传感器原理与应用_3_力学传感器_1_金属应变式_1_物理原理

1、传感器原理与应用传感器原理与应用第3章 力学传感器基本要求：基本要求：掌握金属应变式传感器、压阻式传感器和压电式传感器的结构；通过对电阻应变片的测量和电路分析，掌握惠斯登电桥电路的结构形式及特点；了解力学传感器的应用。力学传感器o 主要用来测力，压力，位移，应变，速度，加速度，温度，湿度等。o 按照构成传感器的敏感元件的材料的不同，分为：n 金属应变式传感器n 压阻式传感器n 压电式传感器电阻式传感器电阻式传感器力学传感器机械形变机械形变应变应变电阻的相对变化电阻的相对变化R/Rk力上游应变材料力学研究范畴下游如何测量电阻的相对变化量？传感器原理与应用传感器原理与应用力学传感器力学传感器3.1

2、 金属应变计Part.1 原理原理1.金属应变式传感器o 物理原理物理原理n 金属应变式传感器金属应变式传感器是根据电阻应变效应电阻应变效应的原理，将测量物体的变形转换成电阻的变化。n 1856年W. Thomson发现：导体导体或半导体半导体材料在外力作用下会产生机械形变，其电阻值也发生相应改变，这种现象称为电阻应变效应。了解应变和电阻相对变化量之间的关系是如何获得的？1.1 电阻应变效应o 长度为l，截面积为S，电阻率为的金属或半导体丝，其电阻为：lRSo 当导体或半导体发生变化，将会引起电阻值相对变化量R的变化。RlSRlSo 设电阻丝为圆形截面，半径为r，有2 2SrSrSro 由材料

3、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，定义泊松系数泊松系数表示金属受力时的轴向应变和径向应变关系，即： rrlrlrll 非重点，课后自行理解o 带入得到：12RlRlo 定义轴向应变轴向应变：llo 定义单位应变引起的相对电阻变化为应变片的灵敏系数灵敏系数：012RRk 非重点，课后自行理解o 又由于：lEln ：压阻系数压阻系数，对于半导体半导体取值(4080)x10-11m2/Nn E： 杨氏模量杨氏模量，取值1.87x1011N/m2o 可得应变片的灵敏系数灵敏系数：012kE 非重点，课后自行理解00RlkkRl轴向应变轴向应变o 金属丝的灵敏系数k0主要受

4、两个因素影响：n受力后的几何尺寸的变化，金属导体以此为主：n受力后材料的电阻率随应变所引起的变化，半导体以此为主。o 半导体应变片的灵敏度比金属导体的灵敏度系数值大几十倍。n对金属来讲，E很小，可忽略不计，o 泊松系数=0.250.5之间（钢=0.285）。o 相应的，K0=1.52.n对半导体而言，E比（1+2）大得多，一般情况下E=50200。故（1+2）可以忽略不计。非重点，课后自行理解1.2 应变片结构原理o 电阻应变式传感器的核心元件是电阻应变计电阻应变计，也称为应变计应变计或应变片应变片。o 应变片是一种能将机械构件上的应变的变化转换为电阻变化的传感元件。1)基片基片： 绝缘材料2

5、)网状敏感栅网状敏感栅： 高阻金属丝，金属箔3)粘合剂粘合剂： 化学试剂4)覆盖层覆盖层： 保护层5)引线引线： 金属导线应变片的主要结构常用敏感栅材料的主要性能非重点，课后自行理解o 应变片是一种重要的敏感元件，n它是应变和应力测量的主要传感器。n其他诸如膜片式压力压力传感器、加速度计加速度计、线位移线位移传感器等，也经常使用应变片作为基点转换元件或敏感元件。1.3 应变片的主要特性 应变片的灵敏系数o 金属电阻丝的电阻相对变化与它所感受的应变之间具有线性关系。（灵敏度系数k0）o 金属丝做成应变片后，电阻特性与单根金属丝将有所不同，必须必须重新用实验实验来测定。基片传递形变失真应变片的粘合

6、剂敏感系数敏感栅横向效应实验方法o 实验是按照规定的统一标准进行的。n 受一维力（单向的拉力或压力）n 试件（被测体）的材料为泊松系数0.285的钢n 因为应变计被粘贴到试件上后，不能取下再用，因此只能每批产品提取一定百分比（一般为5%）进行测定，取平均值作为这批产品的灵敏度系数，或称“标称灵敏度系数标称灵敏度系数”实验证明：o 电阻应变计的电阻相对变化R/R与应变 =l/l 之间在很大范围内实现性的。o 产品应变片的灵敏度系数k恒小于恒小于电阻丝的灵敏度系数k0。o 如果实际应用条件和标定条件不同，使用时误差会很大，必须修正。RR=k 横向效应o 其敏感栅是由多条直线和圆弧部分组成。o 将直

7、的电阻丝绕成敏感栅之后，虽然长度相同，但应变状态不同，其灵敏系数降低了。这种现象称横横向效应向效应。o 敏感栅越窄窄，基长越长长的应变片，横向效应引起的误差越小小。非重点，课后自行理解横向灵敏度o 横向效应的大小常用横向灵敏度的百分数表示：n kx为纵向（轴向）的灵敏系数，表示当横向应变y=0时，单位纵向应变所引起的电阻相对变化；n ky为横向的灵敏系数，表示当纵向应变x=0时， 单位横向应变所引起的电阻相对变化；100%yxkCko 横向灵敏度跟材料的泊松系数相关。非重点，课后自行理解减小横向效应o 为了减小横向效应，可采用直角线栅式直角线栅式应变计或箔式箔式应变计。大的截面积大的截面积非重

8、点，课后自行理解 应变片的动态特性o 电阻应变片在测量变化频率较高的动态应变时，应考虑其动态响应特性。o 在动态测量时，应变是以应变波的形式在材料中传播，它的传播速度与声波相同。o 应力波从试件通过胶层、基片传递到敏感栅需要一定时间（一般可以忽略）。o 沿应变计长度方向经过敏感栅需要更长的时间（应该加以考虑）。 非重点，课后自行理解敏感栅电阻的变化是对某一瞬时所用于其上的应力的平均值的反应o 设应变的变化为:o 应变在试件中轴向(沿栅轴方向)传播，有:0sin 2ftxvtxtvff o 代入应变表达式:0sin 2xo 设应变的变化为:o 应变在试件中轴向(沿栅轴方向)传播，有:0sin 2

9、ftxvtxtvff o 代入应变表达式:o 设应变的变化为:o 应变在试件中轴向(沿栅轴方向)传播，有:0sin 2ft0sin 2xxvtxtvff o 代入应变表达式:o 设应变的变化为:o 应变在试件中轴向(沿栅轴方向)传播，有:0sin 2ft非重点，课后自行理解基长L内测得平均应变的最大值po 得到最大值的积分段：,42 42llo 平均应变的最大值p：21002121002sin22cos-cos2LsinL=sin=Lxxpx dxxxxxLL x1x2o 得到最大值的积分段：,42 42llo 平均应变的最大值p：o 得到最大值的积分段：,42 42ll21002121002

10、sin22cos-cos2LsinL=sin=Lxxpx dxxxxxLL o 平均应变的最大值p：o 得到最大值的积分段：,42 42llx121002121002sin22cos-cos2LsinL=sin=Lxxpx dxxxxxLL o 平均应变的最大值p：o 得到最大值的积分段：,42 42llx2x121002121002sin22cos-cos2LsinL=sin=Lxxpx dxxxxxLL o 平均应变的最大值p：o 得到最大值的积分段：,42 42ll非重点，课后自行理解应变波幅的相对误差o 应变波幅的相对误差：002sin116pLeLL o 测量误差e与应变波长对基长的

11、相对比值/l有关。非重点，课后自行理解阶跃应变波通过敏感栅0.8kLtvo 可测频率：0.350.44kvftL非重点，课后自行理解 其他特性参数o 线性度：线性度：n试件的应变和电阻的相对变化R/R，在理论上呈线性关系。n实际上，在大应变时，会出现非线性关系。n应变计的非线性度一般要求在0.05%或1%以内。o 应变极限应变极限n粘贴在试件上的应变计所能测量的最大应变值称为应变极限。n当应变计的指示应变值对真实应变值的相对误差大于10%时，认为达到破会状态，此时的真实应变值真实应变值就作为该批应变计的应变极限。非重点，课后自行理解o 机械滞后n 在温度恒定的条件下，应变片粘贴在试件上进行加加

12、载载和卸载卸载，对同一机械应变量，应变片卸载时的指示应变高于加载时的指示应变，这种现象称为应变片的机械滞后。n 其最大差值为应变片的机械滞后值。非重点，课后自行理解o 零漂和蠕变n粘贴在试件上的应变片，在温度保持恒定、不承受机械应变时，其电阻值随时间而变化的特性，称为应变片的零漂零漂。 n如果在一定温度下，使其承受恒定的机械应变，其电阻值随时间而变化的特性，称为应变片的蠕变蠕变。一般蠕变的方向与原应变量变化的方向相反。 n这两项指标都是用来衡量应变片特性对时间的稳定性稳定性，在长时间测量中其意义更为突出。 n蠕变中已包含零漂，因为零漂是不承受载荷条件下的蠕变。 n应变片在制造过程中所产生的内应

13、力、丝材、粘合剂、基底等的变化是造成应变片零漂和蠕变的因素。 非重点，课后自行理解o 疲劳寿命n 对于已安装好的应变片，在恒定幅值的交变力作用下，可以连续工作而不产生疲劳损坏的循环次数N称为应变片的疲劳寿命疲劳寿命。n 当出现以下三种情况之一时，都认为是疲劳损坏；o 应变片的敏感栅或引线发生断路；o 应变片输出指示应变的幅值变化10；o 应变片输出信号波形上出现穗状尖峰。疲劳寿命反映了应变片对动态应变测量的适应性。 非重点，课后自行理解o 最大工作电流n 是指允许通过应变片而不影响其工作的最大电流值。n 工作电流大，应变片输出信号大，灵敏度高。n 但过大的工作电流会使应变片本身过热，使灵敏系数变化，零漂、蠕变增加，甚至把应变片烧毁。n 通常允许电流值在静态测量时约取25mA左右，动态时可高一些，箔式应变片可取更大一些。非重点，课后自行理解o 绝缘电阻n 绝缘电阻是指应变片的引线与被测试件之间的电阻值。n 通常要