應(yīng)變式力學(xué)量傳感器特性、工作原理和應(yīng)用

1、1應(yīng)變式力學(xué)量傳感器特性、工作原理和應(yīng)用2目錄前言3.1 電阻應(yīng)變式傳感器的工作原理3.2 電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)和工作原理3.3 電阻應(yīng)變片的種類、材料和參數(shù)3.4 電阻應(yīng)變片的主要參數(shù)3.5 電阻應(yīng)變片的動態(tài)響應(yīng)特性3.6 應(yīng)變計(jì)粘貼工藝3.7 電阻應(yīng)變式傳感器的溫度誤差及其補(bǔ)償3.8 電阻應(yīng)變式傳感器的信號調(diào)節(jié)電路 及電阻應(yīng)變儀3.9 電阻應(yīng)變式傳感器本章小結(jié)3前 言電阻應(yīng)變式傳感器具有悠久的歷史是應(yīng)用最廣泛的傳感器之一。將電阻應(yīng)變片粘貼到各種彈性敏感元件上，可構(gòu)成測量位移、加速度、力、力矩、壓力等各種參數(shù)的電阻應(yīng)變式傳感器。雖然新型傳感器不斷出現(xiàn)，為測試技術(shù)開拓了新的領(lǐng)域。但是，由于電阻應(yīng)變

2、測試技術(shù)具有以下獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，可以預(yù)見在今后它仍將是一種主要的測試手段。4它已廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域，諸如航空、機(jī)械、電力、化工、建筑。電阻應(yīng)變式傳感器的優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，性能穩(wěn)定、可靠；易于實(shí)現(xiàn)測試過程自動化和多點(diǎn)同步測量、遠(yuǎn)距測量和遙測；靈敏度高，測量速度快適合靜態(tài)、動態(tài)測量；可以測量多種物理量。53.1 電阻應(yīng)變式傳感器的工作原理 電阻應(yīng)變式傳感器由彈性敏感元件與電阻應(yīng)變片構(gòu)成。彈性敏感元件在感受被測量時(shí)特產(chǎn)生變形，其表面產(chǎn)生應(yīng)變。粘貼在彈性敏感元件表面的電阻應(yīng)變片將隨著彈性敏感元件產(chǎn)生應(yīng)變，因此電阻應(yīng)變片的電阻值也產(chǎn)生相應(yīng)的變化。這樣，通過測量電阻應(yīng)變片的電阻值變化，就可以確定被測量的

3、大小了。6 電阻應(yīng)變片的工作原理是基于金屬的應(yīng)變效應(yīng)。金屬絲的電阻隨著它所受的機(jī)械變形(拉伸或壓縮)的大小而發(fā)生相應(yīng)的變化的現(xiàn)象稱為金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)。原因：因?yàn)榻饘俳z的電阻與材料的電阻率及其幾何尺寸和截面積有關(guān)，而金屬絲在承受機(jī)械變形的過程中，這二者都要發(fā)生變化，因而引起金屬絲的電阻變化。電阻應(yīng)變片(計(jì))的工作原理(金屬的應(yīng)變效應(yīng))73.2 電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)和工作原理 一、應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)8二、電阻一應(yīng)變特性金屬導(dǎo)線受力變形情況r為金屬絲半徑x為金屬絲軸向應(yīng)變y為金屬絲橫向應(yīng)變y= -x為泊松系數(shù)10討論對金屬絲，s第二項(xiàng)可忽略不計(jì)，故Ks=1+2 故Ks=1+21.52對半導(dǎo)體材料，s=1+2

4、+E, E1+2故s=E =(4080)10-11m2/N,E=1.67 1011Pa故s=E 5010011 通過彈性敏感元件轉(zhuǎn)換作用，將位移、力、力矩、加速度、壓力等參數(shù)轉(zhuǎn)換為應(yīng)變因此可以將應(yīng)變片由測量應(yīng)變擴(kuò)展到測量上述參數(shù)，從而形成各種電阻應(yīng)變式傳感器。三、應(yīng)變片測試原理外力作用試件形變應(yīng)變片形變電阻變化12電阻應(yīng)變片的橫向效應(yīng)圓弧段部分的電阻變化，將小于其同樣長度沿軸向安放的金屬絲的電阻變化。由此可見，將直的金屬絲繞成敏感柵后，雖然長度相同，但應(yīng)變狀態(tài)不同，應(yīng)變片敏感柵電阻變化較直的金屬絲小，因此靈敏度系數(shù)有所降低，這種現(xiàn)象稱為應(yīng)變片的橫向效應(yīng)。13 一、絲式應(yīng)變片 1回線式應(yīng)變片 2

5、短接式應(yīng)變片二、箔式應(yīng)變片三、薄膜應(yīng)變片四、半導(dǎo)體應(yīng)變片3.3 電阻應(yīng)變片的種類、材料和參數(shù)電阻應(yīng)變片的種類141回線式應(yīng)變片 圖 (a)為常見的回線式應(yīng)變片構(gòu)造圖。 一、絲式應(yīng)變片圖 (b)為常見的短接式應(yīng)變片構(gòu)造圖。2短接式應(yīng)變片15常見的幾種箔式應(yīng)變片構(gòu)造形式。 二、箔式應(yīng)變片16這類應(yīng)變片系利用照相制版或光刻腐蝕的方法，將電阻箔樹在絕緣其底下制成各種圖形而成的應(yīng)變片。箔材厚度多在一之間。利用光刻技術(shù)，可以制成適用各種需要的、形狀美觀的、稱為應(yīng)變花的應(yīng)變片。它具有很多優(yōu)點(diǎn)，在測試中得到了日益廣泛的應(yīng)用，在常溫條件下，已逐步取代了線繞式應(yīng)變片。17其厚度在m以下。它是采用真空蒸發(fā)或真空沉積

6、等方法，將電阻材料在基底上制成一層各種形式敏感柵而形成應(yīng)變片。這種應(yīng)變片靈敏系數(shù)高，易實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，是一種很有前途的新型應(yīng)變片。 目前實(shí)際使用中的主要問題，是尚難控制其電阻對溫度和時(shí)間的變化關(guān)系。 三、薄膜應(yīng)變片18 四、半導(dǎo)體應(yīng)變片19壓阻效應(yīng)的解釋,依據(jù)HERMY關(guān)于半導(dǎo)體多能谷導(dǎo)帶價(jià)帶模型的公式,當(dāng)力作用于硅晶體時(shí),晶體的晶格發(fā)生形變,它使載流子產(chǎn)生一個(gè)能谷到另一個(gè)能谷的散射,載流的遷移率發(fā)生變化,擾動了縱向和橫向的平均有效質(zhì)量,使硅的電阻 發(fā)生變化.這個(gè)變化隨Si單晶的取向不同而不同.即Si的壓阻效應(yīng)與晶體取向有關(guān)問題：有效質(zhì)量、各向同性、各向異性20 一、應(yīng)變片電阻值 它是指未安裝

7、的應(yīng)變片，在不受外力的情況下，于室溫條件測定的電阻值，也稱原始阻值單位以計(jì)。應(yīng)變片電阻值已趨于標(biāo)準(zhǔn)化，有60，l 20, 350，600和1000各種阻值,其中120為最常使用。 二、絕緣電阻 即敏感柵與基底間的電阻值，一般應(yīng)大于10103.4 電阻應(yīng)變片的主要參數(shù)為了正確選用電阻應(yīng)變片，應(yīng)該對影響其工作特性的主要參數(shù)進(jìn)行了解。21三、靈敏系數(shù) 靈敏系數(shù)系指應(yīng)變片安裝于試件表面，在其軸線方向的單向應(yīng)力作用下，應(yīng)變片的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。K值的準(zhǔn)確性將直接影響測量精度，其誤差大小是衡量應(yīng)變片質(zhì)量優(yōu)劣的主要標(biāo)志。同時(shí)要求K值盡量大而穩(wěn)定。四、允許電流 允許電流系指

8、不因電流產(chǎn)生熱量影響測量精度。應(yīng)變片允許通過的最大電流。它與 應(yīng)變片本身、試件、粘合劑和環(huán)境等有關(guān)。要根據(jù)應(yīng)變片的阻值和結(jié)合電路具體情況計(jì)算。為保測量精度、在靜態(tài)測量時(shí)，允許電流一般為25mA,在動態(tài)測量時(shí)允許電流可達(dá)75100mA箔式應(yīng)變片允許電流較大。應(yīng)變片的主要參數(shù)22五、應(yīng)變極限 應(yīng)變片的應(yīng)變極限是指在溫度一定時(shí)，指示應(yīng)變值和真實(shí)應(yīng)變的相對差值不超過一定數(shù)值時(shí)的最大真實(shí)應(yīng)變數(shù)值，一般差值規(guī)定為10，當(dāng)指示應(yīng)變值大于真實(shí)應(yīng)變的10時(shí)，真實(shí)應(yīng)變值稱為應(yīng)變片的極限應(yīng)變六、機(jī)械滯后、零漂和蠕變 應(yīng)變片的機(jī)械滯后是指對粘貼的應(yīng)變片中同一機(jī)械應(yīng)變量下指示應(yīng)變的最大差值。 零點(diǎn)漂移是指已粘貼好的應(yīng)變

9、片，在溫度一定和無機(jī)械應(yīng)變時(shí)，指示應(yīng)變隨時(shí)間的變化。 蠕變是指已粘貼好的應(yīng)變片，在溫度一定并承受一定的機(jī)械應(yīng)變時(shí)，指示應(yīng)變值隨時(shí)間的變化。應(yīng)變片的主要參數(shù)233.5 電阻應(yīng)變片的動態(tài)響應(yīng)特性 當(dāng)試件或彈性元件的應(yīng)變大小和方向隨時(shí)間改變時(shí)，應(yīng)變片處于動態(tài)下工作。這就會出現(xiàn)：應(yīng)變從試件或彈性元件傳到敏感柵要用多長時(shí)間在進(jìn)行高頻的動態(tài)應(yīng)變測量時(shí)，哪些因素影響應(yīng)變片對動態(tài)應(yīng)變的響應(yīng)。應(yīng)變波經(jīng)過試件或彈性元件材料粘合層最后傳播到應(yīng)變片應(yīng)變波的傳播過程:24應(yīng)變波在幾種材料中的傳播速度（單位m/s)25測量誤差與應(yīng)變波長對基長的比值/l0有關(guān)如右圖一、應(yīng)變波為正弦波結(jié)論：/l0越大，測量誤差越?。籰0越小

10、，測量誤差越?。ㄔ?一定時(shí)）26a b ca:階躍波形 b:上升時(shí)間的滯后（理論） c:應(yīng)變啟示錄波形三、其他情況 基長l0應(yīng)盡量選用短的，這樣可更真實(shí)測出被測部位的應(yīng)變提高測試精度。二、應(yīng)變波為階躍波注： V-應(yīng)變波傳播速度27 一、應(yīng)變片檢查 二、修整應(yīng)變片 三、試件表面處理 四、劃粘貼應(yīng)變片的定位線 五、粘貼應(yīng)變片 六、粘合劑的固化處理 七、應(yīng)變片粘貼質(zhì)量的檢查 八、引出線的固定保護(hù) 九、應(yīng)變片的防潮處理3.6 應(yīng)變計(jì)粘貼工藝28包括兩方面：溫度變化引起應(yīng)變片敏感柵電阻變化而產(chǎn)生附加應(yīng)變試件材料與敏感柵材料的線膨脹系數(shù)不同，使應(yīng)變片產(chǎn)生附加應(yīng)變3.7 電阻應(yīng)變式傳感器的溫度誤差及其補(bǔ)償1

11、. 溫度誤差及其產(chǎn)生原因29溫度變化引起應(yīng)變片敏感柵電阻變化而產(chǎn)生附加應(yīng)變附加應(yīng)變?yōu)椋?0試件材料與敏感柵材料的線膨脹系數(shù)不同，使應(yīng)變片產(chǎn)生附加應(yīng)變 如果粘貼在試件上一段長度為l0的應(yīng)變絲當(dāng)溫度變化t時(shí)，應(yīng)變絲受熱膨脹至lt1,而應(yīng)變絲下的試件伸長為lt2:31 由上面的式子可知，如果試和絲不相等，則lt1和lt2 也就不等，但是應(yīng)變絲和試件是粘結(jié)在一起的，若絲試，則應(yīng)變絲被迫從lt1拉長到lt2，這就使應(yīng)變絲產(chǎn)生附加變形lt ：引起的電阻變化為：總電阻變化為：總附加虛假應(yīng)變量為：32溫度補(bǔ)償方法，基本上分為橋路補(bǔ)償和應(yīng)變片自補(bǔ)償兩大類。(1)、橋路補(bǔ)償法2. 溫度補(bǔ)償方法R1、R2完全一致，

12、只不過兩者一接受應(yīng)力作用，另一個(gè)不接受應(yīng)力作用。33(2)、應(yīng)變片自補(bǔ)償法 粘貼在被測部位上的是一種特殊應(yīng)變片，當(dāng)溫度變化時(shí)，產(chǎn)生的附加應(yīng)變?yōu)榱慊蛳嗷サ窒?，這種特殊應(yīng)變片稱為溫度自補(bǔ)償應(yīng)變片。利用溫度自補(bǔ)償應(yīng)變片來實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償?shù)姆椒ǚQ為應(yīng)變片自補(bǔ)償法。下面介紹兩種的自補(bǔ)償應(yīng)變片. A選擇式自補(bǔ)償應(yīng)變片 由式(437)可知，實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償?shù)臈l件:t=034它是利用兩種電阻絲材料的電阻溫度系數(shù)不同(一個(gè)為正，一個(gè)為負(fù))的特性，將二者串聯(lián)制成敏感柵若兩段敏感柵R1和R2由于溫度變化而產(chǎn)生的電阻變化為Rt1Rt2大小相等而符號相反就可以實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償。B、雙金屬敏感柵自補(bǔ)償應(yīng)變片(組合式自補(bǔ)償應(yīng)變片) 3

13、5圖中的熱敏電阻Rt在與應(yīng)變片相同的溫度條件下，當(dāng)應(yīng)變片的靈敏度隨溫度升高而下降時(shí)，熱敏電阻是的阻值也下降，使電橋的輸入電壓隨溫度升高而增加，從而提高電橋的輸出，補(bǔ)償因應(yīng)變片引起的輸出下降。選擇分流電阻R5的值，可以得到良好的補(bǔ)償。 (3)、熱敏電阻補(bǔ)償法363.8 電阻應(yīng)變式傳感器的信號調(diào)節(jié)電路 及電阻應(yīng)變儀應(yīng)變片可以把應(yīng)變的變化轉(zhuǎn)換為電阻的變化，為顯示與記錄應(yīng)變的大小，還要把電阻的變化再轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化，完成上述作用的電路稱為電阻應(yīng)變式傳感器的信號調(diào)節(jié)電路，一般采用測量電橋。373.9 電阻應(yīng)變式傳感器由彈性元件和應(yīng)變片以及一些附件(補(bǔ)償元件、保護(hù)罩等)組成的裝置稱為應(yīng)變式傳感器。1

14、 電阻應(yīng)變式力傳感器A、柱式力傳感器實(shí)心園柱：軸向：38 獨(dú)特的設(shè)計(jì)，得到了較好的效果：差動放大(why?)結(jié) 構(gòu)電 路39B、梁式力傳感器(A).等截面梁應(yīng)變式力傳感器z一距固定端為x處的應(yīng)變值；l梁的長度；x某一位置到固定端的距離，E梁的材料的彈性模量；40(B).等強(qiáng)度梁應(yīng)變式力傳感器41C、薄壁圓環(huán)式力傳感器注意：支點(diǎn)，受力點(diǎn)環(huán)的厚度為h，外徑為R，寬度為b，應(yīng)變片R1，R4貼在外表面，R2，R3貼在內(nèi)表面，貼片處的應(yīng)變量為:42D、剪切式力傳感器(A).梁式剪切力傳感器4344(B).輪輻式剪切力傳感器452 應(yīng)變式壓力傳感器 主要用于液體、氣體動態(tài)和靜態(tài)壓力的測量，如內(nèi)燃機(jī)管道和動

15、力設(shè)備管道的進(jìn)氣口、出氣口的壓力測量,以及發(fā)動機(jī)噴口的壓力、槍、炮管內(nèi)部壓力的測量等。這類傳感器主要采用膜片式、薄板式、筒式、組合式的彈性元件。46A、 板式壓力傳感器工作原理：將傳感器的下端旋入管壁，均勻分布的壓力作用在薄板的一面，薄板的另一面粘貼應(yīng)變片，通過應(yīng)變的測量求得壓力的大小。用途： 測量氣體或液體壓力47 板式壓力傳感器48規(guī)律可找出貼片的方法，由于切應(yīng)變?nèi)钦?，中間最大；徑向應(yīng)變沿圓板分布有正有負(fù)，在中心處和切應(yīng)變相等，而在邊緣處最大，是中心處的二倍，在xR 處為零故貼片時(shí)要避開r0處。一般在圓片中心處沿切向貼兩片，在邊緣處沿徑向貼兩片。應(yīng)變片R1，R4和R2 / R3接在橋路的