第二章_應變式傳感器_

1、第二章第二章 應變式傳感器應變式傳感器 2.12.1 金屬應變片式金屬應變片式傳感器傳感器 應變式傳感器是利用電阻應變效應做應變式傳感器是利用電阻應變效應做成的傳感器。成的傳感器。 核心元件核心元件是電阻應變計（應變片、應是電阻應變計（應變片、應變計），它將試件上的應變變化轉換成變計），它將試件上的應變變化轉換成電阻變化。有金屬、半導體兩種。電阻變化。有金屬、半導體兩種。第二章電阻應變效應電阻應變效應：當金屬絲（或半導體）在外力：當金屬絲（或半導體）在外力作作用下發(fā)生機械變用下發(fā)生機械變形形時其電阻值發(fā)生變化的現(xiàn)象。時其電阻值發(fā)生變化的現(xiàn)象。當受軸向應力作用時有：當受軸向應力作用時有：第二章

2、金屬電阻絲應變片的基本結構金屬電阻絲應變片的基本結構 1-基片；基片；2-電阻絲；電阻絲；3-覆蓋層；覆蓋層；4-引出線引出線 第二章 2341電阻應變片結構示意圖電阻應變片結構示意圖bl 由敏感柵由敏感柵1 1、基底、基底2 2、蓋片、蓋片3 3、引線、引線4 4和粘結劑等和粘結劑等組成。組成。（1） 敏感柵敏感柵 由金屬細絲繞成柵形。電阻應變片的電阻值多為由金屬細絲繞成柵形。電阻應變片的電阻值多為120120。應變片柵長大小關系到所測應變的準確度，應變。應變片柵長大小關系到所測應變的準確度，應變片測得的應變大小是應變片柵長和柵寬所在面積內(nèi)的平片測得的應變大小是應變片柵長和柵寬所在面積內(nèi)的平

3、均軸向應變量。均軸向應變量。柵長（基寬）柵長（基寬）柵寬（標距）柵寬（標距）第二章2103mm120（2 2） 基底和蓋片基底和蓋片基底用于保持敏感柵、引線的幾何形狀和相對位置，蓋片既保持敏感柵和引線的形狀和相對位置，還可保護敏感柵?；椎娜L稱為基底長，其寬度稱為基底寬。（4 4） 引線引線 是從應變片的敏感柵中引出的細金屬線。（3 3） 粘結劑粘結劑 用于將敏感柵固定于基底上，并將蓋片與基底粘貼在一起。第二章第二章SlR 設有一根長度為設有一根長度為l l、截面積為、截面積為S S、電阻率為、電阻率為的的金屬絲，其電阻金屬絲，其電阻R R為為 兩邊取對數(shù)，得兩邊取對數(shù)，得等式兩邊取微分，得

4、等式兩邊取微分，得 SlRSlRlnlnlnlnSdSldldRdRRdRdldlSdS第二章 電阻的相對變化； 電阻率的相對變化； 金屬絲長度相對變化，用表示 截面積的相對變化。ldl稱為金屬絲長度方向上的應變或軸向應變；以微應變稱為金屬絲長度方向上的應變或軸向應變；以微應變度量。度量。SEFE610為應力值；為應力值；E E為材料的彈性模量；為材料的彈性模量；dr/rdr/r為金屬絲半徑的相對變化，即徑向應變?yōu)闉榻饘俳z半徑的相對變化，即徑向應變?yōu)?r r。S= r 2dS /S=2dr/rr= 由材料力學知第二章金屬材料的泊松比金屬材料的泊松比為電阻絲材料的泊松比，一般金屬為電阻絲材料的泊

5、松比，一般金屬=0.3-0.5=0.3-0.5；/21RRk21/k材料的幾何尺寸變化引起的材料的幾何尺寸變化引起的材料的電阻率材料的電阻率隨應變引起的（壓阻效應）隨應變引起的（壓阻效應）金屬材料：金屬材料：k k以前者為主，則以前者為主，則k k1+21+2=1.7-3.61.7-3.6半半 導導 體：體：k k值主要是由電阻率相對變化所決定值主要是由電阻率相對變化所決定物理意義：單位應變引起的電阻相對變化。物理意義：單位應變引起的電阻相對變化。第二章)21 ()21 (dldldRdR金屬應變計金屬應變計第二章1 1 靈敏度系數(shù)靈敏度系數(shù) 當金屬絲做成應變片后，其電阻相對變化與應變當金屬絲

6、做成應變片后，其電阻相對變化與應變在很在很寬的范圍內(nèi)均為線性關系。即寬的范圍內(nèi)均為線性關系。即K K為金屬應變片的為金屬應變片的“標稱靈敏系數(shù)標稱靈敏系數(shù)” 。 應變片的靈敏系數(shù)應變片的靈敏系數(shù)K K恒小于線材的靈敏系數(shù)恒小于線材的靈敏系數(shù)K KS S。原因：膠。原因：膠層傳遞變形失真，橫向效應也是一個不可忽視的因素。層傳遞變形失真，橫向效應也是一個不可忽視的因素。KRRRRK第二章試件與其上的應變片受單向應力時，其表面處于平面應變狀態(tài)。對試件與其上的應變片受單向應力時，其表面處于平面應變狀態(tài)。對于由多條直線和圓弧部分組成敏感柵：于由多條直線和圓弧部分組成敏感柵：直線段：沿軸向拉應變直線段：沿

7、軸向拉應變，電阻，電阻圓弧段：沿橫向壓應變圓弧段：沿橫向壓應變r r等，電阻等，電阻 yxy第二章br橫向效應：橫向效應： 金屬應變片測量應變時，構件的軸向應變金屬應變片測量應變時，構件的軸向應變 使敏感柵電阻發(fā)生變化，其橫向應變使敏感柵電阻發(fā)生變化，其橫向應變 r r也將使敏也將使敏感柵半圓弧部分的電阻發(fā)生變化，應變片的這感柵半圓弧部分的電阻發(fā)生變化，應變片的這種既受軸向應變影響，又受橫向應變影響而引種既受軸向應變影響，又受橫向應變影響而引起電阻變化的現(xiàn)象稱為橫向效應起電阻變化的現(xiàn)象稱為橫向效應。第二章3 3 機械滯后機械滯后產(chǎn)生原因：應變片在承受機械應變后，其內(nèi)部會產(chǎn)生殘應變片在承受機械應

8、變后，其內(nèi)部會產(chǎn)生殘余變形，使敏感柵電阻發(fā)生少量不可逆變化余變形，使敏感柵電阻發(fā)生少量不可逆變化；在制造或粘在制造或粘貼應變片時，敏感柵受到不適當?shù)淖冃位蛘哒辰Y劑固化不貼應變片時，敏感柵受到不適當?shù)淖冃位蛘哒辰Y劑固化不充分。充分。1機械應變卸載加載指示應變i應變片的機械滯后 機械滯后值還與應變片所機械滯后值還與應變片所承受的應變量有關。承受的應變量有關。第二章1機械應變卸載加載指示應變i應變片的機械滯后4 4 零點漂移和蠕變零點漂移和蠕變 零點漂移產(chǎn)生原因：敏感柵通電后的溫度效應；零點漂移產(chǎn)生原因：敏感柵通電后的溫度效應；應變片的內(nèi)應力逐漸變化；粘結劑固化不充分等應變片的內(nèi)應力逐漸變化；粘結劑

9、固化不充分等。 第二章 如果在一定溫度下，使應變片承受恒定的機械應如果在一定溫度下，使應變片承受恒定的機械應變，其電阻值隨時間增加而變化的特性稱為蠕變。變，其電阻值隨時間增加而變化的特性稱為蠕變。 一般蠕變的方向與原應變量的方向相反。一般蠕變的方向與原應變量的方向相反。 產(chǎn)生原因：由于膠層之間發(fā)生產(chǎn)生原因：由于膠層之間發(fā)生“滑動滑動”，使力傳，使力傳到敏感柵的應變量逐漸減少。到敏感柵的應變量逐漸減少。5 應變極限 在一定溫度下，在一定溫度下，應變片的指示應變對測試值的真應變片的指示應變對測試值的真實應變的相對誤差不超過規(guī)定范圍（一般為實應變的相對誤差不超過規(guī)定范圍（一般為10%10%）時）時的

10、最大真實應變值。的最大真實應變值。lim真實應變z指示應變i應變片的應變極限應變片的應變極限10%1影響因素：粘結劑和基底影響因素：粘結劑和基底材料傳遞變形的性能及應材料傳遞變形的性能及應變片的安裝質量。變片的安裝質量。第二章1 1 直流（交流）電橋直流（交流）電橋2 2 非線性誤差及其補償非線性誤差及其補償 應變片將應變的變化轉換成電阻相對變化應變片將應變的變化轉換成電阻相對變化 R R/ /R R，要把電阻的變化轉換成合適的電壓或電，要把電阻的變化轉換成合適的電壓或電流的變化，才能用電測儀表進行測量。流的變化，才能用電測儀表進行測量。第二章 直流電橋 電阻應變片的測量線路多采用交流電橋電阻

11、應變片的測量線路多采用交流電橋( (配交流放配交流放大器大器) )，其原理和直流電橋相似。直流電橋比較簡單，如，其原理和直流電橋相似。直流電橋比較簡單，如圖所示。當電源圖所示。當電源E E為電勢源，其內(nèi)阻為零時，可求出檢流為電勢源，其內(nèi)阻為零時，可求出檢流計中流過的電流計中流過的電流I Ig g與電橋各參數(shù)之間的關系為與電橋各參數(shù)之間的關系為第二章 R2R4R1R3E電橋線路原理圖RgACD IgB當當R1R4=R2R3時，時，Ig=0，Ug=0，即電橋處于平衡狀態(tài)。，即電橋處于平衡狀態(tài)。若電橋的負載電阻若電橋的負載電阻Rg為無窮大，則為無窮大，則B、D兩點可視為開兩點可視為開路。路。)(44

12、321RRRRRRRREUiig第二章當當iRiR)-(4K4321iE R2R4R1R3E電橋線路原理圖RgACD IgB1R14KUigE單臂半橋單臂半橋為應變片為應變片21R，R）（21-4KUigE雙臂半橋雙臂半橋 為應變片為應變片4321RRRR，全橋全橋為應變片為應變片)-(4KU4321igE拉應片拉應片 取正取正當當RiR時，輸出電壓與應變呈線性關系。時，輸出電壓與應變呈線性關系。若相鄰兩橋臂的應變極性一致，即同為拉應變或壓應變?nèi)粝噜弮蓸虮鄣膽儤O性一致，即同為拉應變或壓應變時，輸出電壓為兩者之差；若相鄰兩橋臂的極性不同時，時，輸出電壓為兩者之差；若相鄰兩橋臂的極性不同時，輸出

13、電壓為兩者之和。輸出電壓為兩者之和。若相對兩橋臂應變的極性一致時，輸出電壓為兩者之和；若相對兩橋臂應變的極性一致時，輸出電壓為兩者之和；相對橋臂的應變極性相反時，輸出電壓為兩者之差。相對橋臂的應變極性相反時，輸出電壓為兩者之差。 利用上述特點可進行溫度補償和提高測量的靈敏度利用上述特點可進行溫度補償和提高測量的靈敏度。 第二章五、溫度特性（誤差及其補償）五、溫度特性（誤差及其補償）1 1 溫度誤差溫度誤差應變片的電阻絲應變片的電阻絲 ( (敏感柵敏感柵) )具有一定溫度系數(shù)；具有一定溫度系數(shù)；電阻絲材料與測試材料的線膨脹系數(shù)不同。電阻絲材料與測試材料的線膨脹系數(shù)不同。 第二章 設環(huán)境引起的構件

14、溫度變化為t（）時，粘貼在試件表面的應變片敏感柵材料的電阻溫度系數(shù)為t ，則應變片產(chǎn)生的電阻相對變化為tRRt 1第二章tget2相應的電阻相對變化為相應的電阻相對變化為K K應變片靈敏系數(shù)。應變片靈敏系數(shù)。tKRRge2第二章溫度變化形成的總電阻相對變化：溫度變化形成的總電阻相對變化： tKtRRRRRRgett 21第二章12 12溫度補償（自補償法和線路補償法）溫度補償（自補償法和線路補償法） 單絲自補償應變片單絲自補償應變片若要應變片在溫度變化若要應變片在溫度變化t時的熱輸出值為零，必須使時的熱輸出值為零，必須使即即選擇應變片時，若使其電阻溫度系數(shù)選擇應變片時，若使其電阻溫度系數(shù) 和線

15、膨脹系和線膨脹系數(shù)數(shù) 與與 滿足上式的條件，即可實現(xiàn)溫度自補滿足上式的條件，即可實現(xiàn)溫度自補償。具有這種敏感柵的應變片稱為單絲自補償應變片。償。具有這種敏感柵的應變片稱為單絲自補償應變片。 0getKegtKetg第二章雙絲組合式自補償應變片雙絲組合式自補償應變片 是由兩種不同電阻溫度系數(shù)（一種為正值，一種是由兩種不同電阻溫度系數(shù)（一種為正值，一種為負值）的材料串聯(lián)組成敏感柵，以達到一定的溫度為負值）的材料串聯(lián)組成敏感柵，以達到一定的溫度范圍內(nèi)在一定材料的試件上實現(xiàn)溫度補償?shù)?，如圖。范圍內(nèi)在一定材料的試件上實現(xiàn)溫度補償?shù)?，如圖。(Ra) t= (Rb) t焊點RaRb第二章 這種應變片的自補償

16、條件要求粘貼在某種試件上的兩這種應變片的自補償條件要求粘貼在某種試件上的兩段敏感柵，隨溫度變化而產(chǎn)生的電阻增量大小相等，符號段敏感柵，隨溫度變化而產(chǎn)生的電阻增量大小相等，符號相反，即相反，即 電路補償法電路補償法 如圖，電橋輸出電壓與橋臂參數(shù)的關系為 式中A由橋臂電阻和電源電壓決定的常數(shù)。3241RRRRAUSCUSCR2R4R1R3E橋路補償法 由上式可知，當R3、R4為常數(shù)時，Rl和R2對輸出電壓的作用方向相反。利用這個基本特性可實現(xiàn)對溫度的補償。 第二章 測量應變時，使用兩個應變片，一片貼在被使用兩個應變片，一片貼在被測試件的表面測試件的表面，圖中R1稱為工作應變片。另一片另一片貼在與被

17、測試件材料相同的補償塊上貼在與被測試件材料相同的補償塊上，圖中R2，稱為補償應變片。補償應變片粘貼示意圖R1R2第二章 當被測試件不承受應變時，R1和R2處于同一溫度場，調整電橋參數(shù)，可使電橋輸出電壓為零，即上式中可以選擇R1=R2=R及R3=R4=R。 當溫度升高或降低時，若R1t=R2t，即兩個應變片的熱輸出相等，由上式可知電橋的輸出電壓為零，即03241RRRRAUSC322411RRRRRRAUttSC021ttRRRA第二章將補償片貼在被測試件上，既能起到溫度補償作用，又將補償片貼在被測試件上，既能起到溫度補償作用，又能提高輸出的靈敏度，貼法如圖所示。能提高輸出的靈敏度，貼法如圖所示。 R1R2FFR1R2（b）（a）F圖圖(a)為一個梁受彎曲應變時，應變片為一個梁受彎曲應變時，應變片R1和和R2的變形方向的變形方向相反，上面受拉，下面受壓，應變絕對值相