项目二电阻式传感器

1、项目二 电阻式传感器p任务一任务一 电位器式传感器电位器式传感器p任务二任务二 应变式传感器应变式传感器p任务三任务三 固态压阻式传感器固态压阻式传感器任务一任务一 电位器式传感器电位器式传感器p 电位器是一种人们熟知的机电元件，广泛用于各电位器是一种人们熟知的机电元件，广泛用于各种电气和电子设备中。在仪表与传感器中，它主种电气和电子设备中。在仪表与传感器中，它主要是作为一种把机械位移输入转换为与它成一定要是作为一种把机械位移输入转换为与它成一定函数关系的电阻或电压输出的传感元件来使用的。函数关系的电阻或电压输出的传感元件来使用的。利用电位器作为传感元件可制成各种电位器式传利用电位器作为传感元

2、件可制成各种电位器式传感器，用以测定线位移或角位移，以及一切可能感器，用以测定线位移或角位移，以及一切可能转换为位移的其他被测物理量参数，如压力、加转换为位移的其他被测物理量参数，如压力、加速度等。此外，在伺服式仪表中，它还可用做反速度等。此外，在伺服式仪表中，它还可用做反馈元件及解算元件，制成各种伺服式仪表。馈元件及解算元件，制成各种伺服式仪表。 电电位器的优点是结构简单、尺寸小、质量小、输出位器的优点是结构简单、尺寸小、质量小、输出特性精度高特性精度高( (可达可达0 01 1或更高或更高) )且稳定且稳定任务一任务一 电位器式传感器电位器式传感器图图2-1电位器式传感器电位器式传感器(a

3、)直线位移型；直线位移型；(b)角位移型；角位移型；(c)非线性型非线性型任务一任务一 电位器式传感器电位器式传感器图2-2电位器式位移传感器原理图1电阻丝2骨架3滑臂电位器式传感器电位器式传感器p一、绕线式线性电位器一、绕线式线性电位器p 图图2-22-2所示为电位器式位移传感器。如果把它作所示为电位器式位移传感器。如果把它作为变阻器使用，且假设全长为为变阻器使用，且假设全长为xmaxxmax的电位器其总的电位器其总电阻为电阻为RmaxRmax，电阻沿长度的分布是均匀的，则当，电阻沿长度的分布是均匀的，则当滑臂由滑臂由O O向向B B移动移动x x后，后，O O到滑臂间的电阻值为：到滑臂间的

4、电阻值为：maxmaxRxxRxp若把它作为分压器使用，且假设加在电位器若把它作为分压器使用，且假设加在电位器O、B之间之间的电压为的电压为Umax,则输出电压为：则输出电压为：maxmaxUxxUx图电位器式角度传感器原理图1电阻丝2滑臂3骨架电阻式传感器电阻式传感器 如图如图2-32-3所示为电位器式角度传感器。若作为变所示为电位器式角度传感器。若作为变阻器使用，则电阻值与角度的关系为：阻器使用，则电阻值与角度的关系为：maxmaxRaaRap若作为分压器使用，则有若作为分压器使用，则有maxmaxUaaUa绕线式非线性电位器绕线式非线性电位器p二、绕线式非线性电位器二、绕线式非线性电位器

5、p 非线性电位器是指在空载时其输出电压非线性电位器是指在空载时其输出电压( (或电阻或电阻) )与电刷与电刷行程之间具有非线性函数关的一种电位器，也称函数电位行程之间具有非线性函数关的一种电位器，也称函数电位器。它可以实现指数函数、对数函数、三角函数及其他任器。它可以实现指数函数、对数函数、三角函数及其他任意函数。意函数。p非线性电位器的主要功用如下：非线性电位器的主要功用如下：非线性电位器非线性电位器p1)1)用非线性电位器使传感器获得非线性输出，以满足控制用非线性电位器使传感器获得非线性输出，以满足控制系统的各种特殊要求。系统的各种特殊要求。p2)2)使传感器获得线性输出特性。当传感器中有

6、些环节出现使传感器获得线性输出特性。当传感器中有些环节出现非线性时，可把电位器设计成非线性的，而使传感器最后非线性时，可把电位器设计成非线性的，而使传感器最后获得线性输出。获得线性输出。p3)3)在解算式传感器中，如导航仪、大气数据系统中，可采在解算式传感器中，如导航仪、大气数据系统中，可采用非线性电位器来实现各种特定的函数运算。用非线性电位器来实现各种特定的函数运算。p4)4)用非线性电位器消除电位器的负载误差，即在负载情况用非线性电位器消除电位器的负载误差，即在负载情况下，用非线性电位器来实现线性特性。下，用非线性电位器来实现线性特性。 按照实现非线性按照实现非线性的原理不同，常用的非线性

7、线绕电位器可分为变骨架式、的原理不同，常用的非线性线绕电位器可分为变骨架式、变节距式、分路电阻式及电位给定式四种。变节距式、分路电阻式及电位给定式四种。2-4空载特性空载特性p 现以变骨架式为例说明其空载特性。变骨架式非线性电现以变骨架式为例说明其空载特性。变骨架式非线性电位器如图位器如图2-42-4所示。其骨架高所示。其骨架高p度度h h呈曲线变化。输出电阻呈曲线变化。输出电阻Rx=f(x)Rx=f(x)。求取骨架高度。求取骨架高度h h的变的变化规律。当电刷移动微小位移化规律。当电刷移动微小位移pdxdx时，引起电阻变化时，引起电阻变化dRxdRx，则，则qthbdxdRX)(2式中：式中

8、：b，h为骨架的宽度和高度；为骨架的宽度和高度；q为导为导线的导电截面积；线的导电截面积；t为导线节距，即相邻两为导线节距，即相邻两导线间的距离；导线间的距离；p为导线电阻率。为导线电阻率。图图2-4变骨架式非线性电位器变骨架式非线性电位器p (a)(a)骨架形状；骨架形状；(b)(b)结构尺寸；结构尺寸；(c)(c)特性曲线特性曲线p由式由式(2-1)(2-1)可求得可求得)(2bdxdRqthx由于由于q、t,p、b均为常数，而均为常数，而dRx/Rx是是x的的函数，所以，函数，所以，h是电刷位移是电刷位移x的函数，且与特性的函数，且与特性曲线曲线的导数的导数dRx/Rx有关。有关。dRx

9、/Rx越大，则骨架越大，则骨架高度越高，但高度太高了，绕线容易打滑。但高度越高，但高度太高了，绕线容易打滑。但dRx/Rx也不能太小，更不能为零。因此，为也不能太小，更不能为零。因此，为了保证足够的强度及工艺性，必须使了保证足够的强度及工艺性，必须使hmin=3mm4mm。p 设非线性电位器输出空载电压为设非线性电位器输出空载电压为UxUx，流过电位器的电流，流过电位器的电流为为I=U/RI=U/R，U U为电源电压，为电源电压，R R为电位器总电阻。则式为电位器总电阻。则式(2-2)(2-2)还还可表示为可表示为h h与输出电压与输出电压UxUx之间的关系。即：之间的关系。即：非线性电位器输

10、出电阻非线性电位器输出电阻(或电压或电压)与电刷行程之间是与电刷行程之间是非线性函数关系，因此空载特性是一条曲线，其灵敏非线性函数关系，因此空载特性是一条曲线，其灵敏度与电刷位置有关，是变量。电阻灵敏度为：度与电刷位置有关，是变量。电阻灵敏度为：bdxdUIqthx)(2电压灵敏度为：电压灵敏度为：dxdRKxRdxdUKU非绕线式电位器非绕线式电位器p三、非绕线式电位器三、非绕线式电位器p 绕线式电位器具有精度高、性能稳定、易于实现线性变绕线式电位器具有精度高、性能稳定、易于实现线性变化等优点，但也存在很多不足：如分辨率低、耐磨性差、化等优点，但也存在很多不足：如分辨率低、耐磨性差、寿命较短

11、等。因此，人们研制了一些性能优良的非绕线式寿命较短等。因此，人们研制了一些性能优良的非绕线式电位器。电位器。p 1 1薄膜电位器薄膜电位器p 薄膜电位器通常有两种：一种是碳膜电位器；另一种为薄膜电位器通常有两种：一种是碳膜电位器；另一种为金属膜电位器。金属膜电位器。p1)1)碳膜电位器。在绝缘骨架表面上喷涂一层均匀的电阻液，碳膜电位器。在绝缘骨架表面上喷涂一层均匀的电阻液，经烘干聚合后而制成电阻。电阻液由石墨、碳墨、树脂材经烘干聚合后而制成电阻。电阻液由石墨、碳墨、树脂材料配制而成。这种电位器的优点是分辨率高、耐磨性较好、料配制而成。这种电位器的优点是分辨率高、耐磨性较好、工艺简单、成本较低、

12、线性度较好，但有接触电阻大、噪工艺简单、成本较低、线性度较好，但有接触电阻大、噪声大等缺点。声大等缺点。2)金属膜电位器。p在玻璃或胶木基体上，用高温蒸镀或电镀方法，涂覆一层在玻璃或胶木基体上，用高温蒸镀或电镀方法，涂覆一层金属膜而制成。用于制作金属膜的合金为锗铑、铂铜、铂金属膜而制成。用于制作金属膜的合金为锗铑、铂铜、铂铑、铂铑锰等。这种电位器的温度系数小，可在高温环境铑、铂铑锰等。这种电位器的温度系数小，可在高温环境下工作，但仍然存在耐磨性差、功率小、电阻值不高下工作，但仍然存在耐磨性差、功率小、电阻值不高(1k2k)(1k2k)等缺点。薄膜电位器的电刷通常采用多指电等缺点。薄膜电位器的电

13、刷通常采用多指电刷，以减小接触电阻，提高工作的稳定性。刷，以减小接触电阻，提高工作的稳定性。 2.导电塑料电位器p这种电位器由塑料粉及导电材料粉这种电位器由塑料粉及导电材料粉( (合金、石墨、合金、石墨、炭黑等炭黑等) )压制而成，它又称实心电位器。其优点是压制而成，它又称实心电位器。其优点是耐磨性较好、寿命较长、电刷允许的接触压力较耐磨性较好、寿命较长、电刷允许的接触压力较大，适用于振动、冲击等恶劣条件下工作，且电大，适用于振动、冲击等恶劣条件下工作，且电阻值范围大，能承受较大的功率。其缺点是温度阻值范围大，能承受较大的功率。其缺点是温度影响较大、接触电阻大、精度不高。影响较大、接触电阻大、

14、精度不高。 图图2-5光电电位器结构光电电位器结构1光电导层；光电导层；2基体；基体；3薄膜电阻带；薄膜电阻带；4电刷的窄光束；电刷的窄光束；5导电电极导电电极 3光电电位器 3光电电位器p 光电电位器的结构如图光电电位器的结构如图2-52-5所示。其结构原理是所示。其结构原理是在基体在基体2(2(常用材料为氧化铝常用材料为氧化铝) )上沉积一层硫化镉上沉积一层硫化镉(CdS)(CdS)或硒化镉或硒化镉(CdSe)(CdSe)光电导层光电导层1 1，然后在它的上，然后在它的上面沉积一条金属面沉积一条金属( (金或银金或银) )导电条作为导电电极，导电条作为导电电极，在它的下面沉积一条薄膜电阻带

15、在它的下面沉积一条薄膜电阻带3 3，在电阻带和导，在电阻带和导电电极电电极5 5之间形成一很窄的间隙。在无光束照射时，之间形成一很窄的间隙。在无光束照射时，因光电导材料的暗电阻极大因光电导材料的暗电阻极大( (暗电阻与亮电阻之比暗电阻与亮电阻之比可达可达105105108)108)，可视为电阻带与导电电极之间为，可视为电阻带与导电电极之间为断路。而当电刷的窄光束断路。而当电刷的窄光束4 4照射在此窄间隙上时，照射在此窄间隙上时，就相当于把电阻带和导电电极接通，这样在外电就相当于把电阻带和导电电极接通，这样在外电源源E E的作用下，负载电阻的作用下，负载电阻RLRL上便有电压输出，且随上便有电压

16、输出，且随着光束位置的移动而变化，如同电刷移动一样。着光束位置的移动而变化，如同电刷移动一样。 光电电位器优点光电电位器优点p光电电位器优点很多，耐磨性好，精度、分辨率高，寿命光电电位器优点很多，耐磨性好，精度、分辨率高，寿命长长( (可达亿万次循环可达亿万次循环) )、可靠性好，电阻值范围宽、可靠性好，电阻值范围宽(50015M)(50015M)等。但也存在不足之处：光电导层虽经窄等。但也存在不足之处：光电导层虽经窄光束照射而导通，但照射处的电阻还是相当高，因此，光光束照射而导通，但照射处的电阻还是相当高，因此，光电电位器输出电流较小，需配备高输入阻抗放大器工作，电电位器输出电流较小，需配备

17、高输入阻抗放大器工作，工作温度的范围比较窄工作温度的范围比较窄( (目前最高达目前最高达150)150)，线性度也不，线性度也不高。此外，光电电位器需要照明光源和光学系统，其结构高。此外，光电电位器需要照明光源和光学系统，其结构较复杂，体积和质量较大。但随着集成光路器件的发展，较复杂，体积和质量较大。但随着集成光路器件的发展，可以将有源和无源的光学器件集成在一个光路芯片上，制可以将有源和无源的光学器件集成在一个光路芯片上，制成集成光路芯片，使光学系统的体积和质量大大减小，这成集成光路芯片，使光学系统的体积和质量大大减小，这四、四、电位器式压力传感器电位器式压力传感器p 电位器式压力传感器电位器

18、式压力传感器是利用弹性元件是利用弹性元件( (如弹簧如弹簧管、膜片或膜盒管、膜片或膜盒) )把被测把被测的压力变换为弹性元件的的压力变换为弹性元件的位移，并使此位移变为电位移，并使此位移变为电刷触点的移动，从而引起刷触点的移动，从而引起输出电压或电流相应的变输出电压或电流相应的变化。常用来测量位移、压化。常用来测量位移、压力、加速度等参量。力、加速度等参量。图2-6 压力传感器原理1-电位器 2- 电刷 3-输出端子2-7 膜盒电位器式压力传感器原理1-膜盒 2-连杆 3-电位器2.膜盒电位器式压力传感器如图所示，弹性敏感元件膜盒的内腔通入被测流体，在流体压力的作用下，膜盒中心产生位移，推动连

19、杆上移，使曲柄轴带动电刷在电位器电阻丝上滑动，从而输出一个与被测压力成正比的电压信号。膜盒压力变化膜盒压力变化p图图2-72-7所示为膜盒当被测压力变化时，弹簧管的自由端位所示为膜盒当被测压力变化时，弹簧管的自由端位移，通过传动机构，一面带动压力表指针转动，一面带动移，通过传动机构，一面带动压力表指针转动，一面带动电刷在绕线电位器上滑动，从而将被测压力值转换为电阻电刷在绕线电位器上滑动，从而将被测压力值转换为电阻变化，因此，输出一个与被测压力成正比的电压信号。电变化，因此，输出一个与被测压力成正比的电压信号。电位器式压力传感器。弹性敏感元件膜盒的内腔，通入被测位器式压力传感器。弹性敏感元件膜盒

20、的内腔，通入被测流体压力，在此压力作用下，膜盒中心产生位移，推动连流体压力，在此压力作用下，膜盒中心产生位移，推动连杆上移，使曲柄轴带动电刷在电位器电阻丝上滑动，同样杆上移，使曲柄轴带动电刷在电位器电阻丝上滑动，同样输出一个与被测压力成正比的电压信号。输出一个与被测压力成正比的电压信号。滑线电阻式位移传感器滑线电阻式位移传感器p图图2-82-8所示为用电位器式传感器制作的滑线电阻式所示为用电位器式传感器制作的滑线电阻式位移传感器。被测位移使测量轴沿导轨轴向移动位移传感器。被测位移使测量轴沿导轨轴向移动时，带动电刷在滑线电阻上产生相同的位移，从时，带动电刷在滑线电阻上产生相同的位移，从而改变电位

21、器的输出电阻。而改变电位器的输出电阻。p图图2-82-8滑线电阻式位移传感器滑线电阻式位移传感器 11测量测量轴；轴；22滑线电阻；滑线电阻；33触头；触头；44弹簧；弹簧；55滑块；滑块；66导轨；导轨；77外壳；外壳；88无无感电阻感电阻滑线电阻式位移传感器滑线电阻式位移传感器 任务二 应变式传感器p应变式传感器是利用电阻应变片应变式传感器是利用电阻应变片( (简称应变片简称应变片) )将应变转换将应变转换为电阻变化的传感器，传感器的构造由在弹性元件上粘贴为电阻变化的传感器，传感器的构造由在弹性元件上粘贴电阻应变敏感元件构成。当被测物理量作用在弹性元件上电阻应变敏感元件构成。当被测物理量作

22、用在弹性元件上时，弹性元件的变形引起应变敏感元件的电阻值变化，通时，弹性元件的变形引起应变敏感元件的电阻值变化，通过转换电路转变成电量输出，电量变化的大小反映了被测过转换电路转变成电量输出，电量变化的大小反映了被测物理量的大小。其主要缺点是输出信号小、线性范围窄，物理量的大小。其主要缺点是输出信号小、线性范围窄，而且动态响应较差。但由于应变片的体积小，商品化的应而且动态响应较差。但由于应变片的体积小，商品化的应变片有多种规格可供选择，而且可以灵活设计弹性敏感元变片有多种规格可供选择，而且可以灵活设计弹性敏感元件的形式以适应各种应用场合，所以，用应变片制造的应件的形式以适应各种应用场合，所以，用

23、应变片制造的应变式传感器在测量力、力矩、压力、加速度、质量等参数变式传感器在测量力、力矩、压力、加速度、质量等参数中仍有广泛的应用。中仍有广泛的应用。一、应力和应变p截面积为截面积为A A的物体受到外的物体受到外力力F F的作用并处于平衡状的作用并处于平衡状态时，物体在单位面积上态时，物体在单位面积上引起的内力称为应力引起的内力称为应力。p 应变是物体受外力作应变是物体受外力作用时产生的相对变形，是用时产生的相对变形，是一个无量纲的物理量。设一个无量纲的物理量。设物体原长度为物体原长度为l l，受力后，受力后产生产生ll的变形，其轴向的变形，其轴向应变为应变为AFll一、应变效应一、应变效应

24、金属电阻应变片的工作原理是基于金属电阻应变片的工作原理是基于金属导体的金属导体的应变效应应变效应，即，即金属导体在金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着它所受机械变形值随着它所受机械变形( (伸长或缩短伸长或缩短) )的变化而发生变化的现象的变化而发生变化的现象。 二二、 应变效应应变效应图2-9 金属电阻丝应变效应FlrrlF 当电阻丝受到拉力F作用时， 将伸长l，横截面积相应减小A，电阻率因材料晶格发生变形等因素影响而改变了d，从而引起电阻值相对变化量为 dAdAldlRdR式中：dl/l长度相对变化量，用应变表示为 ldl dA/A圆形电阻丝的截

25、面积相对变化量，设r为电阻丝的半径，微分后可得dA=2r dr，则 rdrAdA2 由材料力学可知，在弹性范围内，金属丝受拉力时，沿轴向伸长， 沿径向缩短， 令dl/l=为金属电阻丝的轴向应变，那么轴向应变和径向应变的关系可表示为 ldlrdr 式中, 为电阻丝材料的泊松比， 负号表示应变方向相反。 或 通常把单位应变能引起的电阻值变化称为电阻丝的灵敏系数。 其物理意义是单位应变所引起的电阻相对变化量，其表达式为 dRdRK21dRdR)21 ( 灵敏系数灵敏系数K受两个因素影响：一个是应变片受力后材料几何受两个因素影响：一个是应变片受力后材料几何尺寸的变化，尺寸的变化， 即即1+2；另一个是

26、应变片受力后材料的电阻率发；另一个是应变片受力后材料的电阻率发生的变化，生的变化， 即（即（d/）/。对金属材料来说，电阻丝灵敏度系。对金属材料来说，电阻丝灵敏度系数表达式中数表达式中1+2的值要比的值要比(d/)/大得多，而半导体材料的大得多，而半导体材料的(d/)/项的值比项的值比1+2大得多。大量实验证明，在电阻丝拉伸大得多。大量实验证明，在电阻丝拉伸极限内，极限内， 电阻的相对变化与应变成正比，即电阻的相对变化与应变成正比，即K为常数。为常数。 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。压阻效应是指半导体

27、材料，当某一轴向导体材料的压阻效应。压阻效应是指半导体材料，当某一轴向受外力作用时，受外力作用时， 其电阻率其电阻率发生变化的现象。发生变化的现象。 电阻丝相对变形范围电阻丝相对变形范围p对于每一种电阻丝，在一定的相对变形范围内，对于每一种电阻丝，在一定的相对变形范围内，无论受拉或受压，金属材料的灵敏系数将保持不无论受拉或受压，金属材料的灵敏系数将保持不变，即变，即K K值是恒定的。当超出某一范围时，值是恒定的。当超出某一范围时，K K值将值将发生变化。通常电阻丝的发生变化。通常电阻丝的K=17K=173636。由此可知，。由此可知，应力值应力值正比于应变正比于应变，而应变，而应变正比于电阻值

28、正比于电阻值的变化，所以，应力的变化，所以，应力正比于电阻值的变化，这正比于电阻值的变化，这就是利用金属应变片测量应变的基本原理。就是利用金属应变片测量应变的基本原理。图图2-10 金属丝式应变片的结构金属丝式应变片的结构金属丝式应变片金属丝式应变片应变片的结构应变片的结构三、应变片的结构、类型、材料和粘贴三、应变片的结构、类型、材料和粘贴 1.1.应变片的结构应变片的结构 金属丝式应变片由敏感栅、基片、覆盖层和引线金属丝式应变片由敏感栅、基片、覆盖层和引线等部分组成，为保持敏感栅固定的形状、尺寸和等部分组成，为保持敏感栅固定的形状、尺寸和位置，通常用黏结剂将敏感栅固结在纸质或胶质位置，通常用

29、黏结剂将敏感栅固结在纸质或胶质的基片上。应变片工作时，基片起着把被测体应的基片上。应变片工作时，基片起着把被测体应变准确地传递给敏感栅的作用。为此，基片必须变准确地传递给敏感栅的作用。为此，基片必须很薄，一般在很薄，一般在0.03mm0.06mm0.03mm0.06mm。覆盖层与基片将电。覆盖层与基片将电阻丝敏感栅紧密地粘贴在中间，对敏感栅起几何阻丝敏感栅紧密地粘贴在中间，对敏感栅起几何形状固定和绝缘、防蚀、防损等保护作用，使电形状固定和绝缘、防蚀、防损等保护作用，使电阻丝不受环境的损害。基底材料分为两类，纸基阻丝不受环境的损害。基底材料分为两类，纸基与塑基。纸基片由特殊用纸制成，与塑基。纸基

30、片由特殊用纸制成，试件黏结容易试件黏结容易p与试件黏结容易，使用温度与试件黏结容易，使用温度-5070-5070，缺点是易湿，一，缺点是易湿，一般多作为短期性测量之用。塑基片由酚醛、环氧聚酯等固般多作为短期性测量之用。塑基片由酚醛、环氧聚酯等固化制成，耐湿性、绝缘性、弹性系数均较好，温度为化制成，耐湿性、绝缘性、弹性系数均较好，温度为- -50175017，多用于长期使用仪表。其中聚酰亚胺材料性，多用于长期使用仪表。其中聚酰亚胺材料性能较好，温度范围为能较好，温度范围为-269400-269400，绝缘电阻，绝缘电阻23000M23000M以以上，可制成很薄的基片，如上，可制成很薄的基片，如0

31、.025mm0.025mm，各种性能优良，伸，各种性能优良，伸长率达长率达2020。敏感栅敏感栅p2)2)敏感栅。金属丝式电阻应变片的敏感栅由直敏感栅。金属丝式电阻应变片的敏感栅由直0. 01mm0. 01mm0.05mm0.05mm的金属的金属( (康铜、镍铬合金、贵金属康铜、镍铬合金、贵金属) )电阻丝平行排列电阻丝平行排列而成。而成。p3)3)引线。通常取直径约引线。通常取直径约0.1mm0.1mm0.15mm0.15mm的低阻镀锡铜线，的低阻镀锡铜线，连接敏感栅与测量电路。连接敏感栅与测量电路。p4)4)黏结剂。在制造应变片时，用它分别把覆盖层和敏感栅黏结剂。在制造应变片时，用它分别把

32、覆盖层和敏感栅固结于基片上；在使用应变片时，用它把应变片的基片再固结于基片上；在使用应变片时，用它把应变片的基片再粘贴在弹性体表面的被测部位。因此，它也起着传递应变粘贴在弹性体表面的被测部位。因此，它也起着传递应变的作用。的作用。p 2. 2.应变片的类型应变片的类型p 对金属应变片来说，可分为金属丝式、金属箔式和金属对金属应变片来说，可分为金属丝式、金属箔式和金属薄膜式三种。金属丝式应变片如前所述。金属箔式应变片薄膜式三种。金属丝式应变片如前所述。金属箔式应变片是利用光刻、腐蚀等工艺制成的一种厚度为是利用光刻、腐蚀等工艺制成的一种厚度为0.003mm0.003mm0.01mm0.01mm的金

33、属箔栅，的金属箔栅， 各种形状的敏感栅各种形状的敏感栅p可制成各种形状的敏感栅。金属箔式应变片的横向部分特可制成各种形状的敏感栅。金属箔式应变片的横向部分特别粗，可大大减少横向效应，且敏感栅的粘贴面积大，能别粗，可大大减少横向效应，且敏感栅的粘贴面积大，能更好地随同试件变形。此外与金属丝式应变片相比，金属更好地随同试件变形。此外与金属丝式应变片相比，金属箔式应变片还具有散热性能好，允许电流大，灵敏度高，箔式应变片还具有散热性能好，允许电流大，灵敏度高，寿命长，可制成任意形状，易加工，生产效率高等优点，寿命长，可制成任意形状，易加工，生产效率高等优点，所以，其使用范围日益扩大，已逐渐取代丝式应变

34、片而占所以，其使用范围日益扩大，已逐渐取代丝式应变片而占主要的地位。但需要注意，制造箔式应变片的电阻值的分主要的地位。但需要注意，制造箔式应变片的电阻值的分散性要比丝式的大，有的能相差几十欧，故需要进行电阻散性要比丝式的大，有的能相差几十欧，故需要进行电阻值的调整。为适应不同形状的应变，敏感栅需与应力分布值的调整。为适应不同形状的应变，敏感栅需与应力分布相适应，应变片常呈不同形状，俗称应变花。相适应，应变片常呈不同形状，俗称应变花。常用应变片的形式常用应变片的形式p图图2-112-11所示为常用应变片的形式。图所示为常用应变片的形式。图2-122-12所示为常用应变所示为常用应变片的实物图。片

35、的实物图。p图图2-112-11常用应变片的形式常用应变片的形式p图图2-122-12常用应变片的实物图常用应变片的实物图2-112-12应变片的材料应变片的材料p应变片的材料应变片的材料p 对电阻丝材料应有如下要求：对电阻丝材料应有如下要求：p1)1)应有较大的应变灵敏系数，并在所测应变范围内保持为应有较大的应变灵敏系数，并在所测应变范围内保持为常数；常数；p2)2)具有高而稳定的电阻率，即在同样长度、同样横截面积具有高而稳定的电阻率，即在同样长度、同样横截面积的电阻丝中具有较大的电阻的电阻丝中具有较大的电阻p值，以便制造小栅长的应变片；值，以便制造小栅长的应变片；p3)3)电阻温度系数小，

36、否则因环境温度变化也会改变其电阻电阻温度系数小，否则因环境温度变化也会改变其电阻值；值；p4)4)抗氧化能力高，耐腐蚀性能强；抗氧化能力高，耐腐蚀性能强；铜线的焊接性能铜线的焊接性能p5)5)与铜线的焊接性能好，与其他金属的接触电势与铜线的焊接性能好，与其他金属的接触电势小；小；p6)6)机械强度高，具有优良的机械加工性能。机械强度高，具有优良的机械加工性能。p 目前，康铜是应用最广泛的应变丝材料，这是目前，康铜是应用最广泛的应变丝材料，这是由于它有很多优点：灵敏系数稳定性好，不但在由于它有很多优点：灵敏系数稳定性好，不但在弹性变形范围内能保持为常数，进入塑性变形范弹性变形范围内能保持为常数，

37、进入塑性变形范围内也基本上能保持为常数；康铜的电阻温度系围内也基本上能保持为常数；康铜的电阻温度系数较小且稳定，当采用合适的热处理工艺时，可数较小且稳定，当采用合适的热处理工艺时，可使电阻温度系数在使电阻温度系数在505010-610-6的范围内；康的范围内；康铜的加工性能好，易于焊接，因此，国内外多以铜的加工性能好，易于焊接，因此，国内外多以康铜作为应变丝材料。康铜作为应变丝材料。康铜康铜NiNip(0100)(0100)p 最高使用最高使用p温度温度p 对铜的热电对铜的热电p势势(V(V)p线膨胀系数线膨胀系数p( (10-610-6)p 康铜康铜NiNipCu45Cu45p5515519

38、2921010450450252520300(20300(静态静态) )p 400( 400(动态动态)4315)43154应变片的粘贴p从应变片测量应变的基本原理中可以看出，首先要保证应从应变片测量应变的基本原理中可以看出，首先要保证应变片与被测物体共同产生变形，其次，要保证应变片本身变片与被测物体共同产生变形，其次，要保证应变片本身的电阻值的稳定，才能得到准确的应变测量结果，这是应的电阻值的稳定，才能得到准确的应变测量结果，这是应变片粘贴的基本原则。因此，应变片本身的质量和粘贴质变片粘贴的基本原则。因此，应变片本身的质量和粘贴质量的好坏对测量结果影响很大，应变片必须牢固地粘贴在量的好坏对测

39、量结果影响很大，应变片必须牢固地粘贴在试件的被测测点上，因此，对粘贴的技术要求十分严格。试件的被测测点上，因此，对粘贴的技术要求十分严格。下面具体说明粘贴应变片的方法和技巧。下面具体说明粘贴应变片的方法和技巧。(1)应变片的选择p在应变片的灵敏系数在应变片的灵敏系数K K相同的一批应变片中，剔除相同的一批应变片中，剔除电阻丝栅有形状缺陷、片内有气泡、霉斑、锈点电阻丝栅有形状缺陷、片内有气泡、霉斑、锈点等缺陷的应变片。用数字万用表的电阻挡测量应等缺陷的应变片。用数字万用表的电阻挡测量应变片的电阻值变片的电阻值R R，将电阻值差别在，将电阻值差别在22范围内的范围内的应变片选出待用。应变片选出待用

40、。p(2)(2)试件表面的处理试件表面的处理p 用锉刀和粗砂纸等工具将试件在钢板上的贴用锉刀和粗砂纸等工具将试件在钢板上的贴片位置的油污、漆层、锈迹、电镀层除去，再用片位置的油污、漆层、锈迹、电镀层除去，再用细砂纸打磨成细砂纸打磨成4545交叉纹，之后用镊子夹起丙酮交叉纹，之后用镊子夹起丙酮棉球将贴片处擦洗干净，至棉球洁白为止，如图棉球将贴片处擦洗干净，至棉球洁白为止，如图2-132-13所示。所示。试件图图2-13钢试件应变片粘贴处表面处理示意图钢试件应变片粘贴处表面处理示意图(3)测点定位p 应变片粘贴的位置及方向对应变测量的影响非应变片粘贴的位置及方向对应变测量的影响非常大，应变片必须准

41、确地粘贴在结构或试件的应常大，应变片必须准确地粘贴在结构或试件的应变测点上，而且粘贴方向必须是要测量的应变方变测点上，而且粘贴方向必须是要测量的应变方向。假设要测定试件的中心点的轴向应变，为达向。假设要测定试件的中心点的轴向应变，为达到上述要求，对于钢构件，要在试件上用钢板尺到上述要求，对于钢构件，要在试件上用钢板尺和划针画一个十字线和划针画一个十字线( (一根长，一根短一根长，一根短) )，十字线，十字线的交叉点对准测点位置，较长的一根线要与应变的交叉点对准测点位置，较长的一根线要与应变测量方向一致，如图测量方向一致，如图2-142-14所示。所示。p(4)(4)应变片粘贴应变片粘贴 注意分

42、清应变片的正、反面注意分清应变片的正、反面( (有有引出线引出的一面为正面引出线引出的一面为正面) )，用左手捏住应变片的，用左手捏住应变片的引起线，右引起线，右试件图图2-14钢试件应变片定位示意钢试件应变片定位示意图图导线固定导线固定p(5)(5)导线固定导线固定p 由于应变片的引出线很细，特别是引出线与应变片电由于应变片的引出线很细，特别是引出线与应变片电阻丝的连接强度很低，极易被拉断，因此需要进行过渡。阻丝的连接强度很低，极易被拉断，因此需要进行过渡。导线是将应变片的感受信息传递给测试仪器的过渡线，其导线是将应变片的感受信息传递给测试仪器的过渡线，其一端与应变片的引出线相连，另一端与测

43、试仪器一端与应变片的引出线相连，另一端与测试仪器( (通常为通常为应变仪应变仪) )相连接。应变片的引线与接入应变仪的导线一般相连接。应变片的引线与接入应变仪的导线一般通过中间接线柱通过中间接线柱( (片片) )焊接在一起。焊接在一起。绝缘度检查绝缘度检查p(6)(6)绝缘度检查绝缘度检查p 应变片与试件之间必须是绝缘的，否则，实际应变片与试件之间必须是绝缘的，否则，实际电阻就会是应变片的电阻与试件电阻的并联，从电阻就会是应变片的电阻与试件电阻的并联，从而导致测试的不准确。检查绝缘度就是用兆欧表而导致测试的不准确。检查绝缘度就是用兆欧表( (测量大电阻的专用仪器测量大电阻的专用仪器) )检查应

44、变片与试件之间检查应变片与试件之间的绝缘电阻，绝缘电阻为的绝缘电阻，绝缘电阻为50M50M以上为合格，低于以上为合格，低于50M50M则用红外线灯烤至合格，若再达不到要求，则用红外线灯烤至合格，若再达不到要求，则重贴。则重贴。 一般使用兆欧表进行检查。将兆欧表一般使用兆欧表进行检查。将兆欧表的的E E端接试件，端接试件，L L端接应变片的引线，由慢至快地端接应变片的引线，由慢至快地摇动仪表的手柄，指针偏转至某一位置基本不动摇动仪表的手柄，指针偏转至某一位置基本不动时，读数即为绝缘电阻值，如图时，读数即为绝缘电阻值，如图2-162-16所示。所示。图图2-16绝缘度测量方法示意图绝缘度测量方法示

45、意图四、应变片的主要特性p1.1.应变片的电阻值应变片的电阻值p 它是指未安装的应变片不受外力情况下，在室温下测它是指未安装的应变片不受外力情况下，在室温下测得的电阻值，也称原始电阻值。应变得的电阻值，也称原始电阻值。应变p片的电阻值已趋于标准化，有片的电阻值已趋于标准化，有6060、120120、350350、600600和和10001000的各种电阻值，其中以的各种电阻值，其中以120120最常用。所取最常用。所取电阻值大，可以加大应变片承受电压，因此输出信号大，电阻值大，可以加大应变片承受电压，因此输出信号大，但敏感栅尺寸也增大。但敏感栅尺寸也增大。2.灵敏系数p灵敏系数是指应变片安装于

46、试件表面，在其轴线方向的单向应力作用下，应变片的电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(式(2-9)，即pK=R/Rp 应变片的电阻应变特性与金属单丝时不同，必须用试验方法对应变片的灵敏系数K进行测定。测定时必须按规定的标准，例如，受轴向单向力(拉或压)，试件材料为泊松比=0.285的钢等。一批产品中只能抽样5的产品来测定，取平均值及允许公差值作为该批产品的灵敏系数，又称标称灵敏系数。应变片轴向受力及横向效应应变片轴向受力及横向效应p当将图当将图2-172-17所示的应变片粘贴在被测试件上时，所示的应变片粘贴在被测试件上时，由于其敏感栅是由由于其敏感栅是由n n条长度为条长度为

47、l1l1的直线段和直线段的直线段和直线段端部的端部的n-1n-1个半径为个半径为r r的半圆圆弧或直线组成，若的半圆圆弧或直线组成，若该应变片承受轴向应力而产生纵向拉应变时，则该应变片承受轴向应力而产生纵向拉应变时，则各直线段电阻丝将变长变细，电阻将增加，但在各直线段电阻丝将变长变细，电阻将增加，但在半圆弧段则受到压力的作用，半圆弧段电阻丝将半圆弧段则受到压力的作用，半圆弧段电阻丝将变短变粗，电阻将减小。使得敏感栅的总电阻增变短变粗，电阻将减小。使得敏感栅的总电阻增加量小于沿轴向安放的同样长度电阻丝电阻增加加量小于沿轴向安放的同样长度电阻丝电阻增加量。量。 图图2-17应变片轴向受力及横向效应

48、应变片轴向受力及横向效应(a)应变片及轴向受力图；应变片及轴向受力图；(b)应变片的横向效应图应变片的横向效应图 应变片及轴向受力图应变片及轴向受力图p 综上所述，将直的电阻丝绕成敏感栅后，虽然长综上所述，将直的电阻丝绕成敏感栅后，虽然长度不变，应变状态相同，但由于应变片的圆度不变，应变状态相同，但由于应变片的圆p弧段将直线段电阻变化抵消了一部分，因此，敏弧段将直线段电阻变化抵消了一部分，因此，敏感栅的总电阻变化减小，所以，其灵敏系数感栅的总电阻变化减小，所以，其灵敏系数K K较整较整个电阻丝的灵敏系数个电阻丝的灵敏系数K0K0小，这种现象称为应变片小，这种现象称为应变片的横向效应。横向效应影

49、响与敏感栅的构造及尺的横向效应。横向效应影响与敏感栅的构造及尺寸有关，敏感栅的直线段越窄越长、圆弧段越宽寸有关，敏感栅的直线段越窄越长、圆弧段越宽越短，则横向效应影响越小。越短，则横向效应影响越小。 p为了减小横向效应产生的测量误差，现在一般多采用箔式为了减小横向效应产生的测量误差，现在一般多采用箔式应变片。应变片。p4.4.最大工作电流最大工作电流p 最大工作电流是指已安装的应变片允许通过敏感栅而不最大工作电流是指已安装的应变片允许通过敏感栅而不影响其工作特性的最大电流。工作电流大，输出信号也大，影响其工作特性的最大电流。工作电流大，输出信号也大，灵敏度就高。但工作电流过大会使应变片过热，严

50、重影响灵敏度就高。但工作电流过大会使应变片过热，严重影响其工作特性，甚至烧毁应变片。该电流与应变片本身、试其工作特性，甚至烧毁应变片。该电流与应变片本身、试件、黏结剂和环境有关。静态测量时，丝式应变片允许通件、黏结剂和环境有关。静态测量时，丝式应变片允许通过的最大工作电流一般为过的最大工作电流一般为25mA25mA左右，动态测量时可取左右，动态测量时可取75mA75mA100mA100mA。箔式应变片散热条件好，电流可取得更大。箔式应变片散热条件好，电流可取得更大一些。在测量塑料、玻璃、陶瓷等导热性差的材料时，电一些。在测量塑料、玻璃、陶瓷等导热性差的材料时，电流应小一些。流应小一些。 7零漂

51、和蠕变p 实际上，蠕变中即包含零漂，因为零漂是不加实际上，蠕变中即包含零漂，因为零漂是不加载的情况，它是加载特性的特例。载的情况，它是加载特性的特例。 制作应变片制作应变片时内部产生的内应力和工作中出现的剪应力，使时内部产生的内应力和工作中出现的剪应力，使丝栅、基底，尤其是胶层之间产生的丝栅、基底，尤其是胶层之间产生的“滑移滑移”，将导致应变片的零漂和蠕变。另外丝材、黏结剂、将导致应变片的零漂和蠕变。另外丝材、黏结剂、基底等的变化也是造成应变片零漂和蠕变的因素。基底等的变化也是造成应变片零漂和蠕变的因素。选用弹性模量较大的黏结剂和基底材料，适当减选用弹性模量较大的黏结剂和基底材料，适当减薄胶层

52、和基底，并使之充分固化，有利于蠕变性薄胶层和基底，并使之充分固化，有利于蠕变性能的改善。能的改善。8.应变极限和疲劳寿命p 应变极限是衡量应变片测量范围和过载能力应变极限是衡量应变片测量范围和过载能力的指标，通常要求应变片的应变极限的指标，通常要求应变片的应变极限lim8000lim8000。影响应变极限的主要因素及改。影响应变极限的主要因素及改善措施，与蠕变基本相同。善措施，与蠕变基本相同。 对于已安装好的对于已安装好的应变片，在一定幅值的交变应力作用下，连续工应变片，在一定幅值的交变应力作用下，连续工作到产生疲劳损坏时的循环次数，称为应变片的作到产生疲劳损坏时的循环次数，称为应变片的疲劳寿

53、命。它反映了应变片对于动态应变的适应疲劳寿命。它反映了应变片对于动态应变的适应能力，疲劳寿命与应变片的取材、工艺和引线焊能力，疲劳寿命与应变片的取材、工艺和引线焊接、粘贴质量等因素有关，一般情况下循环次数接、粘贴质量等因素有关，一般情况下循环次数可达可达105105107107。图图2-18应变片的机械滞后特性应变片的机械滞后特性图图2-19应变片的应变极限应变片的应变极限9应变片的动态响应特性p应变片在测量频率较高的动态应变时，应变是以应变片在测量频率较高的动态应变时，应变是以应变波的形式在材料中传播的，它的传播速度与应变波的形式在材料中传播的，它的传播速度与声波相同，对于钢材声波相同，对于

54、钢材v5000 mv5000 ms s。应变波由试。应变波由试件材料表面，经黏合层、基片传播到敏感栅，所件材料表面，经黏合层、基片传播到敏感栅，所需要的时间是非常短暂的，如应变波在黏合层和需要的时间是非常短暂的，如应变波在黏合层和基片中的传播速度为基片中的传播速度为1000m1000ms s，黏合层和基片的，黏合层和基片的总厚度为总厚度为0.05mm,0.05mm,则所需时间约为则所需时间约为5 510-8s10-8s，因此，因此可以忽略不计。但是由于应变片的敏感栅相对较可以忽略不计。但是由于应变片的敏感栅相对较长，当应变波在纵栅长度方向上传播时，只有在长，当应变波在纵栅长度方向上传播时，只有

55、在应变波通过敏感栅全部长度后，应变片所反映的应变波通过敏感栅全部长度后，应变片所反映的波形经过一定时间的延迟，才能达到最大值。图波形经过一定时间的延迟，才能达到最大值。图2-202-20所示为应变片对阶跃应变的响应特性所示为应变片对阶跃应变的响应特性图图2-20应变片对阶跃应变的响应特性应变片对阶跃应变的响应特性(a)应变波为阶跃波；应变波为阶跃波；(b)理论响应特性；理论响应特性；(c)实际响应特性实际响应特性五、应变片的测量电路五、应变片的测量电路p 由于机械应变一般都很小，要把微小应变引起的微小电由于机械应变一般都很小，要把微小应变引起的微小电阻变化测量出来，同时要把电阻相对变化阻变化测

56、量出来，同时要把电阻相对变化RRR R转换为电转换为电压或电流的变化，因此，需要有专用的测量应变变化而引压或电流的变化，因此，需要有专用的测量应变变化而引起电阻变化的起电阻变化的p测量电路。工程中通常采用直流电桥和交流电桥。测量电路。工程中通常采用直流电桥和交流电桥。p1.1.直流电桥直流电桥 p电桥电路如图电桥电路如图2-222-22所示，所示，当RL时，电桥输出电压为电桥输出电压为)(4332110RRRRRREU 图图2-22惠斯登直流电桥惠斯登直流电桥 当电桥平衡时，Uo=0，则有 R1R4=R2R3或 4321RRRR 上式为电桥平衡条件。这说明欲使电桥平衡，其相邻两臂电阻的比值应相

57、等，或相对两臂电阻的乘积应相等。 应变片工作时，其电阻值变化很小，电桥相应输出电应变片工作时，其电阻值变化很小，电桥相应输出电压也很小，一般需要加入放大器进行放大。由于放大器的输压也很小，一般需要加入放大器进行放大。由于放大器的输入阻抗比桥路输出阻抗高很多，所以此时仍视电桥为开路情入阻抗比桥路输出阻抗高很多，所以此时仍视电桥为开路情况。当受应变时，若应变片电阻变化为况。当受应变时，若应变片电阻变化为R，其它桥臂固定不，其它桥臂固定不变，电桥输出电压变，电桥输出电压Uo0，则电桥不平衡，输出电压为，则电桥不平衡，输出电压为 2-23341211113443211414332111111)(RRR

58、RRRRRRRERRRRRRRRRRRRRRREUo 设桥臂比n=R2/R1，由于R1R1，分母中R1/R1可忽略， 并考虑到平衡条件R2/R1=R4/R3， 则上式可写为 ERRnnUo112)1 (电桥电压灵敏度电桥电压灵敏度定义为 EnnRRUKoU211)1 ( 413112411311oRRRRUERRRRRR由dKU/dn = 0求KU的最大值，得 0)1 (132nndndKU求得n=1时，KU为最大值。这就是说，在供桥电压确定后，当R1=R2=R3=R4时，电桥电压灵敏度最高，此时有 4411EKRREUUo 当电源电压E和电阻相对变化量R1/R1一定时， 电桥的输出电压及其灵

59、敏度也是定值，且与各桥臂电阻阻值大小无关。 (2)(2)半桥电路半桥电路p 为了减小和克服单臂电路的非线性误差，常为了减小和克服单臂电路的非线性误差，常采用差动电路，如图采用差动电路，如图2-242-24所示。在试件上安装两所示。在试件上安装两个工作应变片：一个受拉应变；一个受压应变；个工作应变片：一个受拉应变；一个受压应变；接入电桥相邻桥臂，另两个电阻接入电桥相邻桥臂，另两个电阻R R为固定电阻，称为固定电阻，称为半桥差动电路，差动半桥无非线性误差，而且为半桥差动电路，差动半桥无非线性误差，而且电桥电压灵敏度是单臂电路的电桥电压灵敏度是单臂电路的2 2倍。倍。2-24该电桥输出电压为 433

60、221111RRRRRRRRREUo若R1=R2，R1=R2，R3=R4，则得 112 RREUo Uo与R1/R1成线性关系，差动电桥无非线性误差，而且电桥电压灵敏度KU=E/2，是单臂工作时的两倍，同时还具有温度补偿作用。 (3)全桥电路p若将电桥四臂接入四个应变片，如图若将电桥四臂接入四个应变片，如图2-252-25所示，所示，即两个受拉应变，两个受压应变，将两个应变符即两个受拉应变，两个受压应变，将两个应变符号相同的接入相对桥臂上，构成全桥差动电路。号相同的接入相对桥臂上，构成全桥差动电路。2-25 全桥电路全桥电路条件条件p在接入四个应变片时，需满足以下条件：相邻桥在接入四个应变片时