力及压力测量应变片

1、压力及力的压力及力的 测量测量 压力的概念 和单位 应变式压力计 压电式、压磁式、 电容式、霍尔式 应变效应 应变片 应变片温度补偿 与粘贴 应变式 力与压力传感器 转换电路 1、压力的表示 2、应变片测力的原理 3、各种类型的应变片及其特点 4、应变片的温度误差及其补偿 5、应变片的应用电路 1.什么是压力 垂直作用在单位面积上的力称垂直作用在单位面积上的力称压力压力。 在国际单位制（在国际单位制（SI）和我国法定计量单位）和我国法定计量单位 中，压力的单位是中，压力的单位是“帕斯卡帕斯卡”，简称，简称 “帕帕”，符号为，符号为“Pa”。 即即1N的力垂直均匀作用在的力垂直均匀作用在1m2的

2、面积上所的面积上所 形成的压力值为形成的压力值为1Pa。 212 2 2 kgm 1Pa1N/m11kgm s m s 其他压力单位其他压力单位： “工程大气压力工程大气压力”（kgf/cm2）、）、“毫米汞柱毫米汞柱” （mmHg）、）、“毫米水柱毫米水柱”（mmH2O）、）、“标准标准 大 气 压大 气 压 ” （ a t m ） 、） 、 “ 巴巴” （ b a r ） 、） 、 “PSI” ）、）、“PSI”（“磅力每平方英寸磅力每平方英寸 ） 1 kgf/cm2 = 0.9807105Pa 1mmH2O = 0.980710Pa 1 mmHg = 1.332102Pa 1atm =

3、1.01325105Pa 1bar=105Pa 1 PSI=6.89103Pa u绝对压力绝对压力PJ u大气压力大气压力PD u表压力表压力PB PB= PJ PD u真空度真空度PZ（负压）（负压） PZ PD PJ 表压 大气压力线 负压 绝对 压力 真空度 1 0 绝对 压力 绝对压力的零线 1 2、压力的表示 二、应变式传感器二、应变式传感器 我们可以做这样一个较简单的实验：取一根细电阻丝， 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（增加到为 10.05）。测量应力、应变、力的传感器就是利用类似 的原理制作的。 设有一长度为、截面积为A、

4、半径为r、电阻率为 的金属单丝，它的电阻值R可表示为 当沿金属丝的长度方向作用均匀拉力（或压力）时 ，上式中、r、l都将发生变化，从而导致电阻值R发 生变化。 例如 （1）金属丝受拉时，l将变长、r变小，均导致R变大； （2）某些半导体受拉时,将变大，导致R变大。 2 ll R Ar 实验证明，电阻丝及应变片的电阻相对变化量实验证明，电阻丝及应变片的电阻相对变化量 R R R R与材料力学与材料力学 中的轴向应变中的轴向应变 x x的关系在很大范围内是线性的，即的关系在很大范围内是线性的，即 x R K R K K电阻应变片的灵敏度电阻应变片的灵敏度 x 称为电阻丝的轴向应变，也称纵向应变称为

5、电阻丝的轴向应变，也称纵向应变 x通常很小，在应变测通常很小，在应变测 量中，也常将之称为微应变量中，也常将之称为微应变 对于不同的金属材料，对于不同的金属材料，K 略微不同，一般为略微不同，一般为2左右。而对半导体材左右。而对半导体材 料而言，由于其感受到应变时，电阻率料而言，由于其感受到应变时，电阻率 会产生很大的变化，所以灵敏会产生很大的变化，所以灵敏 度比金属材料大几十倍。度比金属材料大几十倍。 2 3 4 1 电阻应变片结构示意图电阻应变片结构示意图 b l 由敏感栅1、基底2、盖片3、引线4和粘结剂等组成。 这些部分所选用的材料将直接影响应变片的性能。因 此，应根据使用条件和要求合

6、理地加以选择。 栅长栅长 栅宽栅宽 二、应变片的结构二、应变片的结构 与材料与材料 （1） 敏感栅敏感栅 由金属细丝绕成栅形。电阻应变片的电阻值为60、120、 200等多种规格，以120最为常用。 对敏感栅的材料的要求： 应变灵敏系数大，并在所测应变范围内保持为常数； 电阻率高而稳定，以便于制造小栅长的应变片； 电阻温度系数要小； 抗氧化能力高，耐腐蚀性能强； 在工作温度范围内能保持足够的抗拉强度； 加工性能良好,易于拉制成丝或轧压成箔材； 易于焊接，对引线材料的热电势小。 对应变片要求必须根据实际使用情况，合理选择。 （2） 基底和盖片基底和盖片 基底用于保持敏感栅、引线的几何形状和相对位

7、置，盖片 既保持敏感栅和引线的形状和相对位置，还可保护敏感栅。基 底的全长称为基底长，其宽度称为基底宽。 （3） 引线引线 是从应变片的敏感栅中引出的细金属线。对引线材料的性 能要求：电阻率低、电阻温度系数小、抗氧化性能好、易于焊 接。大多数敏感栅材料都可制作引线。 （4） 粘结剂粘结剂 用于将敏感栅固定于基底上，并将盖片与基底粘贴在一 起。使用金属应变片时，也需用粘结剂将应变片基底粘贴在 构件表面某个方向和位置上。以便将构件受力后的表面应变 传递给应变计的基底和敏感栅。 常用的粘结剂分为有机和无机两大类。有机粘结剂用于 低温、常温和中温。常用的有聚丙烯酸酯、酚醛树脂、有机 硅树脂，聚酰亚胺等

8、。无机粘结剂用于高温，常用的有磷酸 盐、硅酸、硼酸盐等。 三、应变片的种类三、应变片的种类 1、金属应变片（应变式压力传感器）、金属应变片（应变式压力传感器） （1）金属丝式）金属丝式 （2）箔式）箔式 （3）薄膜式）薄膜式 2、半导体应变片（压阻式压力传感器）、半导体应变片（压阻式压力传感器） 金属丝式应变片使用最早，有纸基、胶基之分。由于金属丝 式应变片蠕变较大，金属丝易脱胶，有逐渐被箔式所取代的趋势 。但其价格便宜，多用于应变、应力的大批量、一次性试验。 箔式应变片中的箔栅是金属箔通过光刻、腐蚀等工艺制成的 。箔的材料多为电阻率高、热稳定性好的铜镍合金。箔式应变片 与片基的接触面积大得多

9、，散热条件较好，在长时间测量时的蠕 变较小，一致性较好，适合于大批量生产。 还可以对金属箔式应变片进行适当的热处理，使其线胀系数 、电阻温度系数以及被粘贴的试件的线胀系数三者相互抵消，从 而将温度影响减小到最小的程度，目前广泛用于各种应变式传感 器中。 丝式应变片 丝式电阻片是用0.003mm-0.01mm的合 金丝绕成栅状制成的； 箔式应变片 箔式应变片是利用光刻、腐蚀等工艺制成的一种 很薄的金属箔栅, 其厚度一般在0.0030.01mm。其优 点是散热条件好, 允许通过的电流较大, 可制成各种所 需的形状, 便于批量生产。 薄膜应变片是采用真空蒸发或真空沉淀 等方法在薄的绝缘基片上形成0.

10、1m以下的 金属电阻薄膜的敏感栅, 最后再加上保护层。 它的优点是应变灵敏度系数大, 允许电流密 度大, 工作范围广。 半导体应变片是用半导体材料制成的, 其工 作原理是基于半导体材料的压阻效应。所 谓压阻效应，是指半导体材料在某一轴向 受外力作用时, 其电阻率发生变化的现象。 半导体应变片的灵敏度特别高，但是对温 度敏感. 四、应变片的测量电路四、应变片的测量电路 金属应变片的电阻变 化范围很小，如果直接用 欧姆表测量其电阻值的变 化将十分困难，且误差很 大。常利用桥式测量转换 电路将R /R转换为输出 电压U0。 1、桥式测量转换电路工作方式 单臂电桥单臂电桥 双臂电桥双臂电桥 四臂全桥四

11、臂全桥 单臂电桥单臂电桥 R1为应变片，为应变片， R2 、 R3、R4为为 固定电阻固定电阻 。 双臂电桥双臂电桥 R R1 1、 R R2 2为应变片，为应变片，R R3 3、 R R4 4为固定电阻为固定电阻 。应变。应变 片片R R1 1 、R R2 2 感受到的应 感受到的应 变变 1 1 2 2以及产生的电以及产生的电 阻增量正负号相间，阻增量正负号相间， 可以使输出电压可以使输出电压U Uo o成成 倍地增大。倍地增大。 试 件 四臂全桥四臂全桥 全桥的四个桥臂都为应变全桥的四个桥臂都为应变 片，如果设法使试件受力后，片，如果设法使试件受力后， 应变片应变片R R1 1 R R4

12、 4产生的电阻增量 产生的电阻增量 （或感受到的应变（或感受到的应变 1 1 4 4）正负）正负 号相间，就可以使输出电压号相间，就可以使输出电压U Uo o 成倍地增大。上述三种工作方成倍地增大。上述三种工作方 式中，全桥四臂工作方式的灵式中，全桥四臂工作方式的灵 敏度最高，双臂半桥次之，单敏度最高，双臂半桥次之，单 臂半桥灵敏度最低。采用全桥臂半桥灵敏度最低。采用全桥 （或双臂半桥）还能实现温度（或双臂半桥）还能实现温度 自补偿。自补偿。 3、 应变片的温度误差及补偿应变片的温度误差及补偿 a. 应变片的温度误差应变片的温度误差 由于测量现场环境温度的改变而给测量带来的附加误差, 称为应变

13、片的温度误差。 产生应变片温度误差的主要因素有: 应变片温度误差 电阻温度系数的影响 材料与应变片 膨胀系数不同 1) 电阻温度系数的影响电阻温度系数的影响 敏感栅的电阻丝阻值随温度变化的关系可用下式 表示： Rt=R0（1+0t） 式中: Rt温度为 t 时的电阻值; R0温度为t0时的电阻值; 0金属丝的电阻温度系数; t温度变化值, t=t -t0。 当温度变化t时, 电阻丝电阻的变化值为 Rt=Rt- R0= R00t 2) 试件材料和电阻丝材料的线膨胀系数的影响 当试件与电阻丝材料的线膨胀系数相同时, 不论 环境温度如何变化, 电阻丝的变形仍和自由状态一样, 不会产生附加变形。 当试

14、件和电阻丝膨胀系数不同 时, 由于环境温度的变化, 电阻丝会产生附加变形, 从 而产生附加电阻。 2. 电阻应变片的温度补偿方法电阻应变片的温度补偿方法 电阻应变片的温度补偿方法通常有线路补 偿法和应变片自补偿两大类。 1) 线路补偿法 在应变片工作过程中, 保证R3 =R4。 R1和RB两个应变片应具有相同的电阻温度系 数, 膨胀系数, 应变灵敏度系数K和初始电阻值R0。 粘贴补偿片的补偿块材料和粘贴工作片的被 测试件材料必须一样, 两者线膨胀系数相同。 两应变片应处于同一温度场。 若实现完全补偿, 上述分析过程必须满足四个条件: 2) 应变片自补偿，巧妙的安装应变片 被拉伸 被压缩 应变片

15、 试件 1. 柱（筒）式力传感器柱（筒）式力传感器 被压缩 2 环式力传感器环式力传感器 2、 应变式压力传感器应变式压力传感器 应变式压力传感器主要用来测量流动介质的动态或静态压 力。如动力管道设备的进出口气体或液体的压力、发动机内部 的压力变化, 枪管及炮管内部的压力、内燃机管道压力等。 应 变片压力传感器大多采用膜片式或筒式弹性元件。 应变式力传感器应变式力传感器 F F F F 各种悬臂梁各种悬臂梁 FF 固定点固定点 固定点固定点 电缆 应变式荷重传感器的应变式荷重传感器的 外形及应变片的粘贴外形及应变片的粘贴 位置位置 F R1 R 2 R 4 应变式荷重传感器外形及受力位应变式荷

16、重传感器外形及受力位 置置 FF 应变式荷重传感器外形及受力位置应变式荷重传感器外形及受力位置 F F 荷重传感器原理演示荷重传感器原理演示 荷重传感器荷重传感器 上的应变片上的应变片 在重力作用在重力作用 下产生变形。下产生变形。 轴向变短，轴向变短， 径向变长。径向变长。 汽车衡汽车衡 汽车衡汽车衡称重系统称重系统 电子秤电子秤 磅秤磅秤 超市打印秤超市打印秤 远距离远距离 显示显示 电子天平电子天平 电子天平的精度电子天平的精度 可达十万分之一可达十万分之一 人体人体 秤秤 吊钩秤吊钩秤 便携式便携式 应变式数显扭矩扳应变式数显扭矩扳 手手 可用于汽车、摩托车、飞机、内燃机、机械可用于汽

17、车、摩托车、飞机、内燃机、机械 制造和家用电器等领域，准确控制紧固螺纹的制造和家用电器等领域，准确控制紧固螺纹的 装配扭矩。量程装配扭矩。量程2500N.m，耗电量，耗电量10mA， 有公制有公制/英制单位转换、峰值保持、自动断电英制单位转换、峰值保持、自动断电 等功能。等功能。 3.4.4 应变式加速度传感器应变式加速度传感器 用于物体加速度的测量。 依据：a=F/m。 3 214 1等强度梁； 2质量块； 3壳体； 4电阻应变敏感元体 图3-17 电阻应变式加速度传感器结构图 测量原理：将传感器壳体与被测对象刚性连接，当被 测物体以加速度a 运动时，质量块受到一个与加速度方向 相反的惯性力

18、作用， 使悬臂梁变形，该变形被粘贴在悬臂 梁上的应变片感受到并随之产生应变，从而使应变片的电 阻发生变化。 电阻的变化引起应变片组成的桥路出现不平 衡，从而输出电压， 即可得出加速度a值的大小。 适用范围：不适用于频率较高的振动和冲击场合， 一 般适用频率为1060 Hz范围。 B A C D F 1、应变片测量力的原理是什么？、应变片测量力的原理是什么？ 2、应变片有哪几种类型？、应变片有哪几种类型？ 3、单臂、半桥和全桥电路的灵敏度有怎样的倍数关系？谁的灵、单臂、半桥和全桥电路的灵敏度有怎样的倍数关系？谁的灵 敏度最大？敏度最大？ 4、如右下图是一个圆柱体弹性元件，、如右下图是一个圆柱体弹

19、性元件，A、B、C、D是四个应变是四个应变 片，观察他们粘贴的位置后判断四个应变片在电桥中应怎样连接？片，观察他们粘贴的位置后判断四个应变片在电桥中应怎样连接？ 画出电桥电路来说明画出电桥电路来说明. 5、如左下图所示，如需测量弯曲力和拉伸力，那么应变片应该、如左下图所示，如需测量弯曲力和拉伸力，那么应变片应该 怎样连接在电桥电路中，分别画出测量弯曲力和拉伸力的测量电怎样连接在电桥电路中，分别画出测量弯曲力和拉伸力的测量电 桥电路。桥电路。 题题5图图 题题4图图 任务任务：自制电子秤 用现有的试验器件测出某一 物体的质量，比如：手机，硬币， 一串钥匙等等。 步骤：1.连接一个全桥电路，4V

20、供电，输出接毫伏表。这是，如 果对弹性悬臂施加一定的力，毫 伏表的数值应有相应的变化。 2.在标准砝码的辅助下， 得到被侧物体的质量。 某些物质沿某一方向受到外力作用时，会产生某些物质沿某一方向受到外力作用时，会产生 变形，同时其内部产生极化现象，此时在这种变形，同时其内部产生极化现象，此时在这种 材料的两个表面产生符号相反的电荷，当外力材料的两个表面产生符号相反的电荷，当外力 去掉后，它又重新恢复到不带电的状态，这种去掉后，它又重新恢复到不带电的状态，这种 现象被称为压电效应。当作用力方向改变时，现象被称为压电效应。当作用力方向改变时， 电荷极性也随之改变。这种机械能转化为电能电荷极性也随之

21、改变。这种机械能转化为电能 的现象称为的现象称为“正压电效应正压电效应”或或“顺压电效应顺压电效应”。 反之，当在某些物质的极化方向上施加电反之，当在某些物质的极化方向上施加电 场，这些材料在某一方向上产生机械变形场，这些材料在某一方向上产生机械变形 或机械压力；当外加电场撤去时，这些变或机械压力；当外加电场撤去时，这些变 形或应力也随之消失。这种电能转化为机形或应力也随之消失。这种电能转化为机 械能的现象称为械能的现象称为“逆压电效应逆压电效应”或或“电致电致 伸缩效应伸缩效应”。 压电单晶体有石英压电单晶体有石英( (包括天然石英和人造包括天然石英和人造 石英石英) )、水溶性压电晶体、水

22、溶性压电晶体( (包括酒石酸钾钠、包括酒石酸钾钠、 酒石酸乙烯二铵、酒石酸二钾、硫酸锤等酒石酸乙烯二铵、酒石酸二钾、硫酸锤等) )； 多晶体压电陶瓷有钛酸钡压电陶瓷、锆钛多晶体压电陶瓷有钛酸钡压电陶瓷、锆钛 酸铅系压电陶瓷、铌酸盐系压电陶瓷和铌酸铅系压电陶瓷、铌酸盐系压电陶瓷和铌 镁酸铅压电陶瓷等。镁酸铅压电陶瓷等。 如图所示为天如图所示为天 然石英晶体，然石英晶体， 其结构形状为其结构形状为 一个六角形晶一个六角形晶 柱，两端为一柱，两端为一 对称棱锥。对称棱锥。 如果从石英晶体中切下一个平行六面体并使其晶面分别如果从石英晶体中切下一个平行六面体并使其晶面分别 平行于平行于Z-ZZ-Z、Y-YY-Y、X-XX-X轴线。通常把沿电轴轴线。通常把沿电轴(X(X轴轴) )方向的方向的 作用力产生的压电效应称为作用力产生的压电效应称为“纵向压电效应纵向压电效应”，把沿机把沿机 械轴械轴(Y(Y轴轴) )方向的作用力产生的压电效应称为方向的作用力产生的压电效应称为“横向压电横向压电 效应效应”，沿光轴沿光轴(Z(Z轴轴) )方向的作用力不产生压电效应。沿方向的作用力不产生压电效应。沿 相对两棱加力时，则产生相对两棱加力时，则产生切向效应切向效应。压电式传感器主要。压电式传感器主要 是利用纵向压电效应。是利用纵向压电效应。 压力及力的压力及力的 测量测量 压力的概念