第3章 应变式力学量传感器

1,第3章应变式力学量传感器,传感器原理、设计与应用,2,力学量传感器,主要用于测量力、加速度、扭力、压力、流量等物理量。这些物理量的测量都是与机械应力有关，所以把这类传感器称为力学量传感器。力学量传感器的种类繁多，应用较为普遍的有：电阻式、电容式、变磁阻式、振弦式、压阻式、压电式、光纤式等。不同类型的力学量传感器所涉及的原理、材料、特性及工艺也各不相同。,3,应力、应变的基本概念,1.应力的基本概念在一组自相平衡的外力作用下物体内各个部分产生相互作用力，我们用应力来描写。给一根截面积为S的均匀直杆两端施加方向相反的拉力F。如果在杆中A点作一垂直于杆轴的截面并且考虑被这截面分开的左半段杆子，根据静力平衡要求，在此截面上分布有合力为F的力，这个力就是右半段杆子通过截面A作用到左半段杆子上的内力。我们把作用在单位面积上的内力叫做应力。,4,式中值大于零表示拉伸应力，小于零表示压缩应力。应力符号的两个下角标中，第一个记为截面法线指向，第二个下角标记为力的方向。,5,2.应变的基本概念在外力作用下物体会产生变形，应变是衡量变形大小的力学量。,6,目录,前言3.1电阻应变式传感器的工作原理3.2电阻应变片的结构和工作原理3.3电阻应变片的种类、材料和参数3.4电阻应变片的主要参数3.5电阻应变片的动态响应特性3.6应变计粘贴工艺3.7电阻应变式传感器的温度误差及其补偿3.8电阻应变式传感器的信号调节电路及电阻应变仪3.9电阻应变式传感器本章小结,7,前言,电阻应变式传感器具有悠久的历史是应用最广泛的传感器之一。将电阻应变片粘贴到各种弹性敏感元件上，可构成测量位移、加速度、力、力矩、压力等各种参数的电阻应变式传感器。,虽然新型传感器不断出现，为测试技术开拓了新的领域。但是，由于电阻应变测试技术具有以下独特优点，可以预见在今后它仍将是一种主要的测试手段。,8,它已广泛应用于许多领域，诸如航空、机械、电力、化工、建筑。,电阻应变式传感器的优点：,结构简单，使用方便，性能稳定、可靠；易于实现测试过程自动化和多点同步测量、远距测量和遥测；灵敏度高，测量速度快。适合静态、动态测量；可以测量多种物理量。,9,3.1电阻应变式传感器的工作原理,电阻应变式传感器由弹性敏感元件与电阻应变片构成。弹性敏感元件在感受被测量时产生变形，其表面产生应变。粘贴在弹性敏感元件表面的电阻应变片将随着弹性敏感元件产生应变，因此电阻应变片的电阻值也产生相应的变化。这样，通过测量电阻应变片的电阻值变化，就可以确定被测量的大小了。,10,电阻应变片的工作原理是基于金属的应变效应。金属丝的电阻随着它所受的机械变形(拉伸或压缩)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。原因：因为金属丝的电阻与材料的电阻率及其几何尺寸和截面积有关，而金属丝在承受机械变形的过程中，这二者都要发生变化，因而引起金属丝的电阻变化。,电阻应变片(计)的工作原理,(金属的应变效应),11,3.2电阻应变片的结构和工作原理,一、应变片的结构,12,二、电阻一应变特性,金属导线受力变形情况,F:横截面积,灵敏系数,14,讨论,对金属丝，s第二项可忽略不计，故Ks=1+20.250.5故Ks=1+21.52对半导体材料，s=1+2+EE1+2故s=E（:压阻系数）=(4080)10-11m2/N,E=1.671011Pa故s=E50100,15,压阻式传感器的基本原理可以从材料电阻的变化率看出。任何材料电阻的变化率都可由下式决定：,对半导体而言，上式中前两项很小，而电阻率的变化率较大，故半导体电阻的变化率主要是由第三项引起的。已知,如果引用,式中，为压阻系数；为应力；为弹性模量；为轴向应变，则上式可写为：,16,式中，为半导体材料的灵敏系数。,半导体材料的比大得多，因而电阻相对变化可写成,上式说明，半导体材料受力后电阻的变化率主要是由引起的，这就是压阻式传感器所依据的原理。,硅的压阻效应与晶向有关，设计和制造时应注意晶向的选择。,17,通过弹性敏感元件转换作用，将位移、力、力矩、加速度、压力等参数转换为应变，因此可以将应变片由测量应变扩展到测量上述参数，从而形成各种电阻应变式传感器。,三、应变片测试原理,18,电阻应变片的横向效应,圆弧段部分的电阻变化，将小于其同样长度沿轴向安放的金属丝的电阻变化。由此可见，将直的金属丝绕成敏感栅后，虽然长度相同，但应变状态不同，应变片敏感栅电阻变化较直的金属丝小，因此灵敏度系数有所降低，这种现象称为应变片的横向效应。,泊松关系,19,一、丝式应变片1回线式应变片2短接式应变片二、箔式应变片三、薄膜应变片四、半导体应变片,3.3电阻应变片的种类、材料和参数,电阻应变片的种类,20,1回线式应变片图(a)为常见的回线式应变片构造图。,一、丝式应变片,图(b)为常见的短接式应变片构造图。,2短接式应变片,21,常见的几种箔式应变片构造形式。,二、箔式应变片,22,这类应变片系利用照相制版或光刻腐蚀的方法，将电阻箔树在绝缘其底下制成各种图形而成的应变片。箔材厚度多在0.001一0.01mm之间。利用光刻技术，可以制成适用各种需要的、形状美观的、称为应变花的应变片。,23,它具有很多优点，在测试中得到了日益广泛的应用，在常温条件下，已逐步取代了线绕式应变片。保证敏感栅尺寸准确、线条均匀可以制成任意形状以适应不同的测量要求粘合面积大粘接情况好，传递试件应变性能好散热性能好横向效应可以忽略机械滞后小，疲劳寿命高,24,其厚度在0.1m以下。它是采用真空蒸发或真空沉积等方法，将电阻材料在基底上制成一层各种形式敏感栅而形成应变片。这种应变片灵敏系数高，易实现工业化生产，是一种很有前途的新型应变片。目前实际使用中的主要问题，是尚难控制其电阻对温度和时间的变化关系。,三、薄膜应变片,25,四、半导体应变片,优点：横向效应小；灵敏系数大缺点：温度稳定性差；非线性严重,26,一、应变片电阻值它是指未安装的应变片，在不受外力的情况下，于室温条件测定的电阻值，也称原始阻值单位以计。应变片电阻值已趋于标准化，有60，l20,350，600和1000各种阻值,其中120为最常使用。二、绝缘电阻即敏感栅与基底间的电阻值，一般应大于1010,3.4电阻应变片的主要参数,为了正确选用电阻应变片，应该对影响其工作特性的主要参数进行了解。,27,三、灵敏系数灵敏系数系指应变片安装于试件表面，在其轴线方向的单向应力作用下，应变片的阻值相对变化与试件表面上安装应变片区域的轴向应变之比。K值的准确性将直接影响测量精度，其误差大小是衡量应变片质量优劣的主要标志。同时要求K值尽量大而稳定。四、允许电流允许电流系指不因电流产生热量影响测量精度。应变片允许通过的最大电流。它与应变片本身、试件、粘合剂和环境等有关。要根据应变片的阻值和结合电路具体情况计算。为保测量精度，在静态测量时，允许电流一般为25mA，在动态测量时允许电流可达75-100mA箔式应变片允许电流较大。,应变片的主要参数,28,五、应变极限是指在温度一定时，指示应变值和真实应变的相对差值不超过一定数值时的最大真实应变数值，一般差值规定为10，当指示应变值大于真实应变的10时，真实应变值称为应变片的极限应变。六、机械滞后、零漂和蠕变应变片的机械滞后是指对粘贴的应变片，在温度一定时，增加和减少机械应变过程中同一机械应变量下指示应变的最大差值。零点漂移是指已粘贴好的应变片，在温度一定和无机械应变时，指示应变随时间的变化。蠕变是指已粘贴好的应变片，在温度一定并承受一定的机械应变时，指示应变值随时间的变化。,应变片的主要参数,29,3.5电阻应变片的动态响应特性,当试件或弹性元件的应变大小和方向随时间改变时，应变片处于动态下工作。这就会出现：应变从试件或弹性元件传到敏感栅要用多长时间在进行高频的动态应变测量时，哪些因素影响应变片对动态应变的响应。,应变波经过试件或弹性元件材料粘合层最后传播到应变片,应变波的传播过程:,30,应变波在几种试件材料中的传播速度（单位m/s),31,应变波在粘合层和应变片基底中的传播非常短暂，可忽略不计。只有应变波通过应变片的全部长度后，应变片所反映的波形才能达到最大值。,32,测量误差与应变波长对基长的比值/l0有关如右图,一、应变波为正弦波,结论：/l0越大，测量误差越小；l0越小，测量误差越小（在一定时）,33,abc,a:阶跃波形b:上升时间的滞后（理论）c:实际输出波形,三、其他情况基长l0应尽量选用短的，这样可更真实测出被测部位的应变提高测试精度。,二、应变波为阶跃波,注：V-应变波传播速度,34,一、应变片检查（外观和电阻值）二、修整应变片（标注中心线；长宽修理；基底打磨）三、试件表面处理（平整光滑）四、划粘贴应变片的定位线（中心线与定位线对准）五、粘贴应变片（粘合剂层尽量减薄）六、粘合剂的固化处理七、应变片粘贴质量的检查（外观和电阻检查）八、引出线的固定保护（导线焊接）九、应变片的防潮处理（石蜡熔化后涂在表面）,3.6应变计粘贴工艺,35,包括两方面：温度变化引起应变片敏感栅电阻变化而产生附加应变试件材料与敏感栅材料的线膨胀系数不同，使应变片产生附加应变,3.7电阻应变式传感器的温度误差及其补偿,1.温度误差及其产生原因,36,温度变化引起应变片敏感栅电阻变化而产生附加应变,附加应变为：,37,试件材料与敏感栅材料的线膨胀系数不同，使应变片产生附加应变。如果粘贴在试件上一段长度为l0的应变丝当温度变化t时，应变丝受热膨胀至lt1,而应变丝下的试件伸长为lt2:,38,由上面的式子可知，如果试和丝不相等，则lt1和lt2也就不等，但是应变丝和试件是粘结在一起的，若丝试，则应变丝被迫从lt1拉长到lt2，这就使应变丝产生附加变形lt：,引起的电阻变化为：,总电阻变化为：,总附加虚假应变量为：,39,温度补偿方法，基本上分为桥路补偿和应变片自补偿两大类。(1)桥路补偿法,2.温度补偿方法,R1、R2完全一致，只不过两者一接受应力作用，另一个不接受应力作用。,40,(2)应变片自补偿法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，这种特殊应变片称为温度自补偿应变片。利用温度自补偿应变片来实现温度补偿的方法称为应变片自补偿法。下面介绍两种的自补偿应变片.A选择式自补偿应变片实现温度补偿的条件:t=0,41,它是利用两种电阻丝材料的电阻温度系数不同(一个为正，一个为负)的特性，将二者串联制成敏感栅若两段敏感栅R1和R2由于温度变化而产生的电阻变化为Rt1Rt2大小相等而符号相反就可以实现温度补偿。,B、双金属敏感栅自补偿应变片(组合式自补偿应变片),42,图中的热敏电阻Rt处在与应变片相同的温度条件下，当应变片的灵敏度随温度升高而下降时，热敏电阻的阻值也下降，使电桥的输入电压随温度升高而增加，从而提高电桥的输出，补偿因应变片引起的输出下降。选择分流电阻R5的值，可以得到良好的补偿。,(3)热敏电阻补偿法,43,Givemewheretostand,andIwillmovetheworld.ArchimedesGeniusisonepercentinspirationandninety-ninepercentperspiration.Edison,44,3.8电阻应变式传感器的信号调节电路及电阻应变仪,应变片可以把应变的变化转换为电阻的变化，为显示与记录应变的大小，还要把电阻的变化再转换为电压或电流的变化完成上述作用的电路称为电阻应变式传感器的信号调节电路，一般采用测量电桥。,45,常用的测量电路有单臂电桥、差动半桥和差动全桥差动全桥可提高电桥的灵敏度，消除电桥的非线性误差、还可消除温度误差等共模干扰一般在测量中都用4片应变片组成差动全桥应变片粘贴位置的不同会影响测量的灵敏度和非线性误差，必须合理选取应变片的粘贴位置来提高测量精度。,46,3.9电阻应变式传感器,由弹性元件和应变片，以及一些附件(补偿元件、保护罩等)组成的装置称为应变式传感器。,1.电阻应变式力传感器测力传感器主要作为各种电子秤和材料试验机的测力元件，或用于发动机的推力测试，以及水坝坝体承载状况的监视等。传感器量程从几克到几百吨。,圆柱式测力传感器：称重测力传感器XJCY06,47,灵敏度横截面积,实心园柱：,轴向：,抗弯能力减弱对横向干扰力敏感,A、柱式力传感器,48,圆柱体轴向就是最大正应变处圆柱体的环向即为最大负应变处贴片时，在轴向贴两片应变片，在环向贴另两片应变片，可获得最大的灵敏度,49,轴向应变片接到测量电桥中的相对桥臂上环向应变片接到测量电桥的另一相对桥臂上,50,B、梁式力传感器(1)等截面梁应变式力传感器,z一距固定端为x处的应变值；l梁的长度；x某一位置到固定端的距离，E梁的材料的弹性模量；,距载荷点l0的上下表面贴上R1-R4电阻应变片R1、R2受拉，则R3、R4受压，两者发生极性相反的等量应变组成差动电桥：差动结构补偿型，灵敏度提高,51,(2)等强度梁应变式力传感器,等强度梁在自由端加上作用力时，在梁上各处产生的应变大小相等。,F加在梁的两斜边的交汇点T处，以保证等应变性,52,C、薄壁圆环式力传感器,外力作用下，各点的应力差别较大。环的厚度为h，外径为R，宽度为b，应变片R1，R4贴在外表面，R2，R3贴在内表面，贴片处的应变量为:,53,D、剪切式力传感器：切应力变化,(1)梁式剪切力传感器,54,55,(2)轮辐式剪切力传感器,56,主要用于液体、气体动态和静态压力的测量，如内燃机管道和动力设备管道的进气口、出气口的压力测量，以及发动机喷口的压力、枪、炮管内部压力的测量等。这类传感器主要采用膜片式、薄板式、筒式、组合式的弹性元件。,2、应变式压力传感器,57,A、板式