第二章-應(yīng)變式傳感器

1、第二章第二章 應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器傳感器原理及應(yīng)用2主要內(nèi)容金屬絲應(yīng)變效應(yīng)金屬絲應(yīng)變效應(yīng) （重點(diǎn)重點(diǎn)）金屬絲式應(yīng)變片的主要特性金屬絲式應(yīng)變片的主要特性 （難點(diǎn)難點(diǎn)）金屬絲式應(yīng)變傳感器測(cè)量電路金屬絲式應(yīng)變傳感器測(cè)量電路 （重點(diǎn)重點(diǎn)）金屬絲式應(yīng)變片溫度誤差及其補(bǔ)償金屬絲式應(yīng)變片溫度誤差及其補(bǔ)償 （重點(diǎn)，難點(diǎn)重點(diǎn)，難點(diǎn)）金屬絲式應(yīng)變傳感器的應(yīng)用金屬絲式應(yīng)變傳感器的應(yīng)用 （重點(diǎn)重點(diǎn)）壓阻式傳感器壓阻式傳感器(不講不講)金屬絲式應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)與材料金屬絲式應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)與材料3第一節(jié) 應(yīng)變式傳感器非電量非電量應(yīng)變應(yīng)變電阻應(yīng)變片電阻應(yīng)變片彈性元件彈性元件電阻變化電阻變化電量電量一一. .金屬電阻應(yīng)變片的工

2、作原理金屬電阻應(yīng)變片的工作原理1. 1. 工作原理工作原理導(dǎo)體的導(dǎo)體的 應(yīng)變應(yīng)變電阻電阻 效應(yīng)效應(yīng)金屬絲伸長(zhǎng)后幾何尺寸變化Strain gage transducerStrain gage transducer傳感器傳感器4 彈性元件具有彈性應(yīng)變特性的物體 應(yīng)變物體在外部壓力或拉力作用下發(fā)生形變的現(xiàn)象 彈性應(yīng)變當(dāng)外力去除后，物體能夠完全恢復(fù)其尺寸和形狀的應(yīng)變一一.金屬電阻應(yīng)變片的工作原理金屬電阻應(yīng)變片的工作原理電阻應(yīng)變片的工作原理是基于應(yīng)變效應(yīng)即導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料在外界力的作用下產(chǎn)生機(jī)械變形時(shí)，其電阻值相應(yīng)發(fā)生變化， 這種現(xiàn)象稱為“應(yīng)變效應(yīng)”。 5 當(dāng)電阻絲受到拉力F作用時(shí)， 將伸長(zhǎng)l，橫截面積

3、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，從而引起電阻值變化量為 dAdAldlRdR式中：dl/l長(zhǎng)度相對(duì)變化量，用應(yīng)變表示為 ldl2lldRddldAAAA電阻相對(duì)變化量：6 dA/A圓形電阻絲的截面積相對(duì)變化量，設(shè)r為電阻絲的半徑，微分后可得dA=2r dr，則 rdrAdA2材料力學(xué)：在彈性范圍內(nèi)，金屬絲受拉力時(shí)，沿軸向伸長(zhǎng)， 沿徑向縮短， 軸向應(yīng)變和徑向應(yīng)變的關(guān)系可表示為 ldlrdr為電阻絲材料的泊松比， 負(fù)號(hào)表示應(yīng)變方向相反。 7推得： 定義：電阻絲的靈敏系數(shù)電阻絲的靈敏系數(shù)（物理意義）：?jiǎn)挝粦?yīng)變所引起的電阻相對(duì)變化量。其表達(dá)式為 12sddRRK dRdR)21

4、 (材料材料幾何幾何尺寸尺寸變化變化材料物理材料物理特性變化特性變化ssRlKKRl8SKllllRR)/21 (靈敏度系數(shù)受兩個(gè)因素影響靈敏度系數(shù)受兩個(gè)因素影響: 受力后材料幾何尺寸的變化受力后材料幾何尺寸的變化, 即（即（1+2）;一般金一般金屬屬0.3，因此（，因此（1+2）1.6；受力后材料的電阻率發(fā)生的變化受力后材料的電阻率發(fā)生的變化, 即即(/ )/。 （稱（稱“壓阻效應(yīng)壓阻效應(yīng)”）9KS由兩部分組成的分析：對(duì)金屬材料：1+2(d/)/，以前者為主，則KS 1+2；對(duì)半導(dǎo)體材料：(d/)/1+2 ， KS值主要由電阻率相對(duì)變化所決定。大量實(shí)驗(yàn)證明，在電阻絲拉伸極限內(nèi)， 電阻的相對(duì)變

5、化與應(yīng)變成正比，即KS為常數(shù)。通常KS在1.83.6范圍內(nèi)。10主要結(jié)構(gòu)參數(shù)：主要結(jié)構(gòu)參數(shù)：bl 基寬敏感柵長(zhǎng)度基長(zhǎng),)(11,lb基 底 ： 長(zhǎng)寬規(guī)格以有效面積和電阻值來(lái)表示：規(guī)格以有效面積和電阻值來(lái)表示：120,)103(2mmElectronic resistance strain gage (Electronic resistance strain gage (計(jì)量器計(jì)量器) )bl柵長(zhǎng)柵長(zhǎng)柵寬柵寬基底基底蓋片蓋片引線引線敏感柵敏感柵二、金屬電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)和類型11（1）敏感柵 感受應(yīng)變，并將應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻的變化。敏感柵有絲式、 箔式和薄膜式三種。 由金屬細(xì)絲繞成柵形。電阻應(yīng)變片的電

6、阻值為60、120、200、350、600和1000等多種規(guī)格，以120最為常用。應(yīng)變片柵長(zhǎng)大小關(guān)系到所測(cè)應(yīng)變的準(zhǔn)確度，應(yīng)變片測(cè)得的應(yīng)變大小是應(yīng)變片柵長(zhǎng)和柵寬所在面積內(nèi)的平均軸向應(yīng)變量。（1）敏感柵12對(duì)敏感柵的材料的要求：應(yīng)變靈敏系數(shù)大，并在所測(cè)應(yīng)變范圍內(nèi)保持為常數(shù)；電阻率高而穩(wěn)定，以便于制造小柵長(zhǎng)的應(yīng)變片；電阻溫度系數(shù)要??；抗氧化能力高，耐腐蝕性能強(qiáng)；在工作溫度范圍內(nèi)能保持足夠的抗拉強(qiáng)度；加工性能良好,易于拉制成絲或軋壓成箔材；易于焊接，對(duì)引線材料的熱電勢(shì)小。對(duì)應(yīng)變片要求必須根據(jù)實(shí)際使用情況，合理選擇。13二、金屬電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)和類型絲式應(yīng)變片一般多用紙基，價(jià)格低、粘貼容易，但耐久性、耐

7、濕性較差，橫向效應(yīng)大，在要求不高時(shí)可用；常用材料：銅鎳合金類、銅錳合金類、鉑銥合金類、鎳鉻絲、卡瑪絲及銀鈀絲等。(a)(b)(c)類型：金屬絲式、箔式、薄膜式(1) 絲式：金屬絲 d=0.0150.05mm回線式或繞絲式回線式或繞絲式短接式短接式14幾種箔式應(yīng)變計(jì)(a)(b)(c)(d)(e)(f)(2) 箔式：（厚膜） 膜厚 25um左右 光刻 箔式應(yīng)變片多用膠基，可用于150以下的中溫和常溫測(cè)試，它絕緣性能好，參數(shù)分散性小，精度高，在應(yīng)變測(cè)量中應(yīng)用最廣泛。15（3）薄膜式： 膜厚 0.1um 沉積或真空蒸鍍 金屬膜式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。 優(yōu)點(diǎn)：溫

8、度系數(shù)小，可在高溫環(huán)境下工作。 缺點(diǎn)：耐磨性差、功率小、阻值不高(1k2k)。16（2）基底和蓋片（2）基底和蓋片 絕緣及傳遞應(yīng)變。要求基底準(zhǔn)確地把試件應(yīng)變傳遞給敏感柵。同時(shí)基片絕緣性能要好，否則應(yīng)變片微小電信號(hào)就要漏掉。 蓋片蓋片 由紙箔、膠質(zhì)膜等制成。 起保護(hù)作用：防濕、蝕、塵。 基底同時(shí)用于保持敏感柵、引線的幾何形狀和相對(duì)位置，蓋片既保持敏感柵和引線的形狀和相對(duì)位置，還可保護(hù)敏感柵?；椎娜L(zhǎng)稱為基底長(zhǎng)，其寬度稱為基底寬?；谆咨w片蓋片引線引線敏感柵敏感柵17（3）粘結(jié)劑 敏感柵與基底、基底與試件、基底與蓋片之間的粘結(jié)。 分有機(jī)和無(wú)機(jī)兩大類。有機(jī)粘結(jié)劑用于低溫、常溫和中溫。常用的有聚丙

9、烯酸酯、酚醛樹脂、有機(jī)硅樹脂，聚酰亞胺等。無(wú)機(jī)粘結(jié)劑用于高溫，常用的有磷酸鹽、硅酸、硼酸鹽等。（4）引線 連接電阻絲與測(cè)量電路，輸出電參量。是從應(yīng)變片的敏感柵中引出的細(xì)金屬線。對(duì)引線材料的性能要求：電阻率低、電阻溫度系數(shù)小、抗氧化性能好、易于焊接。大多數(shù)敏感柵材料都可制作引線。18應(yīng)變計(jì)金屬應(yīng)變片19測(cè)量范圍大；測(cè)量范圍大；靈敏度高、精確度高；靈敏度高、精確度高； 尺寸小、重量輕，簡(jiǎn)單尺寸小、重量輕，簡(jiǎn)單; ;適應(yīng)性強(qiáng)；適應(yīng)性強(qiáng)；便于多點(diǎn)測(cè)量便于多點(diǎn)測(cè)量; ;頻率響應(yīng)特性好。頻率響應(yīng)特性好。金屬應(yīng)變片的優(yōu)點(diǎn)20三、金屬應(yīng)變片的工作特性 1 1、靈敏系數(shù)：、靈敏系數(shù)：/R RKsKK實(shí)驗(yàn)表明：實(shí)

10、驗(yàn)表明：應(yīng)變片的靈敏系數(shù)恒小于電阻絲的應(yīng)變片的靈敏系數(shù)恒小于電阻絲的靈敏系數(shù)。靈敏系數(shù)。 金屬絲做成應(yīng)變計(jì)后, 由于基片、粘合劑以及敏感柵的橫向效應(yīng), 電阻應(yīng)變特性與單根金屬絲將有所不同, 必須重新用實(shí)驗(yàn)來(lái)測(cè)定。 試件材料用泊松系數(shù) =0.285的鋼。用精密電阻電橋或其他儀器測(cè)出應(yīng)變計(jì)相對(duì)電阻變化, 再用其他測(cè)應(yīng)變的儀器測(cè)定試件的應(yīng)變, 得出電阻應(yīng)變計(jì)的電阻應(yīng)變特性。 21 因一般應(yīng)變計(jì)粘貼到試件上后不能取下再用, 只能在每批產(chǎn)品中提取一定百分比（如 5%）的產(chǎn)品進(jìn)行測(cè)定, 取其平均值作為這一批產(chǎn)品的靈敏度系數(shù)。這就是產(chǎn)品包裝盒上注明的靈敏度系數(shù), 或稱“標(biāo)稱靈敏度系數(shù)”。222 2、橫向效應(yīng)

11、、橫向效應(yīng)直線段：軸向拉應(yīng)變直線段：軸向拉應(yīng)變 ，電阻值增大電阻值增大x圓弧段：除存在軸向應(yīng)圓弧段：除存在軸向應(yīng)變外，還存在橫向負(fù)應(yīng)變外，還存在橫向負(fù)應(yīng)變變 ，造成電，造成電阻值減小，因而靈敏度阻值減小，因而靈敏度減小。減小。xy 可見弧長(zhǎng)ls愈短, 柵長(zhǎng)l愈長(zhǎng), 橫向效應(yīng)愈小?；蛘哒f(shuō)敏感柵愈窄, 基長(zhǎng)愈長(zhǎng)的應(yīng)變計(jì), 其橫向效應(yīng)引起的誤差越小。 233. 3.機(jī)械滯后機(jī)械滯后m原因：殘余變形原因：殘余變形4. 4.零漂和蠕變零漂和蠕變零漂：零漂：,(constT溫度）當(dāng) t，指示真實(shí)而0蠕變：蠕變：,(constT溫度）當(dāng) tconst，指示真實(shí)而機(jī)械滯后 貼有應(yīng)變計(jì)的試件進(jìn)行加載貼有應(yīng)變計(jì)的

12、試件進(jìn)行加載和卸載時(shí)和卸載時(shí), , 其其R/R-R/R-特性曲線不特性曲線不重合。把加載和卸載特性曲線重合。把加載和卸載特性曲線的最大差值稱為應(yīng)變計(jì)的機(jī)械的最大差值稱為應(yīng)變計(jì)的機(jī)械滯后值。滯后值。245. 5.應(yīng)變極限和疲勞壽命應(yīng)變極限和疲勞壽命表明應(yīng)變片在不超過(guò)規(guī)定非線性誤差（一般表明應(yīng)變片在不超過(guò)規(guī)定非線性誤差（一般為為1010）時(shí)，所能經(jīng)受的最大真實(shí)應(yīng)變值。）時(shí)，所能經(jīng)受的最大真實(shí)應(yīng)變值。e疲勞壽命：在恒定幅值交變力的作用下，連續(xù)工作不產(chǎn)疲勞壽命：在恒定幅值交變力的作用下，連續(xù)工作不產(chǎn)生疲勞損壞的循環(huán)次數(shù)生疲勞損壞的循環(huán)次數(shù)N.N.256 6、最大工作電流和絕緣電阻、最大工作電流和絕緣電

13、阻最大工作電流：最大工作電流：允許通過(guò)應(yīng)變片而不影響其工作的最大電流值。允許通過(guò)應(yīng)變片而不影響其工作的最大電流值。靜態(tài)測(cè)量約取靜態(tài)測(cè)量約取25mA25mA， 動(dòng)態(tài)測(cè)量可高一些。動(dòng)態(tài)測(cè)量可高一些。絕緣電阻：應(yīng)變片引線和被測(cè)試件之間的電阻值絕緣電阻：應(yīng)變片引線和被測(cè)試件之間的電阻值要求：要求：MM100507 7、應(yīng)變片的電阻值、應(yīng)變片的電阻值應(yīng)變片未經(jīng)安裝、不受力、室溫下測(cè)得的電阻值應(yīng)變片未經(jīng)安裝、不受力、室溫下測(cè)得的電阻值目前常用的電阻系列有：60、120、200、350、500、1000、1500等，其中以120最常用。 26四、溫度誤差及補(bǔ)償（一）溫度誤差 1) 電阻溫度系數(shù)1()ttRt

14、R2) 線膨脹系數(shù)不同，使電阻變化22()ttegRKtRt：電阻溫度系數(shù)e ：試件膨脹系數(shù)g ：敏感柵膨脹系數(shù)相應(yīng)的虛假應(yīng)變?yōu)閠tegtRKttRK 結(jié)論結(jié)論：因環(huán)境溫度變化而引起的附加電阻的相對(duì)變化量，除了與環(huán)境溫度有關(guān)外，還與應(yīng)變片自身的性能參數(shù)（K, t, g）以及被測(cè)試件線膨脹系數(shù)e有關(guān)。 27溫度誤差的大小()egRtKtR 例如試件為鋼材，電阻絲為康銅絲，=2010-6/, e=1110-6/, g= 1510-6/，K=2,鋼材的彈性模量E=20104N/mm2, 在t=1 時(shí)：t= 1引起的應(yīng)變變化：引起的應(yīng)變變化：66 10tRRKmmNE/2 . 1106102064 因

15、此，當(dāng)電阻應(yīng)變片的測(cè)量范圍為100120N/mm時(shí)，如果溫度變化1，則將造成1%以上的測(cè)量誤差。t= 1引起的電阻相對(duì)變化：引起的電阻相對(duì)變化：引起的應(yīng)力變化：引起的應(yīng)力變化：28(二) 溫度補(bǔ)償 電阻應(yīng)變片的溫度補(bǔ)償方法通常有應(yīng)變片自補(bǔ)償法和線路補(bǔ)償法兩大類。 1自補(bǔ)償法(1)單絲自補(bǔ)償法：用熱處理的方法調(diào)整柵絲的溫度系數(shù)要實(shí)現(xiàn)溫度自補(bǔ)償, 必須有電阻絲材料與被測(cè)材料配合恰當(dāng)，基本滿足上式。/()ttegRKttRK 0getKtegK 29 每一種材料的被測(cè)試件，其線膨脹系數(shù) 都為確定值，可以在有關(guān)的材料手冊(cè)中查到。在選擇應(yīng)變片時(shí)，若應(yīng)變片的敏感柵是用單一的合金絲制成，并使其電阻溫度系數(shù)

16、和線膨脹系數(shù) 滿足上式的條件，即可實(shí)現(xiàn)溫度自補(bǔ)償。具有這種敏感柵的應(yīng)變片稱為單絲自補(bǔ)償應(yīng)變片。 單絲自補(bǔ)償應(yīng)變片的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造和使單絲自補(bǔ)償應(yīng)變片的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造和使用都比較方便，但它必須在具有一定線膨脹系數(shù)材料用都比較方便，但它必須在具有一定線膨脹系數(shù)材料的試件上使用，否則不能達(dá)到溫度自補(bǔ)償?shù)哪康?。的試件上使用，否則不能達(dá)到溫度自補(bǔ)償?shù)哪康?。etg30(2)(2)雙絲組合式自補(bǔ)償應(yīng)變片雙絲組合式自補(bǔ)償應(yīng)變片 是由兩種不同電阻溫度系數(shù)（一種為正值，一種為負(fù)值）的材料串聯(lián)組成敏感柵，以達(dá)到一定的溫度范圍內(nèi)在一定材料的試件上實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償?shù)模鐖D。這種應(yīng)變片的自補(bǔ)償條件要求粘貼在某種試

17、件上的兩段敏感柵兩段敏感柵，隨溫度變化而產(chǎn)生的電阻增量大小相等，符號(hào)相反，隨溫度變化而產(chǎn)生的電阻增量大小相等，符號(hào)相反，即焊點(diǎn)RaRbaeaabebbtaatbbbaKKRRRRRR補(bǔ)償效果可達(dá)0.45。tbtaRR)()(312、電路補(bǔ)償法(2)直接補(bǔ)償如圖應(yīng)變片直接粘貼在試件上下兩側(cè)(3)熱敏電阻R1工作應(yīng)變片，安裝在被測(cè)試件上；RB補(bǔ)償應(yīng)變片，安裝在補(bǔ)償塊上，與被測(cè)試件溫度相同，但不承受應(yīng)變。(1)采用溫度補(bǔ)償應(yīng)變片 在應(yīng)變片工作過(guò)程中，保證在應(yīng)變片工作過(guò)程中，保證R3=R4。 R1和和RB兩個(gè)應(yīng)變片應(yīng)具有相同兩個(gè)應(yīng)變片應(yīng)具有相同的電阻溫度系數(shù)的電阻溫度系數(shù)、線膨脹系數(shù)、線膨脹系數(shù)、應(yīng)變

18、靈敏度系數(shù)應(yīng)變靈敏度系數(shù)K和初始電阻值和初始電阻值R0。 粘貼補(bǔ)償片的補(bǔ)償塊材料和粘粘貼補(bǔ)償片的補(bǔ)償塊材料和粘貼工作片的被測(cè)試件材料必須一貼工作片的被測(cè)試件材料必須一樣，兩者線膨脹系數(shù)相同。樣，兩者線膨脹系數(shù)相同。 兩應(yīng)變片應(yīng)處于同一溫度場(chǎng)。兩應(yīng)變片應(yīng)處于同一溫度場(chǎng)。 32五.轉(zhuǎn)換電路(一)直流電橋平衡條件：R1 R4 =R2 R30oI則，不平衡時(shí)，求得負(fù)載電流：1423123412343412oLE R RR RIRRRRRR RRRR RRR輸出電壓LooRIU 1.一般情況求取的方法是戴維求取的方法是戴維南定理南定理33時(shí)，若LR14231234oE R RR RURRRR當(dāng)電阻引起增

19、量時(shí) 1144223311223344oRRRRRRRRUERRRRRRRR設(shè)等臂電橋1234RRRRR14231423123422oRRRRRRRRRUERRRRRR2.當(dāng) 時(shí)LRiRR 當(dāng) 時(shí)31240()4RRRREURRRR1234()4EK34此式表明：a.當(dāng) 時(shí)，電橋輸出電壓與應(yīng)變成線性關(guān)系。b.若相鄰兩橋臂的應(yīng)變極性一致，即同為拉應(yīng)變或壓應(yīng)變時(shí)，輸出電壓為兩相鄰橋臂之差；若相鄰兩橋臂的極性不一致時(shí)，則輸出電壓為兩者之和。c.若相對(duì)橋臂的應(yīng)變極性一致，輸出電壓為兩者之和；反之為兩者之差。31240()4RRRREURRRR1234()4EKiRR35（二）直流電橋的非線性誤差（二）

20、直流電橋的非線性誤差當(dāng)僅橋臂當(dāng)僅橋臂ABAB工作時(shí)輸出電壓為工作時(shí)輸出電壓為01E R44EKUR1110E RE R1R11(1)42 R4242EKUKRRR 23231111111442482484EKEKKKKKKKEK(1)K 23011114248EKUKKK12K單臂工作時(shí)稱單臂工作時(shí)稱為惠斯通電橋?yàn)榛菟雇姌?64.兩臂差動(dòng)工作311112234oRRRUERRRRRR輸出靈敏度提高一倍，并有溫度補(bǔ)償作用。2oERUR等臂時(shí)，時(shí)當(dāng)RR得：時(shí)，若LR考慮兩臂差動(dòng)工作時(shí)考慮兩臂差動(dòng)工作時(shí)有沒有非線性誤差？有沒有非線性誤差？37四臂差動(dòng)進(jìn)一步提高輸出靈敏度。oRUER38六. 應(yīng)變式

21、傳感器（一）應(yīng)變式傳感器的組成應(yīng)變片粘貼1.受力構(gòu)件2.彈性元件彈性元件設(shè)計(jì)主要要求：靈敏度高，剛度夠足，線性好，固有振動(dòng)頻率高（二）電阻應(yīng)變式力傳感器測(cè)量范圍廣：N721010精度高：FSFS%05. 0%03. 0線性好；工作性能穩(wěn)定、可靠391. 柱力式傳感器圓柱式力傳感器的彈性元件分為實(shí)心和空心兩種。柱式力傳感器-2+1截面積SFFF面積S-1+2b）a）a) 柱形柱形 b）筒形）筒形40在軸向布置一個(gè)或幾個(gè)應(yīng)變片，在圓周方向布置同樣數(shù)目的應(yīng)變片，后者取符號(hào)相反的橫向應(yīng)變，從而構(gòu)成了差動(dòng)對(duì)。由于應(yīng)變片沿圓周方向分布，所以非軸向載荷分量被補(bǔ)償，在與軸線任意夾角的方向，其應(yīng)變?yōu)?： 2cos11211沿軸向的應(yīng)變；彈性元件的泊松比。41軸向的應(yīng)變片感受的應(yīng)變：當(dāng)=0時(shí)SEF1圓