應(yīng)變片式傳感器

應(yīng)變片式傳感器第一頁，共二十三頁，2022年，8月28日優(yōu)點：

①精度高，測量范圍廣

②頻率響應(yīng)特性較好

③結(jié)構(gòu)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(xué)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，便于選擇一、

金屬應(yīng)變片式傳感器

金屬應(yīng)變片式傳感器的核心元件是金屬應(yīng)變片，它可將試件上的應(yīng)變變化轉(zhuǎn)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(yīng)變柵范圍內(nèi)的平均應(yīng)變，不能顯示應(yīng)力場中應(yīng)力梯度的變化等；不能用于過高溫度場合下的測量。第二頁，共二十三頁，2022年，8月28日+-

DC+6V

+R

A實驗一因為：金屬導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻與其電阻率及幾何尺寸（長度、面積）有關(guān)，當其受到外力作用時，這些參數(shù)發(fā)生變化，因而引起其的電阻的變化，進而引起電流的變化。原理：金屬導(dǎo)體或半導(dǎo)體在受到外力作用時，會產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)變，其電阻也將隨之發(fā)生變化。K電流:小大施加力F?RK接通時安培表指示安培表變化電阻：大—>小第三頁，共二十三頁，2022年，8月28日應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu)

電阻應(yīng)變片式傳感器是目前用于測量力、力矩、壓力、加速度、質(zhì)量等參數(shù)最廣泛的傳感器之一。其基本結(jié)構(gòu)與組成如左圖示意。電阻絲(敏感柵)—轉(zhuǎn)換元件基底與面膠—中間介質(zhì)和絕緣作用蓋層引線--連接測量導(dǎo)線之用第四頁，共二十三頁，2022年，8月28日主要特性

靈敏度系數(shù).

物理意義：單位應(yīng)變所引起的電阻相對變化.

橫向效應(yīng)

機械滯后.

零點漂移和蠕變.

應(yīng)變極限.

動態(tài)響應(yīng)特性.第五頁，共二十三頁，2022年，8月28日（1）

靈敏度系數(shù)金屬應(yīng)變絲的電阻相對變化與它所感受的應(yīng)變之間具有線性關(guān)系，用靈敏度系數(shù)KS表示。當金屬絲做成應(yīng)變片后，其電阻—應(yīng)變特性，與金屬單絲情況不同。因此，須用實驗方法對應(yīng)變片的電阻—應(yīng)變特性重新測定。實驗表明，金屬應(yīng)變片的電阻相對變化與應(yīng)變ε在很寬的范圍內(nèi)均為線性關(guān)系。即K為金屬應(yīng)變片的靈敏系數(shù)。注意，K是在試件受一維應(yīng)力作用，應(yīng)變片的軸向與主應(yīng)力方向一致，且試件材料的泊松比為0.285的鋼材時測得的。測量結(jié)果表明，應(yīng)變片的靈敏系數(shù)K恒小于線材的靈敏系數(shù)KS。原因：膠層傳遞變形失真，橫向效應(yīng)也是一個不可忽視的因素。

第六頁，共二十三頁，2022年，8月28日絲繞式應(yīng)變片敏感柵半圓弧形部分bOlεrrdldθθε0ε（2）

橫向效應(yīng)金屬應(yīng)變片由于敏感柵的兩端為半圓弧形的橫柵，測量應(yīng)變時，構(gòu)件的軸向應(yīng)變ε使敏感柵電阻發(fā)生變化，其橫向應(yīng)變εr也將使敏感柵半圓弧部分的電阻發(fā)生變化(除了ε起作用外)，應(yīng)變片的這種既受軸向應(yīng)變影響，又受橫向應(yīng)變影響而引起電阻變化的現(xiàn)象稱為橫向效應(yīng)。圖為應(yīng)變片敏感柵半圓弧部分的形狀。沿軸向應(yīng)變?yōu)棣牛貦M向應(yīng)變?yōu)棣舝

。第七頁，共二十三頁，2022年，8月28日（3）

機械滯后

應(yīng)變片粘貼在被測試件上，當溫度恒定時，其加載特性與卸載特性不重合，即為機械滯后。產(chǎn)生原因：應(yīng)變片在承受機械應(yīng)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；在制造或粘貼應(yīng)變片時，如果敏感柵受到不適當?shù)淖冃位蛘哒辰Y(jié)劑固化不充分。ΔεΔε1機械應(yīng)變ε卸載加載指示應(yīng)變εi應(yīng)變片的機械滯后機械滯后值還與應(yīng)變片所承受的應(yīng)變量有關(guān)，加載時的機械應(yīng)變愈大，卸載時的滯后也愈大。所以，通常在實驗之前應(yīng)將試件預(yù)先加、卸載若干次，以減少因機械滯后所產(chǎn)生的實驗誤差。第八頁，共二十三頁，2022年，8月28日（4）

零點漂移和蠕變

對于粘貼好的應(yīng)變片，當溫度恒定時，不承受應(yīng)變時，其電阻值隨時間增加而變化的特性，稱為應(yīng)變片的零點漂移產(chǎn)生原因：敏感柵通電后的溫度效應(yīng)；應(yīng)變片的內(nèi)應(yīng)力逐漸變化；粘結(jié)劑固化不充分等。

如果在一定溫度下，使應(yīng)變片承受恒定的機械應(yīng)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(yīng)變量的方向相反。產(chǎn)生原因：由于膠層之間發(fā)生“滑動”，使力傳到敏感柵的應(yīng)變量逐漸減少。這是兩項衡量應(yīng)變片特性對時間穩(wěn)定性的指標，在長時間測量中其意義更為突出。實際上，蠕變中包含零漂，它是一個特例。第九頁，共二十三頁，2022年，8月28日（5）應(yīng)變極限在一定溫度下，應(yīng)變片的指示應(yīng)變對測試值的真實應(yīng)變的相對誤差不超過規(guī)定范圍（一般為10%）時的最大真實應(yīng)變值。在圖中，真實應(yīng)變是由于工作溫度變化或承受機械載荷，在被測試件內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)力(包括機械應(yīng)力和熱應(yīng)力)時所引起的表面應(yīng)變。εlim真實應(yīng)變εz指示應(yīng)變εi應(yīng)變片的應(yīng)變極限±10%1主要因素：粘結(jié)劑和基底材料傳遞變形的性能及應(yīng)變片的安裝質(zhì)量。制造與安裝應(yīng)變片時，應(yīng)選用抗剪強度較高的粘結(jié)劑和基底材料?；缀驼辰Y(jié)劑的厚度不宜過大，并應(yīng)經(jīng)過適當?shù)墓袒幚?，才能獲得較高的應(yīng)變極限。第十頁，共二十三頁，2022年，8月28日（6）

動態(tài)特性當被測應(yīng)變值隨時間變化的頻率很高時，需考慮應(yīng)變片的動態(tài)特性。因應(yīng)變片基底和粘貼膠層很薄，構(gòu)件的應(yīng)變波傳到應(yīng)變片的時間很短(估計約0.2μs)，故只需考慮應(yīng)變沿應(yīng)變片軸向傳播時的動態(tài)響應(yīng)。設(shè)一頻率為f的正弦應(yīng)變波在構(gòu)件中以速度v沿應(yīng)變片柵長方向傳播，在某一瞬時t，應(yīng)變量沿構(gòu)件分布如圖所示。應(yīng)變片對應(yīng)變波的動態(tài)響應(yīng)ε0應(yīng)變片ε1lx1λεx第十一頁，共二十三頁，2022年，8月28日4、

溫度誤差及其補償（1）

溫度誤差用作測量應(yīng)變的金屬應(yīng)變片，希望其阻值僅隨應(yīng)變變化，而不受其它因素的影響。實際上應(yīng)變片的阻值受環(huán)境溫度(包括被測試件的溫度)影響很大。由于環(huán)境溫度變化引起的電阻變化與試件應(yīng)變所造成的電阻變化幾乎有相同的數(shù)量級，從而產(chǎn)生很大的測量誤差，稱為應(yīng)變片的溫度誤差，又稱熱輸出。因環(huán)境溫度改變而引起電阻變化的兩個主要因素：應(yīng)變片的電阻絲(敏感柵)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。第十二頁，共二十三頁，2022年，8月28日

電橋補償法

如圖，電橋輸出電壓與橋臂參數(shù)的關(guān)系為

式中A——由橋臂電阻和電源電壓決定的常數(shù)。USCR2R4R1R3E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，并且補償效果較好，這是最常用的補償方法之一。

第十三頁，共二十三頁，2022年，8月28日測量應(yīng)變時，使用兩個應(yīng)變片，一片貼在被測試件的表面，圖中R1稱為工作應(yīng)變片。另一片貼在與被測試件材料相同的補償塊上，圖中R2，稱為補償應(yīng)變片。在工作過程中補償塊不承受應(yīng)變，僅隨溫度發(fā)生變形。由于R1與R2接入電橋相鄰臂上，造成ΔR1t與ΔR2t相同，根據(jù)電橋理論可知，其輸出電壓USC與溫度無關(guān)。當工作應(yīng)變片感受應(yīng)變時，電橋?qū)a(chǎn)生相應(yīng)輸出電壓。補償應(yīng)變片粘貼示意圖R1R2第十四頁，共二十三頁，2022年，8月28日當被測試件不承受應(yīng)變時，R1和R2處于同一溫度場，調(diào)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ΔR1t=ΔR2t，即兩個應(yīng)變片的熱輸出相等，由上式可知電橋的輸出電壓為零，即=第十五頁，共二十三頁，2022年，8月28日若此時有應(yīng)變作用，只會引起電阻R1發(fā)生變化，R2不承受應(yīng)變。故由前式可得輸出電壓為由上式可知，電橋輸出電壓只與應(yīng)變ε有關(guān)，與溫度無關(guān)。為達到完全補償，需滿足下列三個條件：①R1和R2須屬于同一批號的，即它們的電阻溫度系數(shù)α、線膨脹系數(shù)β、應(yīng)變靈敏系數(shù)K都相同，兩片的初始電阻值也要求相同；②用于粘貼補償片的構(gòu)件和粘貼工作片的試件二者材料必須相同，即要求兩者線膨脹系數(shù)相等；③兩應(yīng)變片處于同一溫度環(huán)境中。

此方法簡單易行，能在較大溫度范圍內(nèi)進行補償。缺點是三個條件不易滿足，尤其是條件③。在某些測試條件下，溫度場梯度較大，R1和R2很難處于相同溫度點。第十六頁，共二十三頁，2022年，8月28日原理：它是利用照相制版或光刻腐蝕法將電阻箔材在絕緣基底上制成各種圖形的應(yīng)變片；優(yōu)點：敏感柵尺寸準確，線條均勻；其彎頭橫向效應(yīng)可以忽略；可通過較大的電流；散熱性好，壽命長；生產(chǎn)效率高；第十七頁，共二十三頁，2022年，8月28日（三）

測量電路

應(yīng)變片將應(yīng)變的變化轉(zhuǎn)換成電阻相對變化ΔR/R，要把電阻的變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流的變化，才能用電測儀表進行測量。電阻應(yīng)變片的測量線路多采用交流電橋(配交流放大器)，其原理和直流電橋相似。直流電橋比較簡單，因此首先分析直流電橋，如圖所示。當電源E為電勢源，其內(nèi)阻為零時，可求出檢流計中流過的電流Ig與電橋各參數(shù)之間的關(guān)系為

R2R4R1R3E電橋線路原理圖RgACDIgB第十八頁，共二十三頁，2022年，8月28日（四）應(yīng)變式傳感器應(yīng)用金屬應(yīng)變片，除了測定試件應(yīng)力、應(yīng)變外，還制造成多種應(yīng)變式傳感器用來測定力、扭矩、加速度、壓力等其它物理量。應(yīng)變式傳感器包括兩個部分：一是彈性敏感元件，利用它將被測物理量（如力、扭矩、加速度、壓力等）轉(zhuǎn)換為彈性體的應(yīng)變值；另一個是應(yīng)變片作為轉(zhuǎn)換元件將應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻的變化。柱力式傳感器梁力式傳感器應(yīng)變式壓力傳感器應(yīng)變式加速度傳感器第十九頁，共二十三頁，2022年，8月28日1、柱力式傳感器

圓柱式力傳感器的彈性元件分為實心和空心兩種。柱式力傳感器-ε2+ε1截面積SFFF面積S-ε1+ε2b）a）在軸向布置一個或幾個應(yīng)變片，在圓周方向布置同樣數(shù)目的應(yīng)變片，后者取符號相反的橫向應(yīng)變，從而構(gòu)成了差動對。由于應(yīng)變片沿圓周方向分布，所以非軸向載荷分量被補償，在與軸線任意夾角的α方向，其應(yīng)變?yōu)椋害?——沿軸向的應(yīng)變；μ——彈性元件的泊松比。當α=0時當α=90?時E：彈性元件的楊氏模量第二十頁，共二十三頁，2022年，8月28日2、梁力式傳感器

等強度梁彈性元件是一種特殊形式的懸臂梁。梁的固定端寬度為b0，自由端寬度為b，梁長為L，粱厚為h。LR1R3R2R4xFhb等強度梁彈性元件b0R4力F作用于梁端三角形頂點上，梁內(nèi)各斷面產(chǎn)生的應(yīng)力相等，故在對L方向上粘貼應(yīng)變片位置要求不嚴。橫截面梁雙空梁S形彈性元件第二十一頁，共二十三頁，2022年，8月28日P（b）（a）應(yīng)變式壓力傳感器3、

應(yīng)變式壓力傳感器測量氣體或液體壓力的薄板式傳感器，如圖所示。當氣體或液體壓力作用在薄板承壓面上時，薄板變形，粘貼在另一面的電阻應(yīng)變片隨之變形，并改變阻值。這時測量電路中電橋平衡被破壞，產(chǎn)生輸出電壓。圓形薄板固定形式：采用嵌固形式，如圖（a）或與傳感器外殼作成一體，如圖(b)。應(yīng)變片第二十二頁，共二十三頁，2022年，8月28日4、應(yīng)變式加速度傳感器由