檢測技術基礎3周-應變片課件

檢測技術基礎檢測就是去認識——科學家西門子（W.Ven.Siemens）非電量檢測技術在生產過程中，檢測技術研究的對象大多數是非電量的測量技術。常見的測量對象如：熱工量：壓力，溫度，流量；機械量：位移，壓力，長度，物位，速度，加速度，振動；

學習非電量檢測技術，首先需要學習傳感技術。傳感技術對國民經濟的重要性是無可低估的，沒有性能好的傳感器，就不會有良好的檢測技術的發(fā)展。國內傳感器共分10大類，24小類，6000個品種，而國外品種更多，如美國約有17000種傳感器，所以發(fā)展傳感器品種的領域很寬廣。化工量：濃度，成份，PH值，黏度；一、電阻應變式傳感器應變片傳感器用途:壓力,荷重,扭矩,加速度等的測量。特點:體積小,性能穩(wěn)定,精度高,結構簡單,測量范圍大,抗干擾能力強等.目前主要有兩種:金屬電阻絲應變片,半導體應變片。下圖為金屬電阻絲應變片的外形結構.應變效應——金屬絲金屬電阻絲的電阻關系:當電阻絲受到外力作用發(fā)生形變,影響電阻變化的三個參數（電阻率、長度、截面積）:全微分方程:應變效應——金屬絲電阻相對變化量:對于截面積變化量轉換為直徑變化:根據材料力學橫向收縮和縱向伸長關系:整理::泊松系數,=0.3→0.5;ε和分別為縱向應變（長度相對變化量）和橫向應變（橫向相對變化量）金屬-半導體區(qū)別(1)對于金屬電阻絲應變片的電阻率受力后變化甚微,故可以忽略不計:

為電阻絲靈敏系數，μ在0.3-0.5，所以K為1.6-2.0。(2)對于半導體應變片是根據壓阻效應工作的電阻率的變化要比前兩項大得多.其中:r壓阻系數;沿縱向的應變;E材料的彈性模量;K靈敏系數。K=50-70遠比金屬電阻絲應變片的靈敏度高。靈敏系數k-補充當具有初始電阻值的應變計粘貼于試件表面時，試件受力引起的表面應變，將傳遞給應變計的敏感柵，使其產生電阻相對變化。實驗證明，在一定的應變范圍內，有下列關系：式中：為應變計軸向應變；

為應變計的靈敏系數。兩種應變片的特性小結1.靈敏度

金屬電阻絲:K=1+2,為金屬材料的泊松系數,=0.3-0.5.

所以,應變片靈敏系數最大為K=2.半導體材料:K=50~70，可測微小應變（600微應變，長度相對變化量為10-6為1微應變）2.線性度:金屬電阻絲:非線性誤差小,在較大測量范圍內應變片靈敏系數基本不變。半導體材料:非線性誤差嚴重,測量范圍小。3.動態(tài)特性:

金屬電阻絲:響應速度在低頻時較好,但隨頻率提高,響應速度有可能跟不上而導致失真.半導體材料:因體積小,保證響應速度良好的頻率范圍較寬.4.其他特性:

半導體材料的橫向效應,機械滯后小于金屬電阻絲.金屬應變的類型金屬絲式金屬箔式金屬薄膜式金屬絲式金屬箔式應變片在絕緣基底上，將厚度為0.003～0.01mm電阻箔材，利用照相制板或光刻腐蝕的方法，制成適用于各種需要的形狀。（1）尺寸準確，線條均勻，適應不同的測量要求;（2）可制成多種復雜形狀尺寸準確的敏感柵;（3）與被測試件接觸面積大，粘結性能好。散熱條件好，允許電流大，靈敏度提高;（4）橫向效應可以忽略;（5）蠕變、機械滯后小，疲勞壽命長。金屬電阻絲應變片的橫向效應1.實際靈敏系數上述討論的靈敏系數K=1+2,指的是一根金屬導體,但是當金屬絲繞制成柵狀片時,增加了多處的彎角,金屬絲無論是在拉伸還是壓縮,直線部分與彎角部分的應變不相同。金屬絲受外力后,直線部分僅受到縱向應變,而彎角部分將同時受到縱向和橫向兩個方向的應變.使彎角部分的電阻變化減少。這就是橫向效應。2.橫向效應的缺點：（1）靈敏系數減小，（2）電阻與應變的關系存在非線性。減少橫向效應的幾種措施敏感柵的縱柵愈窄、愈長，而橫柵愈寬、愈短，則橫向效應的影響愈小。

（1）減少彎角橫向長度：（2）加粗彎角寬度：（3）彎角采用良導體材料：金屬電阻絲應變片的溫度誤差及補償使用應變片測量應變時，總希望應變片電阻僅同受力應變有關,不受其他因素影響。但實際上環(huán)境溫度變化必然會導致應變片產生附加誤差。

電阻溫度系數的影響：敏感柵的電阻絲隨溫度變化的關系式如下：Ra：溫度t時的電阻值；Ro：溫度to時的電阻值；：參考溫度to時的電阻溫度系數。其中：R=Rot表示溫度變化后產生的電阻變化量，這是在測量應變時溫度變化引起的誤差之一。工件材料與電阻絲材料的線膨脹系數的影響設金屬絲的線脹系數為s，工件彈性體的線脹系數為g，當溫度變化后各自自由伸長。實際使用時，應變片基片與工件（彈性體）是采用特殊粘結劑作剛性連接，受力后兩者之間不產生滑動。如果兩者的線脹系數相同，則金屬絲的變形處于自由狀態(tài)，不會產生附加形變。否則兩者因線脹量不一致，導致相互牽扯而引起附加形變。

電阻絲：工件彈性體：總的附加電阻：附加電阻：附加應變：附加伸長：電阻應變片的溫度補償方法R1RBR3R4R1RB初始狀態(tài)Uo=A（R1R4-RBR3）=0溫度變化后Uo=A［（R1+ΔR1t）R4-(RB+ΔRBt)R3］=0R1=RBR3=R4補償了溫度溫度引起的誤差可由半橋和全橋補償優(yōu)點：簡單、方便，在常溫下補償效果較好缺點：在溫度變化梯度較大的條件下，很難做到工作片與補償片處于溫度完全一致的情況，因而影響補償效果。彈性模量E的溫度補償彈性模量E隨溫度上升而減小，導致應變阻值減小，產生誤差。金屬絲電阻應變片的表示方法橫向應變與縱向應變的關系:用長方形符號表示電阻應變片.圖(a)受到的是壓力,縱向受力電阻減小,橫向受力電阻增加;圖(b)受到的是拉力,縱向受力電阻增加,橫向受力電阻減小;應變片電阻測量簡單電路將受力形變后的應變片電阻變化量轉化為電壓信號:

圖中R1為固定電阻,R2為應變片電阻.

輸出電壓:(1)應變片受力形變前:(2)應變片受力形變后:不足：輸入輸出信號不一致:受力為0時,輸出電壓不為0;不能反映受力方向:應變片無論拉伸還是壓縮輸出電壓總是正電壓.直流電橋平衡條件電橋輸出電壓平衡條件對電橋輸出電壓:若R1-R4受到應變作用阻值=Ri+Ri。若，負載電阻無窮大，輸出電壓可近似為：Ri=R(1)單臂電橋R1-R4只有一個為工作的應變片(如R1),其余為固定電阻.則:R1=R2=R3=R4;ΔR1=ΔR，

ΔR2-4=0提高電壓U或選用靈敏度系數高的應變片能提高橋路的電壓靈敏度。由于應變片有功率限制，因此橋路電壓有上限。(2)對稱電橋:通常只有兩個橋臂為工作的應變片(如R1,R2),其余為固定電阻.<1>若R1縱向應變ε,R2橫向應變ετ<2>若R1,R3均為縱向應變ε

(3)非對稱電橋:

a=?使輸出最大?R1和R4產生不同的應變a=1,令t=a+1,變換后求導。對稱電橋是非對稱電橋的特例，其優(yōu)點是非線性誤差較小。（4）全橋電路（4個電阻都是應變電阻）:欲使輸出電壓最大，R２＜０，R４＜０，則讓R1、R3產生縱向應變，R2、R4產生橫向應變。電壓靈敏度最高，因此是最常用的一種橋路非線性誤差非線性誤差9半橋差動電路R1+ΔR1R2-ΔR2若ΔR1=ΔR2,R1=R2,R3=R4,則得Uo與（ΔR1/R1）呈線性關系,差動電橋無非線性誤差,而且電橋電壓靈敏度KU=E/2,比單臂工作時提高一倍,同時還具有溫度補償作用。在試件上安裝兩個工作應變片,一個受拉應變,一個受壓應變,接入電橋相鄰橋臂,稱為半橋差動電路,該電橋輸出電壓為結論<2>對于半橋和全橋,通常采用同性質的敏感元件作為橋臂.那么各自的電橋輸出電壓如下:<1>無論哪一種電橋,全橋的靈敏度最高;全橋工作時:半橋工作時:單臂工作時:結論<3>選用半橋和全橋測量電路不僅可以提高電橋的靈敏度,還可以克服非線性和溫度引起的干擾.<4>為了提高電橋的靈敏度,可以適當提高電源電壓.但是電源電壓過高會引起電流增加,導致溫度對敏感元件的影響而造成附加誤差.電橋調零制造工藝原因可能是的電橋不受載荷時輸出電壓不為零，因此必須調零。P107例題1如圖所示,初始狀態(tài)R1=R2=R3=R4=120Ω，U=12V,求輸出電壓U0。(1)只有R1為工作的應變片,k=2,ε=0.0016;(2)只有R1,R2為工作的應變片,k=2,ε1=0.0016;ε2=-0.0016;(3)R1-R4均為工作的應變片,k=2,ε1=ε3=0.0016;ε2=ε4=-0.0016;解:(1)只有R1為工作的應變片,k=2,ε=0.0016(3)R1-R4均為工作的應變片,k=2,ε1=ε3=0.0016;

ε2=ε4=-0.0016;(2)只有R1,R2為工作的應變片,k=2,ε1=0.0016;ε2=-0.0016;交流電橋或者:交流電橋的參數為阻抗:1.平衡條件:與直流電橋類似.阻抗參數也可以用復數形式表示:交流電橋的平衡條件:實部相等:虛部相等:例:如圖所示,某個交流電橋,已知Z1=R1+jX1=5+j6,Z2=R2+jX2=4-j2,Z3=R3+jX3=6+j2,為了滿足平衡條件,Z4取多少?虛部相等:解:交流電橋的平衡條件:實部相等:聯立方程,求得:R4=-1(Ω),X4=11(Ω),聯立方程,求得:R4=5.8(Ω),X4=9.4(Ω).上述結果說明該交流電橋能達到平衡.實部相等:虛部相等:若Z3=R3+jX3=6-j2,則:上述結果說明該交流電橋不可能達到平衡常見的電阻應變片傳感器的結構1.懸臂梁特點：靈敏度高，測量范圍小在梁的同一位置的上方與下方各粘貼同性質的應變片,可以得到大小相同方向相反的應變。F：外部施力；E：梁材料的彈性模量；b:寬度；受力關系:續(xù)例題有一應變式等強度懸臂梁式力傳感器,假設懸臂梁的熱脹系數相等,R1=R2,構成半橋雙臂電路。設懸臂梁的厚度h=0.5mm,固定端寬度b=18mm,l=15mm材料的彈性模量E=21011N/m2,應變片靈敏度K=2,橋路的電源電壓Ui=2V,若輸出電壓為1.0mV,計算作用力F.

解:計算作用力F:懸臂梁的應變與外力的關系:橋路輸出電壓與電阻變化關系