第二章_应变式传感器_

1、第二章第二章 应变式传感器应变式传感器 2.12.1 金属应变片式金属应变片式传感器传感器 应变式传感器是利用电阻应变效应做应变式传感器是利用电阻应变效应做成的传感器。成的传感器。 核心元件核心元件是电阻应变计（应变片、应是电阻应变计（应变片、应变计），它将试件上的应变变化转换成变计），它将试件上的应变变化转换成电阻变化。有金属、半导体两种。电阻变化。有金属、半导体两种。第二章电阻应变效应电阻应变效应：当金属丝（或半导体）在外力：当金属丝（或半导体）在外力作作用下发生机械变用下发生机械变形形时其电阻值发生变化的现象。时其电阻值发生变化的现象。当受轴向应力作用时有：当受轴向应力作用时有：第二章

2、金属电阻丝应变片的基本结构金属电阻丝应变片的基本结构 1-基片；基片；2-电阻丝；电阻丝；3-覆盖层；覆盖层；4-引出线引出线 第二章 2341电阻应变片结构示意图电阻应变片结构示意图bl 由敏感栅由敏感栅1 1、基底、基底2 2、盖片、盖片3 3、引线、引线4 4和粘结剂等和粘结剂等组成。组成。（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多为由金属细丝绕成栅形。电阻应变片的电阻值多为120120。应变片栅长大小关系到所测应变的准确度，应变。应变片栅长大小关系到所测应变的准确度，应变片测得的应变大小是应变片栅长和栅宽所在面积内的平片测得的应变大小是应变片栅长和栅宽所在面积内的平

3、均轴向应变量。均轴向应变量。栅长（基宽）栅长（基宽）栅宽（标距）栅宽（标距）第二章2103mm120（2 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。（4 4） 引线引线 是从应变片的敏感栅中引出的细金属线。（3 3） 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。第二章第二章SlR 设有一根长度为设有一根长度为l l、截面积为、截面积为S S、电阻率为、电阻率为的的金属丝，其电阻金属丝，其电阻R R为为 两边取对数，得两边取对数，得等式两边取微分，得

4、等式两边取微分，得 SlRSlRlnlnlnlnSdSldldRdRRdRdldlSdS第二章 电阻的相对变化； 电阻率的相对变化； 金属丝长度相对变化，用表示 截面积的相对变化。ldl称为金属丝长度方向上的应变或轴向应变；以微应变称为金属丝长度方向上的应变或轴向应变；以微应变度量。度量。SEFE610为应力值；为应力值；E E为材料的弹性模量；为材料的弹性模量；dr/rdr/r为金属丝半径的相对变化，即径向应变为为金属丝半径的相对变化，即径向应变为 r r。S= r 2dS /S=2dr/rr= 由材料力学知第二章金属材料的泊松比金属材料的泊松比为电阻丝材料的泊松比，一般金属为电阻丝材料的泊

5、松比，一般金属=0.3-0.5=0.3-0.5；/21RRk21/k材料的几何尺寸变化引起的材料的几何尺寸变化引起的材料的电阻率材料的电阻率随应变引起的（压阻效应）随应变引起的（压阻效应）金属材料：金属材料：k k以前者为主，则以前者为主，则k k1+21+2=1.7-3.61.7-3.6半半 导导 体：体：k k值主要是由电阻率相对变化所决定值主要是由电阻率相对变化所决定物理意义：单位应变引起的电阻相对变化。物理意义：单位应变引起的电阻相对变化。第二章)21 ()21 (dldldRdR金属应变计金属应变计第二章1 1 灵敏度系数灵敏度系数 当金属丝做成应变片后，其电阻相对变化与应变当金属丝

6、做成应变片后，其电阻相对变化与应变在很在很宽的范围内均为线性关系。即宽的范围内均为线性关系。即K K为金属应变片的为金属应变片的“标称灵敏系数标称灵敏系数” 。 应变片的灵敏系数应变片的灵敏系数K K恒小于线材的灵敏系数恒小于线材的灵敏系数K KS S。原因：胶。原因：胶层传递变形失真，横向效应也是一个不可忽视的因素。层传递变形失真，横向效应也是一个不可忽视的因素。KRRRRK第二章试件与其上的应变片受单向应力时，其表面处于平面应变状态。对试件与其上的应变片受单向应力时，其表面处于平面应变状态。对于由多条直线和圆弧部分组成敏感栅：于由多条直线和圆弧部分组成敏感栅：直线段：沿轴向拉应变直线段：沿

7、轴向拉应变，电阻，电阻圆弧段：沿横向压应变圆弧段：沿横向压应变r r等，电阻等，电阻 yxy第二章br横向效应：横向效应： 金属应变片测量应变时，构件的轴向应变金属应变片测量应变时，构件的轴向应变 使敏感栅电阻发生变化，其横向应变使敏感栅电阻发生变化，其横向应变 r r也将使敏也将使敏感栅半圆弧部分的电阻发生变化，应变片的这感栅半圆弧部分的电阻发生变化，应变片的这种既受轴向应变影响，又受横向应变影响而引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起电阻变化的现象称为横向效应。第二章3 3 机械滞后机械滞后产生原因：应变片在承受机械应变后，其内部会产生残应变片在承受机械应

8、变后，其内部会产生残余变形，使敏感栅电阻发生少量不可逆变化余变形，使敏感栅电阻发生少量不可逆变化；在制造或粘在制造或粘贴应变片时，敏感栅受到不适当的变形或者粘结剂固化不贴应变片时，敏感栅受到不适当的变形或者粘结剂固化不充分。充分。1机械应变卸载加载指示应变i应变片的机械滞后 机械滞后值还与应变片所机械滞后值还与应变片所承受的应变量有关。承受的应变量有关。第二章1机械应变卸载加载指示应变i应变片的机械滞后4 4 零点漂移和蠕变零点漂移和蠕变 零点漂移产生原因：敏感栅通电后的温度效应；零点漂移产生原因：敏感栅通电后的温度效应；应变片的内应力逐渐变化；粘结剂固化不充分等应变片的内应力逐渐变化；粘结剂

9、固化不充分等。 第二章 如果在一定温度下，使应变片承受恒定的机械应如果在一定温度下，使应变片承受恒定的机械应变，其电阻值随时间增加而变化的特性称为蠕变。变，其电阻值随时间增加而变化的特性称为蠕变。 一般蠕变的方向与原应变量的方向相反。一般蠕变的方向与原应变量的方向相反。 产生原因：由于胶层之间发生产生原因：由于胶层之间发生“滑动滑动”，使力传，使力传到敏感栅的应变量逐渐减少。到敏感栅的应变量逐渐减少。5 应变极限 在一定温度下，在一定温度下，应变片的指示应变对测试值的真应变片的指示应变对测试值的真实应变的相对误差不超过规定范围（一般为实应变的相对误差不超过规定范围（一般为10%10%）时）时的

10、最大真实应变值。的最大真实应变值。lim真实应变z指示应变i应变片的应变极限应变片的应变极限10%1影响因素：粘结剂和基底影响因素：粘结剂和基底材料传递变形的性能及应材料传递变形的性能及应变片的安装质量。变片的安装质量。第二章1 1 直流（交流）电桥直流（交流）电桥2 2 非线性误差及其补偿非线性误差及其补偿 应变片将应变的变化转换成电阻相对变化应变片将应变的变化转换成电阻相对变化 R R/ /R R，要把电阻的变化转换成合适的电压或电，要把电阻的变化转换成合适的电压或电流的变化，才能用电测仪表进行测量。流的变化，才能用电测仪表进行测量。第二章 直流电桥 电阻应变片的测量线路多采用交流电桥电阻

11、应变片的测量线路多采用交流电桥( (配交流放配交流放大器大器) )，其原理和直流电桥相似。直流电桥比较简单，如，其原理和直流电桥相似。直流电桥比较简单，如图所示。当电源图所示。当电源E E为电势源，其内阻为零时，可求出检流为电势源，其内阻为零时，可求出检流计中流过的电流计中流过的电流I Ig g与电桥各参数之间的关系为与电桥各参数之间的关系为第二章 R2R4R1R3E电桥线路原理图RgACD IgB当当R1R4=R2R3时，时，Ig=0，Ug=0，即电桥处于平衡状态。，即电桥处于平衡状态。若电桥的负载电阻若电桥的负载电阻Rg为无穷大，则为无穷大，则B、D两点可视为开两点可视为开路。路。)(44

12、321RRRRRRRREUiig第二章当当iRiR)-(4K4321iE R2R4R1R3E电桥线路原理图RgACD IgB1R14KUigE单臂半桥单臂半桥为应变片为应变片21R，R）（21-4KUigE双臂半桥双臂半桥 为应变片为应变片4321RRRR，全桥全桥为应变片为应变片)-(4KU4321igE拉应片拉应片 取正取正当当RiR时，输出电压与应变呈线性关系。时，输出电压与应变呈线性关系。若相邻两桥臂的应变极性一致，即同为拉应变或压应变若相邻两桥臂的应变极性一致，即同为拉应变或压应变时，输出电压为两者之差；若相邻两桥臂的极性不同时，时，输出电压为两者之差；若相邻两桥臂的极性不同时，输出

13、电压为两者之和。输出电压为两者之和。若相对两桥臂应变的极性一致时，输出电压为两者之和；若相对两桥臂应变的极性一致时，输出电压为两者之和；相对桥臂的应变极性相反时，输出电压为两者之差。相对桥臂的应变极性相反时，输出电压为两者之差。 利用上述特点可进行温度补偿和提高测量的灵敏度利用上述特点可进行温度补偿和提高测量的灵敏度。 第二章五、温度特性（误差及其补偿）五、温度特性（误差及其补偿）1 1 温度误差温度误差应变片的电阻丝应变片的电阻丝 ( (敏感栅敏感栅) )具有一定温度系数；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。电阻丝材料与测试材料的线膨胀系数不同。 第二章 设环境引起的构件

14、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 ，则应变片产生的电阻相对变化为tRRt 1第二章tget2相应的电阻相对变化为相应的电阻相对变化为K K应变片灵敏系数。应变片灵敏系数。tKRRge2第二章温度变化形成的总电阻相对变化：温度变化形成的总电阻相对变化： tKtRRRRRRgett 21第二章12 12温度补偿（自补偿法和线路补偿法）温度补偿（自补偿法和线路补偿法） 单丝自补偿应变片单丝自补偿应变片若要应变片在温度变化若要应变片在温度变化t时的热输出值为零，必须使时的热输出值为零，必须使即即选择应变片时，若使其电阻温度系数选择应变片时，若使其电阻温度系数 和线

15、膨胀系和线膨胀系数数 与与 满足上式的条件，即可实现温度自补满足上式的条件，即可实现温度自补偿。具有这种敏感栅的应变片称为单丝自补偿应变片。偿。具有这种敏感栅的应变片称为单丝自补偿应变片。 0getKegtKetg第二章双丝组合式自补偿应变片双丝组合式自补偿应变片 是由两种不同电阻温度系数（一种为正值，一种是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，以达到一定的温度为负值）的材料串联组成敏感栅，以达到一定的温度范围内在一定材料的试件上实现温度补偿的，如图。范围内在一定材料的试件上实现温度补偿的，如图。(Ra) t= (Rb) t焊点RaRb第二章 这种应变片的自补偿

16、条件要求粘贴在某种试件上的两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，即相反，即 电路补偿法电路补偿法 如图，电桥输出电压与桥臂参数的关系为 式中A由桥臂电阻和电源电压决定的常数。3241RRRRAUSCUSCR2R4R1R3E桥路补偿法 由上式可知，当R3、R4为常数时，Rl和R2对输出电压的作用方向相反。利用这个基本特性可实现对温度的补偿。 第二章 测量应变时，使用两个应变片，一片贴在被使用两个应变片，一片贴在被测试件的表面测试件的表面，图中R1称为工作应变片。另一片另一片贴在与被

17、测试件材料相同的补偿块上贴在与被测试件材料相同的补偿块上，图中R2，称为补偿应变片。补偿应变片粘贴示意图R1R2第二章 当被测试件不承受应变时，R1和R2处于同一温度场，调整电桥参数，可使电桥输出电压为零，即上式中可以选择R1=R2=R及R3=R4=R。 当温度升高或降低时，若R1t=R2t，即两个应变片的热输出相等，由上式可知电桥的输出电压为零，即03241RRRRAUSC322411RRRRRRAUttSC021ttRRRA第二章将补偿片贴在被测试件上，既能起到温度补偿作用，又将补偿片贴在被测试件上，既能起到温度补偿作用，又能提高输出的灵敏度，贴法如图所示。能提高输出的灵敏度，贴法如图所示。 R1R2FFR1R2（b）（a）F图图(a)为一个梁受弯曲应变时，应变片为一个梁受弯曲应变时，应变片R1和和R2的变形方向的变形方向相反，上面受拉，下面受压，应变绝对值相