第3章 應(yīng)變片1工作原理

1、 第第3 3章章 應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器 3.1 3.1 工作原理工作原理 3.2 3.2 應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)、材料及粘貼應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)、材料及粘貼 3.3 3.3 電阻應(yīng)變片的特性電阻應(yīng)變片的特性 3.4 3.4 電阻應(yīng)變片的測(cè)量電路電阻應(yīng)變片的測(cè)量電路 3.5 3.5 應(yīng)變片傳感器的應(yīng)用應(yīng)變片傳感器的應(yīng)用應(yīng)變電阻應(yīng)變片電阻變化電阻應(yīng)變片（應(yīng)變片）電阻應(yīng)變式傳感器：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、電阻應(yīng)變式傳感器：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、測(cè)量范圍廣、頻率響應(yīng)特性好、適合動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍廣、頻率響應(yīng)特性好、適合動(dòng)態(tài)和靜態(tài)測(cè)量、使用壽命長(zhǎng)、性能穩(wěn)定可和靜態(tài)測(cè)量、使用壽命長(zhǎng)、性能穩(wěn)定可靠靠 3.1 工工 作原理作原理 3.1.

2、1 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)變效應(yīng)：電阻應(yīng)變效應(yīng)： 導(dǎo)體導(dǎo)體在外界在外界力力的作用下產(chǎn)生機(jī)械的作用下產(chǎn)生機(jī)械變變形（拉伸或壓縮）形（拉伸或壓縮）時(shí)，時(shí)， 其其電阻值電阻值相應(yīng)發(fā)生變化。相應(yīng)發(fā)生變化。 一根金屬電阻絲，未受力時(shí)，原始一根金屬電阻絲，未受力時(shí)，原始電阻值為電阻值為 lRA 圖3-1 金屬電阻絲應(yīng)變效應(yīng) 當(dāng)電阻絲受到拉力當(dāng)電阻絲受到拉力 F 作用時(shí)，作用時(shí)， 當(dāng)電阻絲受到拉力當(dāng)電阻絲受到拉力 F 作用時(shí)，作用時(shí)， 將伸長(zhǎng)將伸長(zhǎng)l， 橫截面積相應(yīng)減小橫截面積相應(yīng)減小A， 電阻率電阻率因材料晶格發(fā)生變形等因素因材料晶格發(fā)生變形等因素影響而改變了影響而改變了

3、d， 從而引起電阻值相對(duì)變化量為從而引起電阻值相對(duì)變化量為 dl/l長(zhǎng)度相對(duì)變化量，稱為長(zhǎng)度相對(duì)變化量，稱為應(yīng)變應(yīng)變 dRdldAdRlA d ll ， 2dAdrAr drdlrl 為電阻絲材料的為電阻絲材料的泊松比泊松比，負(fù)號(hào)表示應(yīng)變方向相反。負(fù)號(hào)表示應(yīng)變方向相反。 dl/l=為金屬電阻絲的為金屬電阻絲的軸向應(yīng)變軸向應(yīng)變，軸，軸向應(yīng)變和向應(yīng)變和徑向應(yīng)變徑向應(yīng)變的關(guān)系為的關(guān)系為 單位應(yīng)變所引起的電阻相對(duì)變化量單位應(yīng)變所引起的電阻相對(duì)變化量稱為電阻絲的稱為電阻絲的靈敏系數(shù)靈敏系數(shù)。 (12)ddRR12dd RRK K 受兩個(gè)因素影響：受兩個(gè)因素影響： 一個(gè)是應(yīng)變片受力后一個(gè)是應(yīng)變片受力后材料

4、幾何尺寸材料幾何尺寸的變化，即的變化，即1+2； 另一個(gè)是應(yīng)變片受力后材料的另一個(gè)是應(yīng)變片受力后材料的電阻電阻率率發(fā)生的變化，即（發(fā)生的變化，即（d/）/。 對(duì)金屬材料，對(duì)金屬材料， 1+2的值要比的值要比(d/)/大得多，大得多， 而半導(dǎo)體材料的而半導(dǎo)體材料的(d/)/項(xiàng)的值比項(xiàng)的值比1+2大得多。大得多。 在在電阻絲拉伸極限內(nèi)電阻絲拉伸極限內(nèi)，電阻的相對(duì)，電阻的相對(duì)變化與應(yīng)變成正比，即變化與應(yīng)變成正比，即K為為常數(shù)常數(shù)。 半導(dǎo)體應(yīng)變片是用半導(dǎo)體材料制成半導(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)體材料的壓的，其工作原理是基于半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)。阻效應(yīng)。 壓阻效應(yīng)：壓阻效應(yīng)： 當(dāng)

5、當(dāng)半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體材料受到某一軸向外力作受到某一軸向外力作用時(shí)，其用時(shí)，其電阻率電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象。發(fā)生變化的現(xiàn)象。 3.1.2 半導(dǎo)體電阻應(yīng)變片的工作原理半導(dǎo)體電阻應(yīng)變片的工作原理 當(dāng)半導(dǎo)體應(yīng)變片受軸向力作用時(shí)，當(dāng)半導(dǎo)體應(yīng)變片受軸向力作用時(shí)， (12)d RdR dE 半導(dǎo)體材料的半導(dǎo)體材料的壓阻系數(shù)壓阻系數(shù)； 半導(dǎo)體材料所受半導(dǎo)體材料所受應(yīng)變力應(yīng)變力; E 半導(dǎo)體材料的半導(dǎo)體材料的彈性模量彈性模量; 半導(dǎo)體材料的半導(dǎo)體材料的應(yīng)變應(yīng)變。 (12)d RER 對(duì)于對(duì)于半導(dǎo)體半導(dǎo)體應(yīng)變片，應(yīng)變片， E 比比 1+2大上百倍，大上百倍， 1+2可以忽略?？梢院雎?。 半導(dǎo)體應(yīng)變片的半導(dǎo)體應(yīng)變片的

6、K 比金屬絲式高比金屬絲式高5080倍倍， 但但半導(dǎo)體材料的溫度系數(shù)大半導(dǎo)體材料的溫度系數(shù)大， 應(yīng)變時(shí)非線性比較嚴(yán)重，應(yīng)變時(shí)非線性比較嚴(yán)重， 使它的應(yīng)用范圍受到一定的限制。使它的應(yīng)用范圍受到一定的限制。d RRKE 應(yīng)力應(yīng)力與與應(yīng)變應(yīng)變的關(guān)系：的關(guān)系： = E 3.2 應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)、材料及粘貼應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)、材料及粘貼 3.2.1 金屬電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)金屬電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu) 引線覆蓋層基片電阻絲式敏感柵lb 敏感柵敏感柵是應(yīng)變片的核心部分，它粘是應(yīng)變片的核心部分，它粘貼在貼在絕緣的基片絕緣的基片上，其上再粘貼起保護(hù)上，其上再粘貼起保護(hù)作用的作用的覆蓋層覆蓋層，兩端焊接引出導(dǎo)線。，兩端焊接引出導(dǎo)線。

7、 金屬電阻應(yīng)變片的敏感柵的形式：金屬電阻應(yīng)變片的敏感柵的形式： 絲式絲式和和箔式箔式， 絲式敏感柵的直徑絲式敏感柵的直徑0.010.05mm ， 平行排列而成。平行排列而成。 箔式應(yīng)變片是利用箔式應(yīng)變片是利用光刻光刻、腐蝕腐蝕等工等工藝制成的很薄的金屬箔柵，藝制成的很薄的金屬箔柵， 其厚度為其厚度為0.0030.01mm，可制成各，可制成各種形狀的敏感柵（即種形狀的敏感柵（即應(yīng)變花應(yīng)變花）。）。 箔式應(yīng)變片的優(yōu)點(diǎn)：箔式應(yīng)變片的優(yōu)點(diǎn)： 表面積和截面積之比大，表面積和截面積之比大， 散熱性能好，散熱性能好， 允許通過(guò)的電流較大，允許通過(guò)的電流較大， 可制成各種形狀，便于批量生產(chǎn)?？芍瞥筛鞣N形狀，便

8、于批量生產(chǎn)。 覆蓋層與基片將敏感柵緊密地粘貼覆蓋層與基片將敏感柵緊密地粘貼在中間，在中間， 對(duì)敏感柵起幾何形狀的對(duì)敏感柵起幾何形狀的固定固定和和絕緣絕緣、保護(hù)保護(hù)作用。作用。 基片將被測(cè)體的應(yīng)變準(zhǔn)確地基片將被測(cè)體的應(yīng)變準(zhǔn)確地傳遞傳遞到到敏感柵上，敏感柵上， 基片很薄，基片很薄，0.030.06mm, 基片與被測(cè)體及敏感柵能牢固地粘基片與被測(cè)體及敏感柵能牢固地粘合在一起。合在一起。 基片要求有良好的性能：基片要求有良好的性能： 絕緣性能絕緣性能 抗潮性能抗潮性能 耐熱性能耐熱性能 基片和覆蓋層的材料：基片和覆蓋層的材料： 膠膜膠膜 紙紙 玻璃纖維布等。玻璃纖維布等。 3.2.2 金屬電阻應(yīng)變片的

9、材料金屬電阻應(yīng)變片的材料 對(duì)電阻絲材料的要求：對(duì)電阻絲材料的要求： 靈敏系數(shù)靈敏系數(shù)大大， 且在相當(dāng)大的應(yīng)變范圍內(nèi)保持且在相當(dāng)大的應(yīng)變范圍內(nèi)保持常數(shù)常數(shù)； 值大，即在同樣長(zhǎng)度、同樣橫值大，即在同樣長(zhǎng)度、同樣橫截面積的電阻絲中具有較大的電阻值；截面積的電阻絲中具有較大的電阻值； 電阻溫度系數(shù)小電阻溫度系數(shù)小，否則因環(huán)境溫，否則因環(huán)境溫度變化也會(huì)改變其阻值；度變化也會(huì)改變其阻值； 與銅線的與銅線的焊接焊接性能好，性能好， 與其它金屬的與其它金屬的接觸電勢(shì)接觸電勢(shì)?。恍。?機(jī)械強(qiáng)度高，機(jī)械強(qiáng)度高， 具有優(yōu)良的機(jī)械加工性能。具有優(yōu)良的機(jī)械加工性能。 表表3-1 常用金屬電阻絲材料的性能常用金屬電阻絲材

10、料的性能 康銅（鎳康銅（鎳Ni：45；銅；銅Cu：55）是目前應(yīng)用最廣泛的應(yīng)變絲材料。是目前應(yīng)用最廣泛的應(yīng)變絲材料。 鎳：近似鎳：近似銀白色銀白色、硬而有延展性并、硬而有延展性并具有鐵磁性的金屬元素具有鐵磁性的金屬元素, 它能夠高度磨光和抗腐蝕。它能夠高度磨光和抗腐蝕。 康銅的特性：康銅的特性： 靈敏系數(shù)穩(wěn)定性好，靈敏系數(shù)穩(wěn)定性好， 不但在不但在彈性彈性變形范圍內(nèi)能保持為常數(shù)，變形范圍內(nèi)能保持為常數(shù)， 進(jìn)入進(jìn)入塑性塑性變形范圍內(nèi)也基本上能保變形范圍內(nèi)也基本上能保持為常數(shù)；持為常數(shù)； 康銅的電阻溫度系數(shù)較小且穩(wěn)定，康銅的電阻溫度系數(shù)較小且穩(wěn)定， 采用合適的熱處理工藝時(shí)，可使電采用合適的熱處理工藝

11、時(shí)，可使電阻溫度系數(shù)在阻溫度系數(shù)在50106/的范圍內(nèi)；的范圍內(nèi)； 康銅的加工性能好，易于康銅的加工性能好，易于焊接焊接， 國(guó)內(nèi)外多以康銅作為應(yīng)變絲材料。國(guó)內(nèi)外多以康銅作為應(yīng)變絲材料。 3.2.3 金屬電阻應(yīng)變片的粘貼金屬電阻應(yīng)變片的粘貼 應(yīng)變片用應(yīng)變片用粘結(jié)劑粘結(jié)劑粘貼到被測(cè)件上。粘貼到被測(cè)件上。 粘結(jié)劑形成的粘結(jié)劑形成的膠層膠層必須準(zhǔn)確迅速地必須準(zhǔn)確迅速地將被測(cè)件的應(yīng)變將被測(cè)件的應(yīng)變傳遞傳遞到敏感柵上。到敏感柵上。 選擇選擇粘結(jié)劑粘結(jié)劑時(shí)必須考慮應(yīng)變片材料時(shí)必須考慮應(yīng)變片材料和被測(cè)件材料性能，粘接力強(qiáng)，機(jī)械性和被測(cè)件材料性能，粘接力強(qiáng)，機(jī)械性能可靠，能可靠， 粘合層要有足夠大的剪切彈性模量

12、，粘合層要有足夠大的剪切彈性模量，良好的電絕緣性，良好的電絕緣性，蠕變?nèi)渥兒秃蜏鬁笮?，耐濕，小，耐濕，耐油，耐老化，?dòng)態(tài)測(cè)量時(shí)耐疲勞等。耐油，耐老化，動(dòng)態(tài)測(cè)量時(shí)耐疲勞等。 蠕變?nèi)渥儯涸跍囟纫欢〞r(shí)，應(yīng)變片承受：在溫度一定時(shí)，應(yīng)變片承受一恒定的機(jī)械應(yīng)變時(shí)，指示應(yīng)變隨時(shí)間一恒定的機(jī)械應(yīng)變時(shí)，指示應(yīng)變隨時(shí)間變化。變化。 還要考慮應(yīng)變片的工作條件，如溫還要考慮應(yīng)變片的工作條件，如溫度、相對(duì)濕度、穩(wěn)定性要求以及貼片固度、相對(duì)濕度、穩(wěn)定性要求以及貼片固化時(shí)加熱加壓的可能性等?；瘯r(shí)加熱加壓的可能性等。 粘結(jié)劑類型：粘結(jié)劑類型： 硝化纖維素型硝化纖維素型 氰基丙稀酸型氰基丙稀酸型 聚酯樹脂型聚酯樹脂型 環(huán)氧

13、樹脂型環(huán)氧樹脂型 酚醛樹脂型等。酚醛樹脂型等。 3.3 電阻應(yīng)變片的特性電阻應(yīng)變片的特性 3.3.1 彈性敏感元件及其基本特性彈性敏感元件及其基本特性 物體在外力作用下改變?cè)瓉?lái)尺寸或物體在外力作用下改變?cè)瓉?lái)尺寸或形狀的現(xiàn)象稱為形狀的現(xiàn)象稱為變形變形， 而當(dāng)外力去掉后物體又能完全恢復(fù)而當(dāng)外力去掉后物體又能完全恢復(fù)其原來(lái)的尺寸和形狀，稱為其原來(lái)的尺寸和形狀，稱為彈性變形彈性變形。 具有彈性變形特性的物體稱為具有彈性變形特性的物體稱為彈性彈性元件元件。 彈性元件首先把力、力矩或壓力變彈性元件首先把力、力矩或壓力變換成應(yīng)變或位移，換成應(yīng)變或位移， 然后傳遞給粘貼在彈性元件上的應(yīng)然后傳遞給粘貼在彈性元件

14、上的應(yīng)變片，通過(guò)應(yīng)變片將力、力矩或壓力轉(zhuǎn)變片，通過(guò)應(yīng)變片將力、力矩或壓力轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電阻值。換成相應(yīng)的電阻值。 彈性元件的基本特性：彈性元件的基本特性： 1. 剛度剛度 剛度是彈性元件受外力作用下變形剛度是彈性元件受外力作用下變形大小的量度，其定義是彈性元件單位變大小的量度，其定義是彈性元件單位變形時(shí)所需要的力。形時(shí)所需要的力。 limFdFCxdx F外力，牛頓（外力，牛頓（N）；）； x變形，毫米（變形，毫米（mm）。）。 剛度可以從彈性特性曲線上求得。剛度可以從彈性特性曲線上求得。 圖3- 4 彈性特性曲線 2. 靈敏度靈敏度1d xSCd F S是單位力作用下彈性元件產(chǎn)生變形是單位力作

15、用下彈性元件產(chǎn)生變形的大小，的大小， 靈敏度大，表明彈性元件軟，變形大。靈敏度大，表明彈性元件軟，變形大。 與與C相似，如果彈性特性是線性的，相似，如果彈性特性是線性的，則則 S 為一常數(shù)。為一常數(shù)。 若彈性特性是非線性的，則若彈性特性是非線性的，則 S 為一為一變數(shù)，變數(shù)， 即表示此彈性元件在彈性變形范圍即表示此彈性元件在彈性變形范圍內(nèi)，各處由單位力產(chǎn)生的變形大小是不內(nèi)，各處由單位力產(chǎn)生的變形大小是不同的。同的。 表表3-2 常用彈性元件的結(jié)構(gòu)和特性常用彈性元件的結(jié)構(gòu)和特性 表表3-2 常用彈性元件的結(jié)構(gòu)和特性常用彈性元件的結(jié)構(gòu)和特性 彈性元件的材料：彈性元件的材料： 合金鋼合金鋼（40Cr

16、， 35CrMnSiA等）等） 鈹青銅（鈹青銅（Qbe2，QBr2.5等）等） 不銹鋼不銹鋼（1Cr18Ni9Ti等）等） 傳感器中彈性元件的輸入量是力或傳感器中彈性元件的輸入量是力或壓力，輸出量是應(yīng)變或位移。壓力，輸出量是應(yīng)變或位移。 3.3.2 電阻應(yīng)變片的靜態(tài)特性電阻應(yīng)變片的靜態(tài)特性 應(yīng)變片的電阻值是指應(yīng)變片沒(méi)有粘貼應(yīng)變片的電阻值是指應(yīng)變片沒(méi)有粘貼且未受應(yīng)變時(shí)，在室溫下測(cè)定的電阻值，且未受應(yīng)變時(shí)，在室溫下測(cè)定的電阻值，即初始電阻。即初始電阻。60、120 、250 、350 、1000 1. 靈敏系數(shù)靈敏系數(shù) 當(dāng)具有初始電阻值當(dāng)具有初始電阻值 R 的應(yīng)變片粘貼的應(yīng)變片粘貼于試件表面時(shí)，試

17、件受力引起的表面應(yīng)于試件表面時(shí)，試件受力引起的表面應(yīng)變，將傳遞給應(yīng)變片的敏感柵，使其產(chǎn)變，將傳遞給應(yīng)變片的敏感柵，使其產(chǎn)生電阻相對(duì)變化生電阻相對(duì)變化R/R。tRKR t 為應(yīng)變片的軸向應(yīng)變?yōu)閼?yīng)變片的軸向應(yīng)變 K=(R/R)/t 為應(yīng)變片的靈敏系數(shù)。為應(yīng)變片的靈敏系數(shù)。 應(yīng)變片的靈敏系數(shù)應(yīng)變片的靈敏系數(shù) K 并不等于其敏并不等于其敏感柵整長(zhǎng)應(yīng)變絲的靈敏系數(shù)感柵整長(zhǎng)應(yīng)變絲的靈敏系數(shù)K0， K K0 因?yàn)?，在單向?yīng)力產(chǎn)生應(yīng)變時(shí)，因?yàn)?，在單向?yīng)力產(chǎn)生應(yīng)變時(shí)，K 除受到敏感柵結(jié)構(gòu)形狀、成型工藝、粘除受到敏感柵結(jié)構(gòu)形狀、成型工藝、粘結(jié)劑和基底性能的影響外，尤其受到柵結(jié)劑和基底性能的影響外，尤其受到柵端圓弧

18、部分橫向效應(yīng)的影響。端圓弧部分橫向效應(yīng)的影響。 應(yīng)變片的應(yīng)變片的靈敏系數(shù)靈敏系數(shù)直接關(guān)系到應(yīng)變直接關(guān)系到應(yīng)變測(cè)量的測(cè)量的精度精度。實(shí)測(cè)實(shí)測(cè)k（標(biāo)稱靈敏系數(shù)），所需測(cè)試條（標(biāo)稱靈敏系數(shù)），所需測(cè)試條件：件： 試件材料取泊松比試件材料取泊松比0=0.285的鋼材；的鋼材； 試件單向受力；試件單向受力； 應(yīng)變片軸向與主應(yīng)力方向一致。應(yīng)變片軸向與主應(yīng)力方向一致。 2. 橫向效應(yīng)橫向效應(yīng) 應(yīng)變片的敏感柵是由應(yīng)變片的敏感柵是由 n 條直線段和條直線段和n-1個(gè)半圓圓弧組成。個(gè)半圓圓弧組成。圖3-5 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； （b） 應(yīng)變片的橫向效應(yīng)圖 應(yīng)變片承受軸向應(yīng)力而產(chǎn)生縱

19、向拉應(yīng)變片承受軸向應(yīng)力而產(chǎn)生縱向拉應(yīng)變應(yīng)變x 時(shí)，時(shí)， 各各直線段直線段的電阻將增加，的電阻將增加， 但在半圓弧段則受到從但在半圓弧段則受到從 +x 到到x 之間之間變化的應(yīng)變變化的應(yīng)變 ， 其電阻的變化將其電阻的變化將小于小于沿軸向安放的沿軸向安放的同樣長(zhǎng)度電阻絲電阻的變化。同樣長(zhǎng)度電阻絲電阻的變化。 將直的電阻絲繞成敏感柵后，雖然將直的電阻絲繞成敏感柵后，雖然長(zhǎng)度不變，應(yīng)變狀態(tài)相同，長(zhǎng)度不變，應(yīng)變狀態(tài)相同， 但由于敏感柵的電阻變化減小，但由于敏感柵的電阻變化減小， 因而其靈敏系數(shù)因而其靈敏系數(shù) K 較整長(zhǎng)電阻絲的較整長(zhǎng)電阻絲的靈敏系數(shù)靈敏系數(shù) K0 小，小， 稱為應(yīng)變片的稱為應(yīng)變片的橫向效應(yīng)橫向效應(yīng)。 為了減小橫向效應(yīng)產(chǎn)生的測(cè)量誤差，為了減小橫向效應(yīng)產(chǎn)生的測(cè)量誤差， 多采用多采用箔式箔式應(yīng)變片。應(yīng)變片。 3. 絕緣電阻絕緣電阻和最大工作電流和最大工作電流 已粘貼的應(yīng)變片的引線與被測(cè)件之已粘貼的應(yīng)變片的引線與被測(cè)件之間的電阻值間的電阻值 Rm 。 通常要求通常要求 Rm 在在 50100 M以上。以上。 絕緣電阻下降將使測(cè)量系統(tǒng)的靈敏絕緣電阻下降將使測(cè)量系統(tǒng)的靈敏度降低，度降低， 使應(yīng)變片的指示應(yīng)變產(chǎn)生誤差。使應(yīng)變片的指