀) )相連接。應(yīng)變片的引線與接入應(yīng)變儀的導(dǎo)線一般相連接。應(yīng)變片的引線與接入應(yīng)變儀的導(dǎo)線一般通過中間接線柱通過中間接線柱( (片片) )焊接在一起。焊接在一起。絕緣度檢查絕緣度檢查p(6)(6)絕緣度檢查絕緣度檢查p 應(yīng)變片與試件之間必須是絕緣的，否則，實(shí)際應(yīng)變片與試件之間必須是絕緣的，否則，實(shí)際電阻就會是應(yīng)變片的電阻與試件電阻的并聯(lián)，從電阻就會是應(yīng)變片的電阻與試件電阻的并聯(lián)，從而導(dǎo)致測試的不準(zhǔn)確。檢查絕緣度就是用兆歐表而導(dǎo)致測試的不準(zhǔn)確。檢查絕緣度就是用兆歐表( (測量大電阻的專用儀器測量大電阻的專用儀器) )檢查應(yīng)

44、變片與試件之間檢查應(yīng)變片與試件之間的絕緣電阻，絕緣電阻為的絕緣電阻，絕緣電阻為50M50M以上為合格，低于以上為合格，低于50M50M則用紅外線燈烤至合格，若再達(dá)不到要求，則用紅外線燈烤至合格，若再達(dá)不到要求，則重貼。則重貼。 一般使用兆歐表進(jìn)行檢查。將兆歐表一般使用兆歐表進(jìn)行檢查。將兆歐表的的E E端接試件，端接試件，L L端接應(yīng)變片的引線，由慢至快地端接應(yīng)變片的引線，由慢至快地?fù)u動儀表的手柄，指針偏轉(zhuǎn)至某一位置基本不動搖動儀表的手柄，指針偏轉(zhuǎn)至某一位置基本不動時(shí)，讀數(shù)即為絕緣電阻值，如圖時(shí)，讀數(shù)即為絕緣電阻值，如圖2-162-16所示。所示。圖圖2-16絕緣度測量方法示意圖絕緣度測量方法示

45、意圖四、應(yīng)變片的主要特性p1.1.應(yīng)變片的電阻值應(yīng)變片的電阻值p 它是指未安裝的應(yīng)變片不受外力情況下，在室溫下測它是指未安裝的應(yīng)變片不受外力情況下，在室溫下測得的電阻值，也稱原始電阻值。應(yīng)變得的電阻值，也稱原始電阻值。應(yīng)變p片的電阻值已趨于標(biāo)準(zhǔn)化，有片的電阻值已趨于標(biāo)準(zhǔn)化，有6060、120120、350350、600600和和10001000的各種電阻值，其中以的各種電阻值，其中以120120最常用。所取最常用。所取電阻值大，可以加大應(yīng)變片承受電壓，因此輸出信號大，電阻值大，可以加大應(yīng)變片承受電壓，因此輸出信號大，但敏感柵尺寸也增大。但敏感柵尺寸也增大。2.靈敏系數(shù)p靈敏系數(shù)是指應(yīng)變片安裝于

46、試件表面，在其軸線方向的單向應(yīng)力作用下，應(yīng)變片的電阻值相對變化與試件表面上安裝應(yīng)變片區(qū)域的軸向應(yīng)變之比(式(2-9)，即pK=R/Rp 應(yīng)變片的電阻應(yīng)變特性與金屬單絲時(shí)不同，必須用試驗(yàn)方法對應(yīng)變片的靈敏系數(shù)K進(jìn)行測定。測定時(shí)必須按規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)，例如，受軸向單向力(拉或壓)，試件材料為泊松比=0.285的鋼等。一批產(chǎn)品中只能抽樣5的產(chǎn)品來測定，取平均值及允許公差值作為該批產(chǎn)品的靈敏系數(shù)，又稱標(biāo)稱靈敏系數(shù)。應(yīng)變片軸向受力及橫向效應(yīng)應(yīng)變片軸向受力及橫向效應(yīng)p當(dāng)將圖當(dāng)將圖2-172-17所示的應(yīng)變片粘貼在被測試件上時(shí)，所示的應(yīng)變片粘貼在被測試件上時(shí)，由于其敏感柵是由由于其敏感柵是由n n條長度為條長度為

47、l1l1的直線段和直線段的直線段和直線段端部的端部的n-1n-1個(gè)半徑為個(gè)半徑為r r的半圓圓弧或直線組成，若的半圓圓弧或直線組成，若該應(yīng)變片承受軸向應(yīng)力而產(chǎn)生縱向拉應(yīng)變時(shí)，則該應(yīng)變片承受軸向應(yīng)力而產(chǎn)生縱向拉應(yīng)變時(shí)，則各直線段電阻絲將變長變細(xì)，電阻將增加，但在各直線段電阻絲將變長變細(xì)，電阻將增加，但在半圓弧段則受到壓力的作用，半圓弧段電阻絲將半圓弧段則受到壓力的作用，半圓弧段電阻絲將變短變粗，電阻將減小。使得敏感柵的總電阻增變短變粗，電阻將減小。使得敏感柵的總電阻增加量小于沿軸向安放的同樣長度電阻絲電阻增加加量小于沿軸向安放的同樣長度電阻絲電阻增加量。量。 圖圖2-17應(yīng)變片軸向受力及橫向效應(yīng)

48、應(yīng)變片軸向受力及橫向效應(yīng)(a)應(yīng)變片及軸向受力圖；應(yīng)變片及軸向受力圖；(b)應(yīng)變片的橫向效應(yīng)圖應(yīng)變片的橫向效應(yīng)圖 應(yīng)變片及軸向受力圖應(yīng)變片及軸向受力圖p 綜上所述，將直的電阻絲繞成敏感柵后，雖然長綜上所述，將直的電阻絲繞成敏感柵后，雖然長度不變，應(yīng)變狀態(tài)相同，但由于應(yīng)變片的圓度不變，應(yīng)變狀態(tài)相同，但由于應(yīng)變片的圓p弧段將直線段電阻變化抵消了一部分，因此，敏弧段將直線段電阻變化抵消了一部分，因此，敏感柵的總電阻變化減小，所以，其靈敏系數(shù)感柵的總電阻變化減小，所以，其靈敏系數(shù)K K較整較整個(gè)電阻絲的靈敏系數(shù)個(gè)電阻絲的靈敏系數(shù)K0K0小，這種現(xiàn)象稱為應(yīng)變片小，這種現(xiàn)象稱為應(yīng)變片的橫向效應(yīng)。橫向效應(yīng)影

49、響與敏感柵的構(gòu)造及尺的橫向效應(yīng)。橫向效應(yīng)影響與敏感柵的構(gòu)造及尺寸有關(guān)，敏感柵的直線段越窄越長、圓弧段越寬寸有關(guān)，敏感柵的直線段越窄越長、圓弧段越寬越短，則橫向效應(yīng)影響越小。越短，則橫向效應(yīng)影響越小。 p為了減小橫向效應(yīng)產(chǎn)生的測量誤差，現(xiàn)在一般多采用箔式為了減小橫向效應(yīng)產(chǎn)生的測量誤差，現(xiàn)在一般多采用箔式應(yīng)變片。應(yīng)變片。p4.4.最大工作電流最大工作電流p 最大工作電流是指已安裝的應(yīng)變片允許通過敏感柵而不最大工作電流是指已安裝的應(yīng)變片允許通過敏感柵而不影響其工作特性的最大電流。工作電流大，輸出信號也大，影響其工作特性的最大電流。工作電流大，輸出信號也大，靈敏度就高。但工作電流過大會使應(yīng)變片過熱，嚴(yán)

50、重影響靈敏度就高。但工作電流過大會使應(yīng)變片過熱，嚴(yán)重影響其工作特性，甚至燒毀應(yīng)變片。該電流與應(yīng)變片本身、試其工作特性，甚至燒毀應(yīng)變片。該電流與應(yīng)變片本身、試件、黏結(jié)劑和環(huán)境有關(guān)。靜態(tài)測量時(shí)，絲式應(yīng)變片允許通件、黏結(jié)劑和環(huán)境有關(guān)。靜態(tài)測量時(shí)，絲式應(yīng)變片允許通過的最大工作電流一般為過的最大工作電流一般為25mA25mA左右，動態(tài)測量時(shí)可取左右，動態(tài)測量時(shí)可取75mA75mA100mA100mA。箔式應(yīng)變片散熱條件好，電流可取得更大。箔式應(yīng)變片散熱條件好，電流可取得更大一些。在測量塑料、玻璃、陶瓷等導(dǎo)熱性差的材料時(shí)，電一些。在測量塑料、玻璃、陶瓷等導(dǎo)熱性差的材料時(shí)，電流應(yīng)小一些。流應(yīng)小一些。 7零漂

51、和蠕變p 實(shí)際上，蠕變中即包含零漂，因?yàn)榱闫遣患訉?shí)際上，蠕變中即包含零漂，因?yàn)榱闫遣患虞d的情況，它是加載特性的特例。載的情況，它是加載特性的特例。 制作應(yīng)變片制作應(yīng)變片時(shí)內(nèi)部產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力和工作中出現(xiàn)的剪應(yīng)力，使時(shí)內(nèi)部產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力和工作中出現(xiàn)的剪應(yīng)力，使絲柵、基底，尤其是膠層之間產(chǎn)生的絲柵、基底，尤其是膠層之間產(chǎn)生的“滑移滑移”，將導(dǎo)致應(yīng)變片的零漂和蠕變。另外絲材、黏結(jié)劑、將導(dǎo)致應(yīng)變片的零漂和蠕變。另外絲材、黏結(jié)劑、基底等的變化也是造成應(yīng)變片零漂和蠕變的因素?；椎鹊淖兓彩窃斐蓱?yīng)變片零漂和蠕變的因素。選用彈性模量較大的黏結(jié)劑和基底材料，適當(dāng)減選用彈性模量較大的黏結(jié)劑和基底材料，適當(dāng)減薄膠層

52、和基底，并使之充分固化，有利于蠕變性薄膠層和基底，并使之充分固化，有利于蠕變性能的改善。能的改善。8.應(yīng)變極限和疲勞壽命p 應(yīng)變極限是衡量應(yīng)變片測量范圍和過載能力應(yīng)變極限是衡量應(yīng)變片測量范圍和過載能力的指標(biāo)，通常要求應(yīng)變片的應(yīng)變極限的指標(biāo)，通常要求應(yīng)變片的應(yīng)變極限lim8000lim8000。影響應(yīng)變極限的主要因素及改。影響應(yīng)變極限的主要因素及改善措施，與蠕變基本相同。善措施，與蠕變基本相同。 對于已安裝好的對于已安裝好的應(yīng)變片，在一定幅值的交變應(yīng)力作用下，連續(xù)工應(yīng)變片，在一定幅值的交變應(yīng)力作用下，連續(xù)工作到產(chǎn)生疲勞損壞時(shí)的循環(huán)次數(shù)，稱為應(yīng)變片的作到產(chǎn)生疲勞損壞時(shí)的循環(huán)次數(shù)，稱為應(yīng)變片的疲勞壽

53、命。它反映了應(yīng)變片對于動態(tài)應(yīng)變的適應(yīng)疲勞壽命。它反映了應(yīng)變片對于動態(tài)應(yīng)變的適應(yīng)能力，疲勞壽命與應(yīng)變片的取材、工藝和引線焊能力，疲勞壽命與應(yīng)變片的取材、工藝和引線焊接、粘貼質(zhì)量等因素有關(guān)，一般情況下循環(huán)次數(shù)接、粘貼質(zhì)量等因素有關(guān)，一般情況下循環(huán)次數(shù)可達(dá)可達(dá)105105107107。圖圖2-18應(yīng)變片的機(jī)械滯后特性應(yīng)變片的機(jī)械滯后特性圖圖2-19應(yīng)變片的應(yīng)變極限應(yīng)變片的應(yīng)變極限9應(yīng)變片的動態(tài)響應(yīng)特性p應(yīng)變片在測量頻率較高的動態(tài)應(yīng)變時(shí)，應(yīng)變是以應(yīng)變片在測量頻率較高的動態(tài)應(yīng)變時(shí)，應(yīng)變是以應(yīng)變波的形式在材料中傳播的，它的傳播速度與應(yīng)變波的形式在材料中傳播的，它的傳播速度與聲波相同，對于鋼材聲波相同，對于

54、鋼材v5000 mv5000 ms s。應(yīng)變波由試。應(yīng)變波由試件材料表面，經(jīng)黏合層、基片傳播到敏感柵，所件材料表面，經(jīng)黏合層、基片傳播到敏感柵，所需要的時(shí)間是非常短暫的，如應(yīng)變波在黏合層和需要的時(shí)間是非常短暫的，如應(yīng)變波在黏合層和基片中的傳播速度為基片中的傳播速度為1000m1000ms s，黏合層和基片的，黏合層和基片的總厚度為總厚度為0.05mm,0.05mm,則所需時(shí)間約為則所需時(shí)間約為5 510-8s10-8s，因此，因此可以忽略不計(jì)。但是由于應(yīng)變片的敏感柵相對較可以忽略不計(jì)。但是由于應(yīng)變片的敏感柵相對較長，當(dāng)應(yīng)變波在縱柵長度方向上傳播時(shí)，只有在長，當(dāng)應(yīng)變波在縱柵長度方向上傳播時(shí)，只有

55、在應(yīng)變波通過敏感柵全部長度后，應(yīng)變片所反映的應(yīng)變波通過敏感柵全部長度后，應(yīng)變片所反映的波形經(jīng)過一定時(shí)間的延遲，才能達(dá)到最大值。圖波形經(jīng)過一定時(shí)間的延遲，才能達(dá)到最大值。圖2-202-20所示為應(yīng)變片對階躍應(yīng)變的響應(yīng)特性所示為應(yīng)變片對階躍應(yīng)變的響應(yīng)特性圖圖2-20應(yīng)變片對階躍應(yīng)變的響應(yīng)特性應(yīng)變片對階躍應(yīng)變的響應(yīng)特性(a)應(yīng)變波為階躍波；應(yīng)變波為階躍波；(b)理論響應(yīng)特性；理論響應(yīng)特性；(c)實(shí)際響應(yīng)特性實(shí)際響應(yīng)特性五、應(yīng)變片的測量電路五、應(yīng)變片的測量電路p 由于機(jī)械應(yīng)變一般都很小，要把微小應(yīng)變引起的微小電由于機(jī)械應(yīng)變一般都很小，要把微小應(yīng)變引起的微小電阻變化測量出來，同時(shí)要把電阻相對變化阻變化測

56、量出來，同時(shí)要把電阻相對變化RRR R轉(zhuǎn)換為電轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化，因此，需要有專用的測量應(yīng)變變化而引壓或電流的變化，因此，需要有專用的測量應(yīng)變變化而引起電阻變化的起電阻變化的p測量電路。工程中通常采用直流電橋和交流電橋。測量電路。工程中通常采用直流電橋和交流電橋。p1.1.直流電橋直流電橋 p電橋電路如圖電橋電路如圖2-222-22所示，所示，當(dāng)RL時(shí)，電橋輸出電壓為電橋輸出電壓為)(4332110RRRRRREU 圖圖2-22惠斯登直流電橋惠斯登直流電橋 當(dāng)電橋平衡時(shí)，Uo=0，則有 R1R4=R2R3或 4321RRRR 上式為電橋平衡條件。這說明欲使電橋平衡，其相鄰兩臂電阻的比值應(yīng)相

57、等，或相對兩臂電阻的乘積應(yīng)相等。 應(yīng)變片工作時(shí)，其電阻值變化很小，電橋相應(yīng)輸出電應(yīng)變片工作時(shí)，其電阻值變化很小，電橋相應(yīng)輸出電壓也很小，一般需要加入放大器進(jìn)行放大。由于放大器的輸壓也很小，一般需要加入放大器進(jìn)行放大。由于放大器的輸入阻抗比橋路輸出阻抗高很多，所以此時(shí)仍視電橋?yàn)殚_路情入阻抗比橋路輸出阻抗高很多，所以此時(shí)仍視電橋?yàn)殚_路情況。當(dāng)受應(yīng)變時(shí)，若應(yīng)變片電阻變化為況。當(dāng)受應(yīng)變時(shí)，若應(yīng)變片電阻變化為R，其它橋臂固定不，其它橋臂固定不變，電橋輸出電壓變，電橋輸出電壓Uo0，則電橋不平衡，輸出電壓為，則電橋不平衡，輸出電壓為 2-23341211113443211414332111111)(RRR

58、RRRRRRRERRRRRRRRRRRRRRREUo 設(shè)橋臂比n=R2/R1，由于R1R1，分母中R1/R1可忽略， 并考慮到平衡條件R2/R1=R4/R3， 則上式可寫為 ERRnnUo112)1 (電橋電壓靈敏度電橋電壓靈敏度定義為 EnnRRUKoU211)1 ( 413112411311oRRRRUERRRRRR由dKU/dn = 0求KU的最大值，得 0)1 (132nndndKU求得n=1時(shí)，KU為最大值。這就是說，在供橋電壓確定后，當(dāng)R1=R2=R3=R4時(shí)，電橋電壓靈敏度最高，此時(shí)有 4411EKRREUUo 當(dāng)電源電壓E和電阻相對變化量R1/R1一定時(shí)， 電橋的輸出電壓及其靈

59、敏度也是定值，且與各橋臂電阻阻值大小無關(guān)。 (2)(2)半橋電路半橋電路p 為了減小和克服單臂電路的非線性誤差，常為了減小和克服單臂電路的非線性誤差，常采用差動電路，如圖采用差動電路，如圖2-242-24所示。在試件上安裝兩所示。在試件上安裝兩個(gè)工作應(yīng)變片：一個(gè)受拉應(yīng)變；一個(gè)受壓應(yīng)變；個(gè)工作應(yīng)變片：一個(gè)受拉應(yīng)變；一個(gè)受壓應(yīng)變；接入電橋相鄰橋臂，另兩個(gè)電阻接入電橋相鄰橋臂，另兩個(gè)電阻R R為固定電阻，稱為固定電阻，稱為半橋差動電路，差動半橋無非線性誤差，而且為半橋差動電路，差動半橋無非線性誤差，而且電橋電壓靈敏度是單臂電路的電橋電壓靈敏度是單臂電路的2 2倍。倍。2-24該電橋輸出電壓為 433

60、221111RRRRRRRRREUo若R1=R2，R1=R2，R3=R4，則得 112 RREUo Uo與R1/R1成線性關(guān)系，差動電橋無非線性誤差，而且電橋電壓靈敏度KU=E/2，是單臂工作時(shí)的兩倍，同時(shí)還具有溫度補(bǔ)償作用。 (3)全橋電路p若將電橋四臂接入四個(gè)應(yīng)變片，如圖若將電橋四臂接入四個(gè)應(yīng)變片，如圖2-252-25所示，所示，即兩個(gè)受拉應(yīng)變，兩個(gè)受壓應(yīng)變，將兩個(gè)應(yīng)變符即兩個(gè)受拉應(yīng)變，兩個(gè)受壓應(yīng)變，將兩個(gè)應(yīng)變符號相同的接入相對橋臂上，構(gòu)成全橋差動電路。號相同的接入相對橋臂上，構(gòu)成全橋差動電路。2-25 全橋電路全橋電路條件條件p在接入四個(gè)應(yīng)變片時(shí)，需滿足以下條件：相鄰橋在接入四個(gè)應(yīng)變片時(shí)