2013 应变式传感器1课件

一.金属电阻应变片的工作原理 应变片的结构与种类 电阻应变片的特性,第6章 传感器原理与测量电路(1) （参看第10章） 电阻应变式传感器,本学时主要讲解内容：,机械工程测试技术,13-14学时,应变式传感器是基于金属电阻应变效应原理做成的一种 传感器。其核心元件是电阻应变片，它可将机械应力变化转 换成电阻变化。通过测量电阻应变片的电阻值变化,来测量位 移,加速度,力,力矩,压力等各种参数. 传感器由在弹性元件上粘贴电阻应变敏感元件构成。它的 弹性元件是柱体或梁体(柱式;梁式等),弹性元件在感受被测 量时产生变形,而粘贴在弹性元件上的金属丝的电阻随着它所 受的机械变形的大小而发生相应的变化的现象称为金属的电 阻应变效应。,一.金属电阻应变片的工作原理,取一根细电阻丝，两端接上一台3位半位数字式欧姆表,记下其初始阻值（图中为10.01）。当我们用力将该电阻丝拉长时，会发现其阻值略有增加（图中增加到为10.05）。,1. 工作原理 金属丝的电阻为什么会随其发生的应变而变化呢？下面我们来具体的推导一下。,设金属丝长为l、 截面积为A、 电阻率为,则电阻R的表达式为:,（1）,从（1）式可看出，金属丝的电阻的大小和材料的电阻率有关，还和它的几何尺寸有关，而金属丝在受到机械变形的过程中，这三者都要发生变化，因而引起金属丝的电阻变化。 若电阻丝在受到拉力的作用时, 其长度变化l, 截面积变化A, 电阻率变化, 而引起电阻变化R, 则电阻的相对变化量为:,设电阻丝为圆形截面, 半径为r, 因A=r2, A= 2 rr,（2）,则,称为横向应变,由材料力学可知，长度的变化量用应变量x表示：,称为纵向应变。,面积的变化量用应变量y表示：,=y,金属丝受拉力时，沿轴向伸长，沿径向缩短则轴向应变和径向应变的关系为：,y=-x,即横向应变与纵向应变之比为金属材料的泊松系数。,电阻率相对变化 /=E,将以上代入（2）有：,R/R=(1+2+E),（3）,通常将式中(1+2+ E)用K0表示,称为灵敏系数。因此上式可表示为:,R/R=K0 (4),式中杨氏模量E=1.671011Pa,压阻系数=(40-50)10-11m2/N,表示当发生应变时的灵敏系数为电阻变化率与其应变的比值。,对于金属, E很小, 可忽略不计, =0.250.5, 故k0=1+21.52。 对于半导体, E比1+2大得多, 则E50100, 故（1+2）可以忽略不计。 可见, 半导体灵敏度要比金属大50100倍。 ,即:,（1）丝式 下图所示为其丝式的一种构造简图。,2. 应变片的结构与种类,电阻应变片主要分为,常见的金属电阻应变片有，箔式,金属电阻应变片,半导体应变片,丝式,薄膜式,主要由四部分组成：1）电阻丝（敏感栅），4）基片，2）保护片，3）引线,1）电阻丝（敏感栅）：排列成网状的高阻金属丝。它是应变片的转换元件。图中, L称为应变计的标距, 也称（基）栅长, a称为（基）栅宽, La称为应变计的使用面积。 （一般是合金，电阻率较高，直径约0.025mm） 2）基片（覆盖层）：将敏感栅用粘合剂贴在绝缘的基片4上。作用是将传感器弹性体的应变传递到敏感栅1的中间介质,并起到电阻丝和弹性体间的绝缘作用。,3）保护片2：起着保护电阻丝的作用 4）引线3：电阻丝较细, 一般在0.0150.06 mm, 其两端焊有较粗的低阻镀锡铜丝（0.10.2mm），以便与测量电路连接。,利用光刻、腐蚀等工艺制成一种很薄的金属箔栅，厚度一般在0.0030.010 mm，粘贴在基片上，上面再覆盖一层薄膜而制成。其优点是表面积和截面积之比大，散热条件好，允许通过的电流较大，可制成各种需要的形状，便于批量生产。,（2）箔式应变片,图2.3 几种箔式应变计,（3）金属薄膜应变片,金属薄膜应变片是采用真空蒸镀或溅射式阴极扩散等方法，在薄的基底材料上制成一层金属电阻材料薄膜以形成应变片。,在实际应用中,选用应变片时,要考虑它的性能参数,主要有:电阻值;灵敏度;允许电流和应变极限等,目前市售的应变片电阻值已标准化,主要规格有60,120 ,350 ,600 ,1000 .,二.电阻应变片的主要特性,1.应变片的主要规格：,应变片再选用时，主要选用它的电阻值，且电阻值已标准化，主要规格有：60；120；350；600；1000等，其中120的用的最多。,2.应变片的线性度和灵敏度系数,金属丝做成应变片后, 由于基片、粘合剂以及敏感栅的横向效应, 电阻应变特性与单根金属丝将有所不同, 必须重新用实验来测定。实验表明，金属应变片的电阻相对变化与应变在很宽的范围内均为线性关系。即,式中, k0为电阻应变计的灵敏度系数。 试件的应变和电阻的相对变化R/R, 在理论上呈线性关系。 但实际上, 在大应变时, 会出现非线性关系。应变计的非线性度一般要求在0.05%或1%以内。,因一般应变片粘贴到试件上后不能取下再用, 只能在每批产品中提取一定百分比（如 5%）的产品进行测定, 取其平均值作为这一批产品的灵敏度系数。这就是产品包装盒上注明的灵敏度系数, 或称“标称灵敏度系数”。,3.横向效应,实验表明, 应变片的灵敏度k0恒小于单根金属丝的灵敏度系数k。其原因除了粘合剂、基片传递变形失真外, 主要是由于存在横向效应。 由材料力学的知识：在弹性范围内，金属丝受拉力时，沿轴向伸长，沿径向缩短. 应变片的这种既受轴向应变影响，又受横向应变影响而引起电阻变化的现象称为横向效应。,4. 温度误差及其补偿,(1) 温度误差,用作测量应变的金属应变片，希望其阻值仅随应变变化，而不受其它因素的影响。实际上应变片的阻值受环境温度(包括被测试件的温度)影响很大。由于环境温度变化引起的电阻变化与试件应变所造成的电阻变化几乎有相同的数量级，从而产生很大的测量误差，称为应变片的温度误差，又称热输出。 下面来分析温度误差的原因及补偿方法。,由环境温度改变而引起电阻变化的两个主要因素： 应变片的电阻丝(敏感栅)具有一定温度系数； 电阻丝材料与测试材料的线膨胀系数不同。,电阻温度系数的影响:,设环境引起的构件温度变化为T（）时，粘贴在试件表面的应变片敏感栅材料的电阻温度系数为t ，则应变片由于环境温度变化产生的电阻相对变化为:,从(1)式可看出,由于t为常数,当构件温度变化T时,会引起电阻R发生变化.,电阻丝材料与试件材料的线膨胀系数的影响:,由于敏感栅材料和被测试件材料两者线膨胀系数不同，当T 存在时，引起应变片的附加应变，相应的电阻相对变化为:,K应变片灵敏系数; e试件材料线膨胀系数； g敏感栅材料线膨胀系数。,综上所述,环境温度的变化T形成的总电阻相对变化为：,相应的由环境温度变化引起的虚假应变为:,可见，应变片热输出的大小不仅与应变计敏感栅材料的性能(t,g)有关，而且与被测试件材料的线膨胀系数(e)有关。,(2) 温度补偿方法,单丝自补偿应变片,粘贴在被测部位上的是一种特殊应变片,当温度变化时,产生的附加应变为零或相互抵消,这种应变片称为自补偿应变片. 由上面(3)式知，若使应变片在温度变化T时的热输出值为零，必须使,即:,单丝自补偿应变片的优点是结构简单，制造和使用都比较方便，但它必须在具有一定线膨胀系数材料的试件上使用，否则不能达到温度自补偿的目的。,双丝组合式自补偿应变片(双金属敏感栅自补偿 应变片),由两种不同电阻温度系数（一种为正值，一种为负值）的材料串联组成敏感栅，以达到一定温度范围内在一定材料的试件上实现温度补偿。这种应变片的自补偿条件要求粘贴在某种试件上的两段敏感栅，随温度变化而产生的电阻增量大小相等，符号相反，即,(Ra) t= (Rb) t,常用的最好的补偿方法是电桥补偿法。,测量应变时，使用两个应变片，一片贴在被测试件的表面,称为工作应变片R1 。另一片贴在与被测试件材料相同的补偿块上，称为补偿应变片RB。在工作过程中补偿块不承受应变，仅随温度发生变形。,把R1与RB接入电桥相邻臂上，当被测试件不承受应变时，R1和RB处于同一温度场，调整电桥参数，当电桥平衡时,电桥输出电压为零，即：,式中A为桥臂和电源电压所决定的常数,选择R1=RB=R 及 R3=R4=r(常数)。当温度升高或降低T 时，若R1t=RBt，即两个应变片的热输出相等，则电桥仍然平衡,电桥的输出电压为：,若被测试件受应变作用时，工作片R1感受应变，阻值变化R1 =R1K ；补偿片RB不承受应变，阻值不变。此时电桥输出电压为,由上式可知，电桥输出电压U0只与应变有关，与温度无关,Uo 与成单值函数关系。,电桥补偿法要达到全补偿，需满足下列三个条件： R1和RB须属于同一批号的，即它们的电阻温度系数、线膨胀系数、应变灵敏系数K都相同，两片的初始电阻值也要求相同； 用于粘贴补偿片的构件和粘贴工作片的试件二者材料必须相同，即要求两者线膨胀系数相等； 两应变片处于同一温度环境中。,此方法简单易行，能在较大温度范围内进行补偿。缺点是条件不易满足，尤其是条件。在某些测试条件下，温度场梯度较大，R1和RB很难处于相同温度点。