專題1 應變式力及稱重傳感器

2023/2/71專題1應變式力與稱重傳感器

2023/2/721.1電阻應變原理與器件(72頁到73頁）1）相關概念電阻應變是力作用的結果，涉及應力、應變、彈性模量和泊松比等概念。應力：力/受力面積；應力為正，表拉長物體的拉應力，為負，表示物體受壓；應力作用的結果是使物體產(chǎn)生應變。應變：長度變化/未加應力時的原長。圖（a）中應變?yōu)?+Δl/l（拉伸），圖（b）中應變?yōu)??Δl/l（壓縮）。這兩種情況都是縱向應變。應變與應力呈線性關系，直線的斜率稱為物體的彈性模量EE=應力/應變 對于線性拉伸或壓縮，彈性模量稱為楊氏模量E；對于剪應力，相關的彈性模量稱為剪切模量S。1.電阻應變效應與器件2023/2/734.2.1電阻應變原理與器件1）應變效應金屬或半導體制成的元件受力作用產(chǎn)生應變時，其電阻發(fā)生變化的現(xiàn)象稱應變效應；據(jù)此效應工作的元件稱應變片。已知長為l、橫向面積為A、電阻率為的材料電阻為R=l/A，當元件有應變時，其、l、A也變化，其電阻的相對變化為：

其中l(wèi)/l是元件的縱向應變L，設橫截面積A=Wt(W為寬、t為厚)，則A/A=W/W+t/t=2T，其中T是元件的橫向應變。根據(jù)材料力學原理有T=?L(稱為泊松比，由材料決定)。根據(jù)上述公式和關系，可得電阻的相對變化為：R/R=L?2T+/=(1+2)L+/

2023/2/742）應變材料的靈敏系數(shù)(K)靈敏系數(shù)K定義為電阻的相對變化與應變之比，即：

K=(R/R0)/L,其中R0是無應變時的電阻。因此，應變材料的電阻相對變化與其線應變成正比，即：R/R0=KL

金屬材料受力后電阻率的相對變化與體積V的變化關系為

d/=CdV/V，其中C是由材料和加工方式?jīng)Q定的常數(shù)。由V=lA可得：d

/=C(dl/l+dA/A)=C(L+2T)=C(1?2)L

因此，應變片的電阻變化可用下式表示：R/R0=(1+2)L+C(1?2)L=KL

由上可知，金屬材料的應變效應主要由結構尺寸變化造成，靈敏系數(shù)主要由（1+2）決定。2023/2/752）應變片的結構和靈敏系數(shù)金屬電阻應變片的組成：保護片+敏感柵+基底+引線。如圖所示，敏感柵為金屬絲或金屬箔，粘貼在絕緣基底上，上面再貼一層絕緣保護片，然后在敏感柵的兩引出點引線。敏感柵存在橫向效應等因素影響，使應變片的靈敏系數(shù)小于敏感柵材料的靈敏系數(shù)。通常應變片的靈敏系數(shù)通過實驗由給定應變下的電阻值變化確定，即K=(R/R).

2023/2/762）應變片的結構和靈敏系數(shù)半導體應變片主要基于半導體的壓阻效應，直接用單晶鍺或硅等材料經(jīng)切割、研磨、切條、接引線、粘貼等工藝制成，其結構如右圖所示。相對金屬電阻應變片，半導體應變片的靈敏度系數(shù)很高，但其溫度穩(wěn)定性及重復性不如金屬應變片。

概念小結：金屬應變片的應變效應及靈敏系數(shù)；半導體應變片的應變效應及靈敏系數(shù)。2023/2/77半導體應變片及金屬絲式應變片的結構半導體應變片外形金屬絲式應變片的內(nèi)部結構2023/2/783）應變片和應變式傳感器的特點及應用（74頁）(1)應變片的應用主要用于結構應力、應變分析和作為傳感器的轉換元件。在第一種應用中，將應變片貼于待測構件的測量部位，測量構件的應力或應變，用于機械、建筑等構件的受力、變形測試分析，為構件結構的設計、校驗等提供可靠數(shù)據(jù)。在第二種應用中，應變片作為轉換元件貼于彈性元件上，與彈性元件組合實現(xiàn)測量力/壓力及位移、加速度的傳感器。(2)應變電阻測量應變片阻值變化常用電橋法測量。為提高靈敏度、克服非線性，常用差動半橋(雙片)或差動全橋(四片)方式。2023/2/793）應變片和應變式傳感器的特點及應用（74頁）(3)應變式傳感器的主要特點（a）測量范圍廣：幾到數(shù)千(1=10-6)應變，10-2~107N力,10-1～106Pa壓力。（b）線性度好，精度較高（誤差可小于0.1%或更?。?。（c）頻率響應好：一般響應時間10-7s，半導體達10-11s，動態(tài)測量l05Hz級；但實際反映的是應變片所受應變的均值。（d）性能穩(wěn)定，工作可靠，性價比高。（e）適應惡劣環(huán)境、大加速度和振動條件：經(jīng)適當結構設計及選材，可在高、低溫，強腐蝕及核輻射下可靠工作。（f）須考慮橫向效應引起的橫向靈敏度與溫度影響的補償。另外，應變片粘貼涉及被測表面變形能否正確傳給應變片；黏合劑須與應變片材料和試件材料相適應，遵循正確工藝。2023/2/710優(yōu)點：

①精度高，測量范圍廣；

②頻率響應特性較好；

③結構簡單，尺寸小，重量輕；

④可在高(低)溫、高速、高壓、強烈振動、強磁場及核輻射和化學腐蝕等惡劣條件下正常工作；

⑤易于實現(xiàn)小型化、固態(tài)化；

⑥價格低廉，品種多樣，便于選擇。

電阻應變片式傳感器的核心元件是金屬應變片，它可將試件上的應變變化轉換成電阻變化。缺點：具有非線性，輸出信號微弱，抗干擾能力較差，因此信號線需要采取屏蔽措施；只能測量一點或應變柵范圍內(nèi)的平均應變，不能顯示應力場中應力梯度的變化等；不能用于過高溫度場合下的測量。2023/2/711應變片的工作原理

金屬絲受拉時，l變長、r變小，導致R變大。2023/2/712應變片的工作原理

設有一長度為l、截面積為A、半徑為r、電阻率為的金屬單絲，它的電阻值R可表示為

當沿金屬絲的長度方向作用均勻拉力（或壓力）時，上式中、r、l都將發(fā)生變化，從而導致電阻值R發(fā)生變化。例如金屬絲受拉時，l將變長、r變小，均導致R變大；又如，某些半導體受拉時，將變大，導致R變大。實驗證明，電阻絲及應變片的電阻相對變化量R

R與材料力學中的軸向應變x的關系在很大范圍內(nèi)是線性的，即

K—電阻應變片的靈敏度2023/2/713應變片用于測量力F的計算公式

由材料力學可知，x=F/（AE），所以R/R又可表示為

如果應變片的靈敏度K和試件的橫截面積A以及彈性模量Ｅ均為已知，則只要設法測出R/R的數(shù)值，即可獲知試件受力Ｆ的大小，例如可用于電子秤的稱重。2023/2/714應變片的種類與結構

應變片可分為金屬應變片及半導體應變片兩大類。前者可分成金屬絲式、箔式、薄膜式三種。目前箔式應變片應用較多。金屬絲式應變片使用最早，有紙基、膠基之分。由于金屬絲式應變片蠕變較大，金屬絲易脫膠，有逐漸被箔式所取代的趨勢。但其價格便宜，多用于應變、應力的大批量、一次性試驗。箔式應變片中的箔柵是金屬箔通過光刻、腐蝕等工藝制成的。箔的材料多為電阻率高、熱穩(wěn)定性好的銅鎳合金。箔式應變片與片基的接觸面積大得多，散熱條件較好，在長時間測量時的蠕變較小，一致性較好，適合于大批量生產(chǎn)。還可以對金屬箔式應變片進行適當?shù)臒崽幚恚蛊渚€脹系數(shù)、電阻溫度系數(shù)以及被粘貼的試件的線脹系數(shù)三者相互抵消，從而將溫度影響減小到最小的程度，目前廣泛用于各種應變式傳感器中。2023/2/715箔式應變片的外形2023/2/716應變片的粘貼：

1.去污：采用手持砂輪工具除去構件表面的油污、漆、銹斑等，并用細紗布交叉打磨出細紋以增加粘貼力，用浸有酒精或丙酮的紗布片或脫脂棉球擦洗。

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2.貼片：在應變片的表面和處理過的粘貼表面上，各涂一層均勻的粘貼膠，用鑷子將應變片放上去，并調(diào)好位置，然后蓋上塑料薄膜，用手指揉和滾壓，排出下面的氣泡。2023/2/7183.測量：從分開的端子處，預先用萬用表測量應變片的電阻，發(fā)現(xiàn)端子折斷和壞的應變片。2023/2/719

4.焊接：將引線和端子用烙鐵焊接起來，注意不要把端子扯斷。

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5.固定：焊接后用膠布將引線和被測對象固定在一起，防止損壞引線和應變片。

2023/2/7212.應變式力與稱重傳感器（158頁到163頁）

導體或半導體材料在外界力的作用下，會產(chǎn)生機械變形，其電阻值也將隨著發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為應變效應。稱重傳感器構成：彈性元件+應變片+測量電路。2023/2/7222.1測量電路——不平衡電橋

金屬應變片的電阻變化范圍很小，如果直接用歐姆表測量其電阻值的變化將十分困難，且誤差很大。

2023/2/723電橋平衡的條件：R1/R2=R4/R3

調(diào)節(jié)RP，最終可以使R1/R2=R4/R3（R1、R2是R1、R2并聯(lián)RP后的等效電阻），電橋趨于平衡，Uo被預調(diào)到零位，這一過程稱為調(diào)零。圖中的R5是用于減小調(diào)節(jié)范圍的限流電阻。

2023/2/724單臂電橋

全橋四臂工作方式的靈敏度最高，雙臂半橋次之，單臂半橋靈敏度最低。2023/2/725

雙臂電橋

R1、

R2為應變片，

R3、R4為固定電阻。應變片R1、R2感受到的應變1~2以及產(chǎn)生的電阻增量正負號相間，可以使輸出電壓Uo成倍地增大。2023/2/726四臂全橋

全橋的四個橋臂都為應變片，如果設法使試件受力后，應變片R1~

R4產(chǎn)生的電阻增量（或感受到的應變1~4）正負號相間，就可以使輸出電壓Uo成倍地增大。上述三種工作方式中，全橋四臂工作方式的靈敏度最高，雙臂半橋次之，單臂半橋靈敏度最低。采用全橋（或雙臂半橋）還能實現(xiàn)溫度自補償。2023/2/727全橋的溫度補償原理

當環(huán)境溫度升高時，橋臂上的應變片溫度同時升高，溫度引起的電阻值漂移數(shù)值一致，可以相互抵消，所以全橋的溫漂較??；半橋也同樣能克服溫漂。2023/2/7282.2各種類型稱重傳感器

應變式力傳感器

FFFF2023/2/729各種懸臂梁（書上所說的梁式力傳感器）

2023/2/730各種懸臂梁（梁式力傳感器）

FF固定點固定點電纜2023/2/731應變片在懸臂梁上的粘貼及變形（梁式力傳感器）

應變式荷重傳感器的外形及應變片的粘貼位置（就是書上所說的柱筒式力傳感器）FR1R2R4應變式荷重傳感器外形及受力位置（柱筒式力傳感器）FF應變式荷重傳感器外形及受力位置（柱筒式力傳感器）FF荷重傳感器原理演示（柱筒式力傳感器）

荷重傳感器上的應變片在重力作用下產(chǎn)生變形。軸向變短，徑向變長。

2023/2/736汽車衡2023/2/737汽車衡（以下參考北京遠亞興業(yè)商貿(mào)有限公司資料）汽車衡稱重系統(tǒng)荷重傳感器用于構件的稱重

荷重傳感器（共